汽车设计与制造探讨

汽车设计与制造探讨

摘要：现代汽车结构主要是由发动机、底盘、车身和电器或电子设备四大主要部分组成。而设计制造的工艺主要集中于车壳的结构设计、车身内部自动化控制系统集成、车体零部件的拼装和焊接。其中车壳和底盘的结构设计，主要主导因素在于当代的车体流线型设计符合空气动力学的原理，并且能够减少风阻，从而降低油耗的损失，除此之外底盘承重范围内的轻量化处理也能节约能量的损耗。车身内部数字化控制系统精确分析车辆的行驶情况从而确定最优控制方案，在一定程度上降低能源损失。车体结构的紧凑性决定了车身的强度和寿命及加工拼接组装焊接工艺等。因此就目前来看，汽车设计与制造如何达到我们理想的最优化设计成为了主要考虑的的方面。

关键词：CAD/CAM仿形；冲压成形模拟；焊接；铸造

1关于汽车发展的介绍

世界上第一台汽车Daimler-Benz于1886年诞生至今，从最早期的根据直观经验来设计汽车到按比例制作传统的车辆模型，再到现如今通过各种计算机的仿真软件进行模拟加工，现在汽车基本上通过流水化生产已经走入了我们的生活当中。当代汽车的设计要求需要符合：（1）应用空气动力学，对车身的流线型设计从而降低风阻系数，从而减少油耗损失。（2）应用人体工程学，对车身内部环境的自动调节以及符合人体坐姿和最佳舒适度的行驶体感。（3）以环保绿色为理念，从汽车能量消耗着手，车体各种动力设备设计最优算法从而降低动能损耗。（4）降低制造成本，缩短设计周期，提高设计质量以及提高汽

车市场竞争力。

2汽车设计的基本要求

2.1传统车身设计方法

首先初步设计的第一步骤就是先设计效果展示图，即预先设计好对汽车总体的一个草绘图或者计算机仿真图，然后根据所给的效果图初步定义1:5的车身模型，定好车身之后，再去定义剩下部分车身零件的油泥模型。接下来第二步骤就是通过上述油泥模型的修正和改进，进行一个初步的模拟，倘若符合制造要求，再绘制1:1的规划图，1:1的油泥模型和1:1的内部模型。然后第三个步骤就是绘制车身主图版，根据主图版来制造车身部分内外散件和车身主模型，至此完成半成品。再到半成品各个表面取样进行模具设计和图纸设计。这种设计在最初的阶段中主要靠人工从油模到图纸来确定各个参数，一旦中途出现稍许差错就会导致主体和模型进行大面积的修改，而这些修改往往会导致生产成本增多，生产周期延长，人工劳动力加大以及误差变大导致优化设计难度加大等等系列问题。

2.2CAD/CAM仿形设计方法

随着计算机的发展，市面上越来越多的仿真软件正在被汽车厂商广泛使用，传统的车身设计方法正在被目前随科技逐渐发展的各类计算机仿形方法所代替。由于计算仿形能够有效的精确地处理由于人为影响和尺寸参数因素影响下的各种复杂精密的曲面车身和部分车组零件，极大效率的缩短汽车的设计周期和加快汽车模型和图纸的完成度和精度，由计算机辅助软件代替了手工繁琐的设计过程，更能加快

一辆汽车的研发与设计制造。所以计算机仿真在汽车设计制造中占据了不可或缺的重要一环。计算机仿形设计（例如CAD/CAM）方法的工作原理为通过现代数字化控制软件建立一个类似soildworks的假设模型，然后通过计算机给定的各类参数来确定复杂曲面的信息，例如曲面的曲率，材料加工成型后的强度和刚度以及曲面的疲劳强度的模拟，甚至于对汽车撞击的多种假设拟合，从而确定车体的设计是否符合或者达到预期的标准。但是这种模型的建立也需要用到前期传统车身设计中的手绘图纸工艺，通过三坐标测量技术对车身雕塑模型上面1:5比例的模型的点的数据采样与测绘，将这些点的数据分析集成在计算机辅助软件上建立一个数学模型来拟合人们预期对汽车的实际期望，进行结构分析和设计，最终将计算机上传输的数据参数模型用于车间的模具设计与加工。这种设计方法联系到有限元分析，优化了现代化汽车生产加工工艺，在未来将会有广泛的应用。

3汽车制造的基本要求

铸造是生产汽车中最为重要的一个部分，为了得到手工达不到的模型，采用铸造的形式通过高温将金属融化注入型腔，通过冷却凝固最终得到铸造件。在生产过程中，运用铸铁制成毛坯的零件很多，大概占据车身总重量的10%，如气缸体、变速器箱体、转向器壳体、后桥壳体、制动鼓、各种支架等。在汽车强度刚度和安全系数符合要求的情况下，通过各种优化降低汽车的整体质量，完成轻量化，进而提升汽车的动力性，降低能源消耗，减少燃油产生的大气污染。汽车整体质量每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6L，若汽车整车重量

降低10%，燃油效率可提高6%～8%。绿色与节能的需求日益增多，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流，汽车铸件的轻量化也成为汽车铸件的重要发展方向之一。根据铸件的强度与刚度的的安全性考虑，汽车铸件主要设计方法为等厚度设计。由于等厚度设计在设计过程中的最大缺点就是不能很好的将车身轻量化处理。所以采用CAE 分析、拓扑优化等手段，对零部件进行轻量化，使零部件各个部位的应力值接近，即各个部位的壁厚不一致，受力小的部位减薄料厚或不要材料，从而减轻零件的重量。由于铸造能够实现的是对于复杂的大型车身复杂零部件的成形。设计时，采用CAE或拓扑优化等手段，对零部件进行应力分析。根据力的分布，确定零部件的形状和具体局部的材料厚度。通过对铸件加筋、挖孔和变厚化，可使零部件的重量大大降低。

3.1车身冲压成形模拟

基于过去的经验，普遍认为车体表面成形使用冲压成形是合适的，实际上制造非对称复杂壳体由两焊接冲压件制造，基于完整的流水线生产策略，数值模拟，和初始毛坯尺寸形状确定。因为在生产过程中压缩和拉伸的操作程序对适用于制造壳的冲压板的生产能力的防护方法进行了数值模拟的评价。基于上述的评价，稳定性能好的数字化程序会被选定为冲压模具的生产。然后对板材进行液压成形，综合部分工艺进行了优化与可靠性的约束，生产的模具和产生的流体压力利用有限元程序的计算机计算进行大变形模拟。还有板材原料的作用对变形行为进行了校核。板材液压成形的实验通常以比例尺度与实际尺

寸为1:5的标准执行，液压成形模拟出1:5的实物和小尺寸。以下将会讨论新的部分，即简化模型，模拟的步骤和假设边界条件。

3.2模型描述

通过冲压车间里面的冲压模具，将板件材料置于凸模与凹模之间，通过液压动力进行冲压，这种方法能够很好的降低机器产生的噪音，能够得到许许多多的冲压件，然后再对这些冲压件进行二次加工，但是往往加工这些模型是考虑模拟和实验的形状作品。所得到的模型往往都是非常复杂的，而传统的冲压工艺难以产生。

3.3初始毛坯形状和尺寸

定义初始毛坯形状和尺寸是关键的一步，特别是在冲压产品设计复杂形状的时候。这是一个众所周知的事实，如果初始毛坯形状和尺寸设计不合理，冲压操作不会成功达到预期效果，即使应用精心设计的冲压工具。因此，设计初始毛坯的形状和尺寸，采用逆向有限元程序。对于数据的大小和形状，借助于这个程序处理最终产品的参数，随后在计算机上计算初始毛坯形状和尺寸。在计算机程序模拟一个全尺寸的冲压仿真从而预测未知或者复杂的车壳或者其他车体复杂零件形状。

3.4冲压工具

用于形成壳围护板材液压成形的数值模拟，主要考虑的工具包括流体运转、压力室、半模装置或引导冲头。这些模拟的工具，通常被认为是刚性的。

3.5边界条件