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编号毕业设计论文外文翻译(译文)题目新型微型拖拉机外观及主要部件结构设计院(系)机电工程学院专业机械设计制造及其自动化学生姓名学号指导教师职称副教授题目类型理论研究实验研究工程设计工程技术研究软件开发2010年5月23日汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型摘要 本文提出了一种替代汽车模型构造中的梁式结构与节点的工程方法其最终目的是为设计人员在创建一个汽车零部件概念模型提供一种有效方法在汽车设计的早期,利用NVH优化方法对白车身进行优化设计所提出的方法是基于简化梁与节点建模方法,其中涉及到梁构件截面几何分析和接点的静态分析第一个分析旨在确定梁中心节点和计算的等效梁属性第二个分析目的在于通过静压下的复杂有限单元模型,建立由有三个或以上的梁构件通过的接点的简化模型 为了验证所提出的方法,列举由简化模型取代梁式结构和汽车车身上部区域的接头的工业研究个案,两种静态载荷分别作用于原始模型和简化模型上并比较了两种模型的全车扭矩刚度和弯矩刚度,所采用的比较方法与OEM公司使用的标准是相同的也对两种模型的全局频率与模态震型方面做了动态性能分析比较 在高度竞争的市场中,设计工程师面临着的挑战就是遵从复杂且有可能相互矛盾的设计标准开发新产品在汽车产业领域,为完善汽车的各项功能性,如安全,降低噪音和振动,注重环保等任务,使越来越多的困难,由推出新产品或更新现有模式为了使复杂的设计标准与降低上市时间相适应,就需要将计算机辅助工程(CAE)设计方法用于汽车设计的早期阶段近来,为了使汽车设计人员在汽车功能已经确定、但详细的几何数据还不明确的概念阶段利用CAE进行设计,研究人员花费了不少精力其目的是要改善初始CAD设计,从而缩短了设计周期在NVH和碰撞安全性的预测领域,研究人员已经提出很多概念建模方法它们可以分为三类基于前任有限元模型方法,零开始方法,并行计算机辅助方法我们提出的方法属于第一类,其中涉及网格变形和概念改性的方法,被用来设计一个现有车型的变量或增量改进利用前任有限元模型,完成CAE早期预测,可以找出CAD设计所存在的问题并提出可能的对策如果一个新的概念车已经被设计好,但前任有限元模型又不可用,可以利用“零开始方法两种方法有明显的区分第一类是拓扑优化设计,主要用于减少初始可接纳设计模型的材料从而降低结构重量,但又不影响功能要求拓扑优化设计通常是优化模型的形状和尺寸“零开始方法”属于“功能布局设计”,目的在于建立由梁、接点、板构成的简单概念模型,它表示功能布局以及功能预测CAD与CAE并行设计方法,也可在设计过程的早期阶段CAD与CAE并行设计方法可以在组件级CAD模型已经建立但车辆级模型还不确定阶段提供模拟结果在基于前任有限元建模方法中,最近Donders.等人提出“减少梁和节点建模”的方法以改善车身的NVH基本情况所提出的方法建立了一个在梁的中心节点减少模态模型,模型中可以添加梁构件和连结点,从而可以完成概念车身修改与动态降噪减振性能的准确预测商业软件包LMS虚拟实验室,有“减少梁和节点建模”的方法友好界面设计工程师可以定义一个梁和节点布局,计算车身减少梁和节点模态,完成车身梁构件和节点的调整和优化设计文中,“简化梁和节点建模”的方法目的在于替代前任有限元方法在确定作为横截面的几何中心点的梁中心点后,利用几何分析方法可以计算等效梁特性和减少梁构件几何方法计算薄壁梁的刚度参数,手段,必须考虑薄壁梁的局部变化和不连续性(孔,焊接,加强筋)需要为此,可以用更新过程迭代模型方法,估算每一个梁部件的修正因子在下一步的工作,可以通过一个静态减少详细有限元模型而获得节点为了验证所提出的方法,列举了一案例,车身上部的梁与节点用一简单模型替代案例中通过对在车身的原始模型和简化模型的完全有限元和在扭力与弯曲作用力下的静态刚度评估,完成了静态比较通过全局频率与模型震动比较,完成两模型的动态比较分析Donders.等人提出“简化梁和节点建模”的方法,目的在于有效地修改车身的梁与节点其基本思想是找出所谓的梁的中心点,并在中心点上创建一个简化模型随后通过简化梁与节点减轻结构的质量本文简化梁与节点模型完全取代原始有限元模型,这样,车身的优化在概念设计就可以完成,同时可以得到一个详细的车身结构在本节中,概述了估算简化梁与节点模型的质量和刚度性能过程梁类构件,具有其纵向尺寸远远超过了横向尺的特点,是在车身的主要结构因素是车身的固有频率重要影响因素在车辆的有限元模型,梁状成员通常是薄壁结构,由壳单元组成为了用简化梁取代梁的细格单元,要详细考虑众多的梁截面和并计算每根梁的等效梁属性为此目的要实施下面的过程
(1)在梁部件的交叉平面上选择一切点
(2)在轴坐标系统中定义梁的近似方向和交叉面
(3)以找到在原截面梁中心节点的几何中心,对主梁上的沿平面交叉口的壳元素进行切割和分析
(4)在这里,X表示梁方向,y–z平面是平面交叉,如图1所示对于任意截面属性的计算,可实现通过计算所属的横截面每个网格单元的等效梁属性,根据区域主轴xiyizi.然后,从区域轴体系,转化到交叉平面(x,y,z)最后,对所有壳单元综合计算以找到该截面的全局属性梁中心节点通过插值关系连接周边网格中这些关系由每个梁中心节点和特定节点组确定通常情况下,为了计算主梁部件的等效梁属性,需要确定一系列的交叉平面整个梁部件可以用一系列的从有限元库里面提取的线性梁部件表示图二所示的原始车身有限单元模式和简化的有限元模式为补充
2.1节描述的简化梁模型,本节将描述一个车身梁部件连接点简化过程评估由接点连接的梁部件的等效梁特性后,可以得到一组包括梁位于连接端面上的梁中心节点的插值元素的节点组
[15]如图3所示,示例中,连接车身右柱和车顶支架的接点网格从整车身提取出来,因为这个独立接头模型,可以用Guyan简化法计算一个接点代表该模型Guyan简化法
[18],也称为静态缩合法,是用来简化结构有限元刚度和大矩阵的方法对于任意结构,其静态有限元矩阵方程可以由K(刚度矩阵),F(力)和X(位移向量)得出1通过确定边界自由度,必定存在一个内部自由度的解,方程
(1)可以用方程
(2)分解2其中o与t分别代表内部自由度和边界自由度通过公式
(2)内部位移量可以用以下公式表示
(3)通过将静态简化矩阵可以得到以下方程
(4)其中是简化载荷向量,是刚性矩阵同样的变换可以用在简化边界自由度的大矩阵上,从而可以得到一个简化系统和进行动态分析然而,Guyan简化法是一种近似简化法,为简化大矩阵,必须假设内部力对结构的作用远远小于外部力产生的弹性形变对结构的影响,也就是部件刚度非常高或者局部动态影响可以忽略,因而简化的准确度是有条件的对于每一个孤立的接点模型,Guyan简化法把梁中心点自由度看作边界自由度,然后有限单元模型简化为一个由刚度与大矩阵组成的超级元对于典型的汽车关节点,关节点间的刚性对车身的影响远远大于节点质量分布的影响,的最终点的刚度关系有一个比大规模的联合精确分布全球性机构的行为更强大的影响力基于这个原因,Guyan简化法简化节点结构可以看作是一个近似选择图4显示了一个工业车身模型,由123块板组成,板块是由线性壳单元模拟组成车身组合面板大概有约3000个焊接点在有限元模型中,用六角形固体单元表示为了验证前面章节所述的梁与节点简化法,图4中,B1到B5块梁,用等效简支梁代替A、B还有纵向和横向的车顶支架总共10根梁被替换对称排列四个节点,图4中的J1J2J3和J4,被静态简化图5显示了简化的白车身模型,其中壳结构梁节点梁取代梁的数量和长度依据原始网格选定车身上的节点有限员模型被从车身有限员模型上删除,并用静态超单元代替为了验证所提出的方法,评估了整车性能的静态和动态的指标评估指标从原白车身模型与简化(或概念)模型上获得为了评估静态指标,需要计算白车身的扭转刚度和弯曲刚度车身后悬架固定,静态垂直力作用在前悬架上(图6中A和B),由力作用点位移和可以计算出扭转和弯曲所产生的弯矩角和扭矩角,计算公式如下
(5)6其中L和W表示的轴距和车宽利用扭矩角,可以确定扭转刚度
(7)其中是作用前悬架上两个方向相反作用力形成的力矩同样的弯曲刚度计算公式如下:
(8)其中作用在前悬架上的垂直力通过对图4和图5所示的两个模型的有限单元分析,可以得出两种白车身模型的刚度特性表1列出了两种白车身模型的扭转刚度和弯曲刚度指标,结果显示简化白车身模型的弯曲特性非常接近原始白车身模型,但是扭转刚度方面两者误差超过10%,这就表示需要一个修正参数来提高准确性,这将在第4节继续讨论为了比较的简化模型和原始模型的动态行为,通过在0-50赫兹的低频率范围的有限元分析估算了白车身的频率与模态,当模态处于自由条件下的时候,前六模态是刚性模态,从第7模态开始,发现了车身固有模态原始车身模型在测定频率区域内有10个非刚性模态,其中只有5个是是白车身的全局模态,因为其它模态在结构上有局部变形将5个全局模态的本征频率值作为评价原始模型与概念模型相关性的动态指标表2,列出了两种模型的全局频率动态特性比较表明,概念车模型的整体结构的刚度估算过高,车身固有频率也偏高了
0.15–
6.70%表1概念模型和原始模型的有限元分析出的弯曲和扭转刚度扭转弯曲原始模型概念模型原始模型概念模型刚性(牛米/弧度)
1.456E+
051.603E+
055.013E+
045.036E+04△%–
10.15–
0.45N模态形状频率(赫兹)MACii原始模型概念模型△%1第一扭转
18.
2219.
285.
820.992第二扭转
26.
1327.
886.
700.9683侧弯
39.
3640.
011.
650.9894垂直弯曲
41.
7342.
120.
930.9895混合扭转+弯曲
47.
8547.
920.
150.99为了进一步比较两种模型的模态震型采用了模态置信度准则V1和V2是分别为原始模型和修正模型的模态矩阵,模态矩阵V1I与模态矩阵V2j的相关系数在文章里有论述显示了MAC矩阵结果,由原始模型和概念模型的所有公共模型演化而来如表2中列出MAC对角线值,表明概念模型在模态震型方面非常接近原始模型基于前述的静态和动态分析的结果,可以得出这样的结论通过几何算法得出的过高的薄壁梁的刚度,造成了车辆整体刚度的高估这样的结果是与其它研究论文
[1617]是一致的,考虑到梁的局部变化变化和连续性(洞,当场焊接,加劲),需要引入一个修正因子基于这个原因,修正系数被定义为每个刚度参数的实际值与标称值之间的比例例如,根据这样的定义,等效梁端面刚度参数可以由以下公式给出其中Iyy.nom和Izz.nom是通过
2.1节中描述的几何方法计算得出的刚度参数,而Cyy和Czz是相应的修正系数下一小节将论述如何利用模态修正算法获得一系列的校正因子为了利用模态修正算法获得修正因子,使用了图8所示的虚拟测试车身被定位在后悬架(点C和D)和静态载荷加在前悬架上(点A和B)估算了10个控制点Pi(i=
1...10)的位移,并将原始模型作为参考,对简化模型进行比较下面函数定义了原始模型和简化模型静态负载响应的偏差其中C
1...CN是校正因子,下表标A和R分别代表实际模型和参考模型,寻找修正因子向量的优化问题,可以看作是最小化两个模型最小偏差的过程最小函数fC
1...CN假设I1*I2I12表3B1B2B3B4B5Ixx
0.
2600.
1570.
3110.
0070.001Iyy
0.
9330.
3910.
7710.
0790.011Izz
0.
7610.
4550.
8930.
1920.219Ixy
0.
8090.
3710.
8120.
1130.001其中不等式,确保了方程有一个修正因子的有效解修正因子的最优有效解可以通过遗传算法获得为此通过公式,上述定义的约束问题转化为一个无约束问题在约束条件无效的情况下,为目标函数增加一较大的成本值这样可以确保无效解比有效解有一个更大的目标函数这使算法的收敛于全局最优解,原来的约束问题就转换为无约束问题表3列出了两个弯曲刚度梁更换所有成员评估参数校正因子的最优值采用几何算法计算等效梁参数,认为每个梁、甚至是车顶横梁的横截面是封闭的,这是校正因子偏低的(明显低1)主要的原因特别车顶横梁,是通过胶水连接而成的,其柔性远远高于焊接连接因此,通过几何算法得到的车顶横梁刚度明显高于其它梁部件扭转和弯曲的原始和最终概念刚度有限元模型表4扭转弯曲原始模型最终概念模型原始模型最终概念模型刚性(牛米/弧度)
1.456E+
051.462E+
055.013E+
045.024E+04△%–
0.46–
0.22表5在原始和最终概念有限元模型的全局频率和模态的形状之间的动态比较型N频率(赫兹)MACii原始模型最终概念模型△%
118.
2218.
220.
010.
99226.
1326.09-
0.
150.
998339.
3639.31-
0.
120.
998441.
7341.
990.
620.
978547.
8547.52-
0.
680.984最后,表4和表5原始模型和修正后的简化模型在静态刚度,固有频率和模态震型的对比结果表明,最终的概念模型与原始模型,无论是静态性能还是动态性能都非常接近本文提出了一种替代汽车模型构造中的梁式结构与节点的工程方法为了验证所提出的方法,列举了一案列,其中A柱,B柱和车身车顶梁用等效梁模型代替连接上述梁式结构的4个节点,用细网格单元替代静态扭矩负载和弯巨负载分别作用在原始模型和简化模型上,并对其结果做了比较试验结果表面原始模型和简化模型在扭矩刚度和弯矩刚度的偏差分别为
0.46%和
0.22%简化模型在频率于模态震型等方面的动态性能表现也非常接近原始模型要全面准确地车辆动态行为预测模型的简化更具体地说,在两种模式的最高固有频率差异为
0.68%、MAC值差为
2.2%的上述的定量结果表明,在满足商业要求的情况下,概念模型车可以运用于汽车的早期设计阶段总之,实现了一个可行的独立梁及关节替代构思,该构思使全局的静态和动态特性得到精确近似值替代方案中的刚度校正因子可以通过一个优化过程得到自然就建立了一个替换模型,一旦更换模型已经建立,模型中可以快速优化概念,也可以很容易的实现单独一根梁的替代,这在复杂的网格单元中是很难实现的本文所介绍研究工作属于I.W.T.Vlaanderen所支持“分析引领设计-前沿数字功能、性能工程”的框架结构中参考资料
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8.0计算机辅助设计软件对Icarus的几何模型修改图2显示了车辆和驾驶员的线框模型图3是计算机绘制车辆透视图像,图4是图像的正交投影两个模型比例1:10,由聚氨酯(Ureol)材料加工而成,用来分析汽车的美学性能和体积尺寸,然后用试验的人体工学的资料将其优化(图5)用一个1:5的模型进行空气动力学研究人体工程学的研究主要考虑到驾驶员的固有物理特性,主要是它的高度(
1.65米),和非人性化的驾驶位置最后通过考虑驾驶员的幅度视场(能见度),驾驶姿势和无障碍(手和脚)的驾驶的操作得到优化图形对于这些研究,试验中驾驶员的体位资料是在计算机生成的,如图2和图5所示意,可以尽可能的降低汽车的尺寸,从而减少汽车的重量驾驶员的能见度只能是汽车前面到两侧的90°幅度该模型还可以修正驾驶员的腿和脚的位置,以及确定的脚和手命令的位置为了提高驾驶舒适,座椅是基于符合人体工程学生产的为此,座位的几何表面是通过在驾驶姿势下将驾驶员放入驾驶仓获得的座位里是液体聚氨酯,有环氧涂层和柔性泡沫覆盖层3原型车制造材料在概念设计中有着关键作用,在设计过程中的作用也非常重要如今,材料的选择几乎是无限的,对于设计者来说既是坏消息也是好消息好的方面是,设计者可以找到合适的,甚至是,各类设计参数综合后优化的参数坏的方面是,很难找到一个已经被证实的最合适的材料材料的选择在设计过程是重要的一环,应该是尽可能量化材料的选择通常是由开发新产品或是满足某种新功能或是弥补产品现有的缺陷引起的材料的选择是由产品的功能决定,并与潜在的制造工艺交互考虑,将原始材料转换为产品的该车辆的形状限制了我们对传统的和先进的复合材料选择事实上,为得到车身的到预期的形状,材料的选择是一重要参数设计过程,如图1所示关于概念的定义包括,三维CAD模型,符合人体工程学的研究,比例模型制造,设计和制造的底盘,车身(驾驶室),驱动链条,制动系统和转向系统,发动机调整和适应,空气动力学测试,电子,遥测实施底盘,一个重要的汽车结构件,可使用复合材料制造,或由一个传统的焊接管状结构体系然而,由于该车辆的几何形状,复合材料被用来制造汽车底盘底盘和座舱结构在生产中作为一整体结构,用的CAD/CAM技术和先进复合材料铸造成型汽车结构件的区分是根据其结构的重要性,因此要生产不同的汽车构件模具该策略包括对从低密度(100kg/m3)的聚氨酯泡沫材料加工到模具模块化部件制造由模块模具加工的汽车部件见图6所示有四个汽车模具,即在底盘,驾驶舱车身,前部和后部的封盖驾驶员视觉部分由丙烯酸材料模具加工而成由于数控机床(米克朗的VCE500Fanuc的控制器)的限制,模具由几块模块组成该车辆计算机模型数据的利用PowerSHAPE/PowerMILL的CAD/CAM软件转换为操纵数控加工策略和模具加工数据图7显示了用于制造车辆后盖的模具底盘和座舱是一个不可分割的组成部分,采用先进的复合材料制造,提高了底盘和座舱的整体性能内部为泡沫材料,表面是高强度的复合材料夹层结构为车身提供了解决方案夹层结构由强化的表面和轻便的内部泡沫材料构成两种不同的夹层结构制造的驾驶舱和底盘对于座舱,夹心结构表面由碳纤维(195克/m2)和内部是6毫米厚度的PVC发泡材料(HerexC
70.75,Airex专业泡沫股份公司)构成至于底盘,内部为15毫米的泡沫,和采用单向碳纤维加编织的碳布构成,该结构可以提高底盘的抗弯刚度泡沫采用交叉链接的结构,具有刚性封闭的细胞结构、良好的抗震性能、良好的抗压缩性以及低密度高强度
[7]表1显示了典型的泡沫性能使用(制造商的数据),这些泡沫为网格板式材料,因此适用于制造复杂曲面几何底盘和车身(驾驶室),作为一整体结构造图所示8至于前、后盖,用环氧树脂复合材料加织物编织碳制造,提供了必要的刚性表2显示了制造底盘,驾驶室,前后该的不同夹层结构HerexC
70.75泡沫的性能(制造商数据)表1标准单位C
70.75表观密度ISO8451ASTMD1622kg/m380抗压强度ISO8441ASTMD1621N/mm
21.3压缩模量DIN534571ASTMD1621N/mm283拉伸强度DIN53455N/mM
21.95拉伸模量DIN53457N/mM263剪切强度ISO19221ASTMC273N/mM
21.2剪切模量ASTMC393N/mm230剪切断裂ISO1922%30冲击强度DIN53453kJ/m
20.9室温热导率DIN526121ASTMC177W/mK
0.025热变形温度DIN53445°C75驾驶舱的滚动链条要求承700N的静负荷
[8],因此采用单向碳纤维制成驾驶舱两边增加了加强胫以抵御可能出现的横向冲击图9显示了Icarus在保罗·里卡德赛道上竞赛情况4结论Icarus诞生于Matosinhos艺术于设计学校计算机试验室,在那里完成了从概念到基于人体工程学的计算机模型的转换在Aveiro大学的机械工程系工作室完成的虚拟模型到原型车的转换汽车的设计过程考虑了汽车功能和汽车美学以及生产过程的材料选择夹层结构材料是生产复杂、轻便的表面结构的完美材料作为教育学的观点来看,该项目提供了一份额外的附加价值,因为它使学生可以参与到实际项目中,可以更实际的学习工程基础知识要成功地实现项目的目标,有必要结合不同设计领域的知识,这样学生感受深处具有这些特征的项目必须得到支持,甚至可以融入到教学与学术环境中,如果是这样,学生们将在他们成为工程师的过程中受益匪浅最后,伊卡洛斯获得了1998年的壳牌环保马拉松比赛一等设计奖和国际交流奖鸣谢笔者要感谢所有学生,设计师和伊卡洛斯项目所涉及的教师特别致谢Aveiro大学校长和赞助商提供的后勤和财政支持参考资料
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