輕型四輪汽車的CAE分析

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1、聲明：由于本人水平有限，可能翻譯有錯誤之處，望大家批評指正，期待跟大家一起討論、研究。（xqkuai） ――――――――――――――――――――――――――――――――――――――― 輕型四輪汽車的CAE分析 藤澤一志 太田雅昭 姫野哲児 杉浦正 丸山誠司 摘要 近些年的汽車開發(fā)，IT化、全球化成為主題，一些數(shù)字模型、虛擬工廠等技術(shù)被應(yīng)用的大規(guī)模改革正在進行。CAE也隨之在車身等各個部分的分析中進一步發(fā)展，和更近于真車實驗的車輛仿真技術(shù)一起，運用這些分析技術(shù)于車型開發(fā)。本論文就是基于運用那些CAE技術(shù)進行輕型四輪汽車的新車開發(fā)的事例，研究它的有效性。 1.

2、 前言 盡管消費低迷，但輕型四輪汽車（以下，簡稱輕型汽車）的銷售額卻持續(xù)增加。這種輕型汽車的規(guī)格有所增加，全長3.3到3.4米，寬1.4到1.48米，同時在高速公路上可達100km/h的速度，為適應(yīng)顧客的要求將進一步提升低價格、低燃油的商品性能。為提高這種規(guī)格變大的輕型汽車的性能，CAE在改進對策研究和驗證及分析現(xiàn)象上起到了作用。 本論文講述以此為背景的CAE技術(shù)，就是使用大規(guī)模有限元模型（FE模型），對車輛的強度剛性、振動噪音、碰撞安全、運動性能綜合性研究的分析技術(shù)和研究使車室內(nèi)變得舒適的熱流體的分析技術(shù)。 2.車型開發(fā)上的CAE應(yīng)用 現(xiàn)在，基于有限元（FEM）的CAE分析，取得了一

3、定成績，從早期研究到后期性能改良上被應(yīng)用。伴隨著車型開發(fā)的時間縮短，設(shè)計、實驗等各部門并行工作中，CAE的及時輸出顯得相當重要。 作為解決方法之一，同公司共用車身的大型FE模型，謀求模型建立的效率化，提高車型開發(fā)的適用性。另外，更進一步，可以以同一結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)，系統(tǒng)的進行強度剛性、振動噪音、碰撞安全、運動性能的綜合CAE研究。 3.強度、剛性 3.1 輕型汽車的強度、剛性 近年來的輕型汽車要求與小型車同樣的迎面碰撞安全性、車室內(nèi)的靜音性，相應(yīng)的對策就是重量增加了。因此，包括車身在內(nèi)的汽車構(gòu)成部件，為了繼承輕型汽車重量輕、低燃油的優(yōu)點，保持一直以來的強度和剛性的同時在改變結(jié)構(gòu)、更換材料等方面

4、，以求更輕成為重點。 3.2強度、剛性CAE分析的應(yīng)用 強度剛性分析預(yù)測的是從對象整體的剛性到局部的應(yīng)力集中、疲勞耐久性。分析在各個部分進行，有關(guān)影響分析精度的負荷條件、約束條件上，采用和真車實驗的相關(guān)數(shù)據(jù)。 另外，作為設(shè)想行駛的真車的強度、剛性分析，只應(yīng)用在車身的開口部位變形的開發(fā)上，其他的尚在開發(fā)中。下面具體講述6項。 3.2.1靜剛性的預(yù)測 （1）車身靜剛性 車身骨架的剛性必須考慮響應(yīng)行駛時路面輸入的振動噪音、乘坐舒適性、操作安全性之類基本性能、車門開關(guān)觸覺的實用性等，順利完成設(shè)定的目標值。本研究如圖2所示使用共用模型判定加載車身的靜力彎矩、扭矩時的剛性值、撓度分布、門附著的

5、開口部位的變形量。圖3是預(yù)測車身剛性指標之一的彎曲剛性的例子，為了結(jié)構(gòu)、斷面形狀的適應(yīng)性，研究減少板的厚度。 （2）外壁板剛性 車頂、車門等的外壁板在鑄模之類時必須考慮結(jié)實感、耐電鍍性的剛性。圖4所示為車頂在受到強制形變時，由于改變車頂?shù)那拾霃桨l(fā)生橫向移動現(xiàn)象（剪切形變）的例子。 3.2.2 破壞強度的預(yù)測 用在車輛拖拽時的拉鉤的強度、碰撞時安全帶承受的強度，對于超出極限的輸入的變形量要求控制在規(guī)定范圍內(nèi)。所以要進行彈塑性區(qū)域內(nèi)的研究。 3.2.3 耐久強度的預(yù)測 （1）車身耐久強度 車身的真車耐久性實驗就是在各種路面行駛規(guī)定的距離后從各部位的破損情況判斷出好壞。耐久壽命就是根

6、據(jù)這些實驗的行駛距離和應(yīng)力的判斷值進行線性范圍的應(yīng)力計算、用SN圖示預(yù)測的。另外，在高應(yīng)力集中部位，更加細化周邊的單元尺寸來提高計算精度。圖5所示為改變結(jié)合部位的結(jié)構(gòu)以降低兩門附近的應(yīng)力集中的例子。 （2）功能部件的耐久強度 功能部件的耐久強度也用和車身的耐久強度一樣的手法預(yù)測壽命。圖6所示為在燃油箱施加內(nèi)壓時的高應(yīng)力集中部位，改變面流、形變R的圖示。 4.碰撞安全 4.1輕型汽車的碰撞安全 針對汽車的碰撞安全的要求升高，近年來的車型開發(fā)著眼于確保車輛碰撞時搭乘者的生存空間。另外，采用為了緩和碰撞的沖擊G及搭乘者與車室的二次碰撞、謀求降低乘員傷害值的安全結(jié)構(gòu)和約束裝置。 輕型汽車也

7、追求和普通車同樣的安全性能。新規(guī)格的車輛推出全長增加了100mm，寬度擴大了80mm為基礎(chǔ)的安全措施。另外，根據(jù)汽車事故對策中心的評估（JNCAP），接近于小型車同樣的安全性能。但是，車重輕的輕型汽車考慮互換性的話，和重的車比安全性上不利。因此，必須采用比普通車更強的結(jié)構(gòu)。 輕型汽車的安全對策也和普通車一樣，對于從各個角度的碰撞都必須確保搭乘者的生存空間。為此就要提高車室強度、抑制變形量。另外，把提高吸收從碰撞開始到車室變形期間的車身變形（碰撞擊打）的能量、緩和對車室的沖擊的結(jié)構(gòu)作為根本。而且，對于從車輛前方來的碰撞，必須考慮對物、對車最大程度碰撞的正面碰撞和在碰撞事故中對許多車的30 ～6

8、0 ％重復(fù)碰撞的并存性的車身結(jié)構(gòu)。 降低乘員傷害值就是對于從車輛前方的碰撞來說，使用安全帶和安全氣囊來盡力提早對搭乘者的拘束時機、提高制御力的效果。另外，為了拘束后不對搭乘者造成過度沖擊，采用安全帶臨界作用力、方向盤伸縮等結(jié)構(gòu)。 4.2碰撞CAE分析的應(yīng)用 碰撞安全對策需要改變車身骨架材料的配置，發(fā)動機、傳動系之類的設(shè)計。這是因為在開發(fā)后期的變更將會花費巨大的費用，所以開發(fā)初期的CAE研究是非常有效的手段。另外因為能獲得一些在實驗中見不到的部位的運動、變形及負荷的傳遞，是改良舉措的一種有效工具。 4.2.1車輛碰撞特性的預(yù)測 車輛碰撞特性的預(yù)測是從剛性振動模型上細化碰撞時發(fā)生變形的部

9、位的單元尺寸，使用30萬單元數(shù)目規(guī)模的FE模型來分析。 圖7（a）是研究正面碰撞時用剛體壁以55km/h的速度碰撞車輛的仿真圖示。圖7（b）所示研究塑性碰撞時，在車輛前方40％面積上鋁型材之類構(gòu)成的障礙物（ODB）以64 km/h的速度碰撞的仿真圖示。另外，圖7（c）所示為研究側(cè)碰時裝著鋁型材障礙物的臺車（MDB）以55 km/h的速度從車身側(cè)面撞擊的仿真圖示。這些全都是模擬JNCAP的試驗條件的例子。 這些仿真中，主要是預(yù)測圖8所示的部位的強度及能量吸收效率，是為了修正骨架部件，發(fā)動機、傳動系之類的設(shè)計。比如，以骨架部件的結(jié)構(gòu)、板厚、材質(zhì)作為參數(shù)計算，如圖9所示從每時刻的變形樣式和耐力變

10、化上來判定、修正。 如實將車身、發(fā)動機、傳動系、懸架等細節(jié)模型化，得出有關(guān)變形樣式、變形量、減速度（圖10），以使CAE分析的預(yù)測精度達到實用水準。但是，點焊的剝離、發(fā)動機傳動系的破損、斷裂等導(dǎo)致致命的有關(guān)和預(yù)測不同的事例時有發(fā)生。 4.2.2乘員傷害值預(yù)測 乘員傷害值預(yù)測是綜合多體技術(shù)和FEM的乘員運動分析軟件來分析的。雖然也有用研究車輛碰撞特性時的大型車身模型上搭載假人來計算的手法，但因為既花費時間且不能得到及時結(jié)果，因此使用乘員運動分析軟件。 這個仿真是在乘員室和假人的簡易模型上輸入實驗車的車身減速度來計算，以碰撞傳感器的實時信息，安全帶、安全氣囊特性，方向盤特性等為參數(shù)研究乘員

11、傷害值的成立性。圖11中，所示為以55 km/h的速度的撞擊剛體壁時的駕駛席上搭乘者的運動。 5.振動、噪音 5.1 輕型汽車的振動噪音 車室內(nèi)的靜音性要求逐年增加，是和輕量化兩個相矛盾的課題。考慮振動噪音的產(chǎn)生機構(gòu)，作為激勵源的發(fā)動機、路面及回轉(zhuǎn)機構(gòu)的振動向動力設(shè)備、驅(qū)動系、懸架等傳遞，受車身的隔音設(shè)備、低價材質(zhì)的影響就成了振動噪音。因為許多部分復(fù)雜的緊密結(jié)合，必須綜合看各部分的振動特性和這些部分結(jié)合的車輛整體來進行確切的研究這種振動噪音。 5.2振動噪音CAE分析應(yīng)用 振動噪音分析模型是由車身、懸架等各部分建立的。構(gòu)成了與發(fā)動機、路面的起振力和振動噪音的現(xiàn)象對應(yīng)的車輛模型。車身是

12、以共用模型為基礎(chǔ)的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)和用立體單元分割的聲響系統(tǒng)來建立振動和噪音的分析模型（圖12）。 5.2.1發(fā)動機引起的振動預(yù)測 發(fā)動機引起的振動，講述有關(guān)空轉(zhuǎn)時的振動和噪音。 （1）空轉(zhuǎn)時的振動 空轉(zhuǎn)振動就是由于發(fā)動機振動引起車身、轉(zhuǎn)向機構(gòu)輕微震動的現(xiàn)象。動力設(shè)備的剛體系統(tǒng)振動及圖13所示的車身骨架振動及方向盤彎曲振動的設(shè)定很重要。圖14為在A/T車D范圍，空調(diào)起動時一定的發(fā)動機負載作為發(fā)動機的起振力時，前排地板部位的振動的圖示。研究對策時，要解決有關(guān)發(fā)動機部位的配置、特性和發(fā)動機的過渡輸入的振動的矛盾。另外，車身骨架結(jié)構(gòu)、壁板的形狀及轉(zhuǎn)向機構(gòu)結(jié)構(gòu)之類，以固有形式的形變能分布等為參考，設(shè)定

13、常用空轉(zhuǎn)回轉(zhuǎn)標準以上的值。 （2）含混音 含混音是由發(fā)動機的振動產(chǎn)生的波等車室內(nèi)不清晰的噪音。 圖15所示為使用圖12的模型，以發(fā)動機全開加速及發(fā)動機起振力為負載時，預(yù)測車室內(nèi)前排含混音，變換為噪音A特性的圖示。推測超過許可值的含混音，是使在對象頻率范圍內(nèi)的車身骨架、地板、車架之類的共振、車室內(nèi)的共鳴等的原因，從而需改變結(jié)構(gòu)等來降低噪音。 5.2.2預(yù)測路面輸入引起的振動 作為路面輸入引起的振動，主要講述有關(guān)發(fā)動機振動和聲振粗糙度、路面噪音。 （1）發(fā)動機振動 發(fā)動機振動就是由于小的連續(xù)的變形、等間隔的接口等的路面輸入，動力設(shè)備的振動引起的車身振動的現(xiàn)象。 發(fā)動機振動的

14、預(yù)測是用從車輪起振位置的振動引起前排上下振動的傳遞系數(shù)及對單位路面振動輸入地板等的振動來判定的。對策是考慮到空轉(zhuǎn)時的振動、含混音等，用改變發(fā)動機部位的特性、配置來降低到標準之下。圖16中所示為發(fā)動機部位的衰減增大（裝入液體）的影響圖示。 （2）聲振粗糙度、路面噪音 車輪模型化比較困難，但可以使用懸架、車身模型來比較地板振動、車內(nèi)噪音等研究。 5.2.3回轉(zhuǎn)不均衡引起的振動預(yù)測 回轉(zhuǎn)不均衡引起的振動主要是由于車輪不平衡引起振動、擺動和聯(lián)合的偏角引起的振動，在此將講述前者引起的振動。 （1） 擺動 擺動是車輪不對稱、不平衡等引起的振動，進而引起懸架、轉(zhuǎn)向系的共振及方向盤的回轉(zhuǎn)振動的現(xiàn)象

15、。作為減小聲振粗糙度方法之類的降低懸架的剛性時，懸架的振動會增加轉(zhuǎn)向系的振動頻率附近的擺動。圖17是控制這兩種振動，降低擺動的例子。 （2） 振動 振動是和擺動同樣由于車輪的回轉(zhuǎn)不平衡引起的，與懸架的振動和車身骨架振動有關(guān)。這個也是使用聲振粗糙度、噪音模型來分析的。 6 .車輛運動性能、乘坐舒適性能 6.1輕型汽車的運動性能、乘坐舒適性能 輕型汽車的運動性能、乘坐舒適性能在于它的優(yōu)點是使用方便及車輛較小可以轉(zhuǎn)小彎性，這樣就決定它在市區(qū)行駛的頻率較高。重點設(shè)定這種使用狀況的同時也必須重點設(shè)定它的高速行駛速度，以提升在高速公路上的行駛速度達到最高速度100 km/h。 6.2懸架的基本

16、特性研究 影響車輛的運動性能、乘坐舒適性能的懸架基本特性決定了實施根據(jù)CAE分析的詳細研究前要進行粗略簡易研究。 乘坐舒適性基準的彈力是從座椅的顛簸固有振動頻率來決定懸架彈性系數(shù)。據(jù)此設(shè)定運動性能所必須的擺動率、負荷移動比率。另外，根據(jù)需要安裝前后減震器來調(diào)節(jié)（圖18）。其他，根據(jù)懸架、各連接部分及緩沖部件剛性分配的引導(dǎo)特性、路面輸入引起的前后振動、擺動，考慮影響懸架前后共振頻率來設(shè)定前后剛性。 6.3 車輛運動性能CAE分析應(yīng)用 6.3.1 懸架特性預(yù)測 在懸架特性分析時，根據(jù)粗略分析的基本特性，利用懸架模型（圖19）的CAE分析來進行詳細分析。 伴隨著反彈、搖晃的懸架運動，對于

17、車輪輸入的響應(yīng)，預(yù)測剛性，研究懸架的緩沖特性值等。 6.3.2 車輛運動性能預(yù)測 車輛運動性能是使用由前、后懸架模型和振動FE模型的模態(tài)參數(shù)減小自由度的車身模型組成的車輛模型來分析的（圖20）。從而可以對駕駛時的車輛運動，起動、制動時的車輛運動，路面不平引起的車輛運動等進行預(yù)測。下面將講述駕駛時的車輛運動。 （1） 駕駛操縱性能分析 車輛的駕駛操縱分成穩(wěn)定和過渡兩個階段。 穩(wěn)定操縱因為在固定半徑的圓周上作運動，所以必須從固定方向盤角度和車輛加速度的相關(guān)系數(shù)，來評價車輛的US/OS（轉(zhuǎn)向不足/轉(zhuǎn)向過大）特性?；诜治鼋Y(jié)果設(shè)定US/OS目標的懸架。圖21所示為根據(jù)車輛各種因素、懸架響應(yīng)改

18、變，得到轉(zhuǎn)向不足的結(jié)果圖示。 過渡操縱一般是用隨車輛操縱沖擊脈沖而變換時間、頻率范圍來作評價。據(jù)此，對方向角的車輛yaw角速度、yaw固有振動頻率（yawF）、yaw衰減率（注：不太理解這個專業(yè)詞匯，音譯）、輸入對方向角的車輛橫向加速度的相位差的操縱評價。圖22所示由轉(zhuǎn)向系各種因素、特性的改變來優(yōu)化轉(zhuǎn)向性的圖示。 （2） 對駕駛操縱性能的車身剛性的影響 對駕駛操縱性能的影響考慮的主要的是車身剛性，包括整體扭曲剛性、彎曲剛性、懸架組成部件的局部剛性。 整體扭曲剛性比懸架剛性高幾十倍，對駕駛操縱性能的影響較小。但是這個關(guān)系到轉(zhuǎn)彎中的車室變形，影響到駕駛員駕駛時的車身剛性感、牢固感之類的感覺

19、。圖23所示為轉(zhuǎn)彎中的兩側(cè)開口部位的變形圖示。 車身彎曲剛性、懸架組成部件的局部剛性關(guān)系到轉(zhuǎn)彎中的轉(zhuǎn)動方向、速度大小，影響到車輛的US/OS特性。特別是懸架部件局部剛性的影響更大，必須要確保不受設(shè)定的懸架特性的影響的剛性。圖24所示為懸架部件局部剛性和轉(zhuǎn)向變化的關(guān)系。 根據(jù)以此懸架構(gòu)成車身的車輛模型分析，可以對車輛行駛時的車身變形狀況和操作安全性的影響進行預(yù)測。另外也可以對車型開發(fā)提供有益的信息。 7. 熱流體 7.1 輕型汽車的熱流體 從行駛時的空氣阻力、地面阻力、發(fā)動機室的冷卻性能，到為使車室內(nèi)舒適的空調(diào)性能、為確?？梢姸鹊某凉裥阅艿?，輕型汽車開發(fā)時的流體分析被應(yīng)用在各種各樣的用

20、途。近些年，輕型汽車向高功能、高性能化發(fā)展，追求和乘用車同樣的性能。特別是在比乘用車更小的空間設(shè)計中提高空調(diào)性能和發(fā)動機冷卻性能成為了近來的重要課題。 7.2流體CAE分析應(yīng)用 因為主要是分析車身內(nèi)外的流體來設(shè)計形狀和相關(guān)內(nèi)容，所以流體CAE分析應(yīng)用是決定開發(fā)初期階段的方向性的一個手段。特別是作為使得肉眼看不到的空氣流體變得可視化的CAE是一個有效的工具。 7.2.1除濕性能預(yù)測 除濕性能預(yù)測就是要求得使用如圖25所示的大小的模型時管嘴內(nèi)部的流體和防風玻璃周圍的風速分布。要保持前方視線良好，就得實現(xiàn)至玻璃面上端的高風速，整個玻璃面良好的風速分布。如圖26所示，使用CAE可以從管嘴形狀、

21、噴出角度等容易改變的東西著手，在設(shè)計初期階段進行各種討論研究。 7.2.2管道單質(zhì)性能的預(yù)測 管道單質(zhì)性能的預(yù)測也用和除濕同樣的模型來分析。圖27所示為面管道內(nèi)部的流體仿真的例子。可以用改變管道形狀來降低壓力損失和各噴口的的風速均衡化。 7.2.3空氣動力性能預(yù)測 輕型汽車也必須提高關(guān)系到燃油費、安全性的空氣動力性能，進行CD，CL值的預(yù)測。除對穿過發(fā)動機室的氣流、車地板下部件的影響分析外，空氣噪音的預(yù)測也是今后的課題。 7.2.4 發(fā)動機室通風性能的預(yù)測 發(fā)動機室通風性能分析是用預(yù)測空氣動力性能的車身外部流分析模型和發(fā)動機室模型合成的模型來分析的。行駛時的冷卻風速誤差是因用簡易化

22、冷卻扇、考慮回旋成分的模型產(chǎn)生的，約5％。另外，將發(fā)動機室模型建立數(shù)據(jù)庫，來降低建立模型的工作量，實現(xiàn)車型開發(fā)上的實用化。 8.樹脂部件CAE分析應(yīng)用 樹脂部件在輕量化、防生銹等方面優(yōu)點頗多，用作汽車部件持續(xù)增加。但是，采用前面臨著強度方面的可信賴度，熱、溫度變化引起的性質(zhì)變化的憂慮等許多課題，車型開發(fā)時應(yīng)用CAE顯得相當必要?，F(xiàn)在CAE分析，不止靜強度、熱變形分析，應(yīng)用范圍擴大到噴射成形時的防臭等。 圖28所示為保險杠熱變形分析例子，是研究因熱變形保險杠上兩邊部位的向上翹曲，預(yù)測和其他部件間的干涉，改變材料、加強肋拱的例子。 另外，圖29是預(yù)測樹脂成形時的填充樣式的例子，改變滑槽長度

23、來實現(xiàn)兩個肺形部件填充時間均衡化。 9.小結(jié) 本文根據(jù)輕型四輪汽車的新車開發(fā)適用的事例，講述如下CAE技術(shù)的特性： （1） 為提高接近實際情況的預(yù)測和分析精度，對車輛各部分進行分析的分析技術(shù) （2） 在車型開發(fā)上為靈活、迅速的多個領(lǐng)域分析提供大型FE模型共用化技術(shù) 其中（1）是在碰撞分析、車輛運動性能分析及振動噪音分析的部分中體現(xiàn)適用效果。今后計劃在強度剛性上也展開車輛分析。 另外。流體分析也同樣，進行從車身外部的流體到發(fā)動機室內(nèi)部的分析、接近真實車輛的分析。將來，可慮將這些技術(shù)互相融合，發(fā)展到能進行各種各樣的預(yù)測。 （2）是有效的應(yīng)用化了無數(shù)時間做成的結(jié)構(gòu)研究用的大型FE模型來推進車型開發(fā)的。另外，要在車型開發(fā)有限期間內(nèi)進行CAE分析，就要都考慮應(yīng)用自動網(wǎng)格劃分和設(shè)計CAD數(shù)據(jù)的有效利用的重要技術(shù)，今后也可以系統(tǒng)的推進改善。 最后，對研究時三菱汽車工業(yè)（股份）有關(guān)部門的各位給予的指導(dǎo)表示感謝。