《车辆现代设计理论与方法》-太原理工硕士作业

1.自从汽车问世以来，车辆的设计方法经历了变革，请论述你对车辆现代化设计及其本质的理解，给出传统设计和现代化设计间的区别。（30分）

答：现代设计方法是在传统方法的基础上，不断吸收现代理论、方法和技术以及相邻学科最新成就发展起来的。所以现代设计和传统设计并不是相互对立甚至割裂的，而是对传统是、设计方法的继承和发展。总的来说，设计方法的区别主要体现在以下几点：设计手段计算机化、设计范畴扩展、设计制造一体化、设计过程智能化、多种手段综合应用、设计寻求最优化、重视产品宜人性、强调产品环保性。

回顾机械设计发展简史，不难发现传统的设计学只是机械学，主要研究运动学，动力学，强度，断裂，摩擦等问题。而现代设计方法可以描述为以满足应市产品的质量、性能、时间、成本/价格综合效益最优为目的，以计算机辅助设计技术为主体，以知识为依托，以多种科学方法及技术为手段，研究、改进、创造产品活动过程所用到的技术群体的总称。

从以上对于现代设计方法的定义可以看出：现代设计技术有以下两个明显特点：（1）现代设计技术是多学科交叉融合的产物。就目前现代设计技术所涉及的理论、方法的范畴来看，可以认为它是由现代设计方法学、计算机辅助设计技术、试验设计技术等多种学科的交叉与融合。而其中每一个具体的设计技术，同样也是若干学科的交叉与融合。例如计算机辅助设计可以看作是数学建模、计算机软件和硬件技术、工程图学等的有机结合；模糊优化设计是模糊方法与优化技术的结合等等。在这个现代设计技术群体各学科之间既相对独立又相互联系、相互渗透。根据设计对象与任务的不同，以及设计各个阶段的特点，宜采用其中某些适宜的、有效的方法和技术，以解决设计中的总体和各个具体问题。

（2）现代设计是传统设计技术的继承、延伸和发展。从传统设计发展至现代设计，都有着时序性、继承性，并在一定时间和一定的对象中它们共存于一体。例如，传统的运动学、动力学、机构学、结构力学、强度理论等基本原理与方法是现代设计技术的数学建模及许多分支学科（如可靠性设计、疲劳设计、防断裂设计、健壮设计等）的基础；另外，许多现代设计技术与方法是在吸收了传统设计技术中的思想、观点、方法之精华

而发展起来的，如系统设计、功能设计、模块化设计、优化设计、并行设计等。

2.结合你的研究方向或工作基础，举例说明在车辆现代化设计中如何实现优化设计和计算机辅助设计。（30分）

答：（1）优化设计在汽车上的应用

①车架结构优化设计

车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。根据纵梁的结构特点,车架可以分为周边式、X型式、梯形、脊梁式和综合式几种。其中梯型车架又称为边梁式车架,是比较常用的一种车架。下面以边梁式车架的客车结构为模型。车架的纵梁结构一方面要保证车架的功能,另一方面还要满足整车总体布局的要求,同时要求形状简单。纵梁的形状有上翼面是平直的和弯曲的两种:上翼面平直式的车厢地板平整纵梁制造方便;翼面弯曲式纵梁部分区段降低,地板相应高度降低,车辆的稳定性增强。车架在使用中会受到负载弯曲(Vertical bending)，发生非水平扭动 (longitudinal torsion)、横向弯曲(lateral bending)、水平菱形扭动(horizontal lozenging)，为在确保车架结构稳固的情况下提高车辆的平稳性和路面适应性，设计的时候应尽量达到最优平衡，必须的应用优化设计，其对车架设计与制造的重要性不言而喻。

在对大客车车架进行优化设计时，首先应确定设计变量。由于车架一般是槽型的,矩形的或者工字形的,优化目的是要减轻车架的质量,所以选择钢的截面形状参数(截面长度、宽度和钢的厚度) 来作为设计变量。其次是确定目标函数，优化的目的是尽量减少客车底架的质量, 所以对于槽型钢目标函数F =LρT ( H + 2 B) ,对于矩形钢F = L ρT (2 H + 2 B) 。其他的还包括状态变量的确定，即优化过程中的车架结构响应,如应力、变形和车架的最大应力要小于许用应力。

②发动机优化设计

发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。为了降低汽车的耗油量和废气排放,我们一般采用优化匹配动力传动系统。因为汽车的动性燃油经济性和排放特性

的好坏在很大程度上取决于发动机的性能和传动系形式参数的选择。利用计算机对汽车动力传动系统进行模拟仿真计算,通过对汽车动力传动系参数的优选,从而达到改善汽车的燃油经济性、动力性和尾气排放。

发动机结构优化主要是优化关键零部件的形状以改善发动机性能。有人提出了一种将动态分析与结构形状优化设计相结合的新方法：阐述了 CAD/CFD 技术在汽车发动机设计开发中的重要性，给出了 CAD/CFD 技术在电喷汽油机气歧管设计和柴油机螺旋气道设计的应用效果；将边界元法与罚函数优化方法相结合，研究了承受拉、压交变载荷的发动机连杆的形状优化；基于一种高效的有限元方法对三维复杂形状连杆进行优化设计；基于有限元分析和优化技术，对发动机曲轴的结构进行了优化等。

发动机的燃烧过程同样是优化的重要方面。目前主要是从喷射系统、进气管系、燃烧室形状等几方面对其进行优化设计。在发动机燃烧喷射系统方面，借助于先进电子控制技术，能准确地调节燃油供给，优化喷油定时和喷油次数，控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，降低排放污染。

③CAE在汽车冲压件生产工艺中的优化应用

冲压件在最初设计阶段采用CAD和CAE相结合技术, 根据CAE的成本计算结果,调整几何形状,使冲压件展开后的外轮廓面积最小, 结合 FormingSuite 、Costoptimizer 优化软件包,对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析,通过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半径及修剪冲压件的边缘各项措施, 达到降低材料成本的目的。

在钣金冲压件和工艺设计阶段, 对于已有的冲压件,不能预知坯料的几何形状，可结合拉延件产生起皱状况, 通过快速冲压CAE 分析, 找到合理的拉延成形条件,加速冲压件开发进度。结合有限元软件,通过计算机模拟、分析冲压件的冲压可行性,设计阶段利用各种降低成本的措施,达到了大大降低生产成本的目的, 分析结果指导制定合理的冲压工艺。

对于汽车零件, 若表面质量要求不高, 起皱部位无需严格控制; 若冲压件对表面质量要求较高时,则可通过适当增大压边力、添加拉延筋等工艺措施消除起皱,满足控制冲压件外观质量的要求。以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿真技术或数值