CAE在汽车设计制造中的应用设计

ICAE在汽车设计制造中的应用摘要本文介绍了CAE的概念、发展及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、汽车结构优化设计几个方面讲述了CAE技术在汽车产品设计制造中的应用。关键词：CAE，汽车设计制造，汽车动力学，仿真IICAEinCarDesignandManufactureABSTRACTTheconceptofCAEanddevelopmentandresearchofCAEisintroducedinthisthesis.AnditintroducedtheimportanceofusingCAEindesigntoreduceerrors,shortenthedesigncycleandimproveproductdesignquality.Fromthestructuralstrengthofcar,bodypanelsformingprocessofcomputersimulation,vehiclecrashsafetyanalysis,automotivestructuraloptimizationtootherdesignaspects,thisthesisalsointroducedtheuseofCAEtechnologyinthedesignandmanufactureofautomotiveproducts.KEYWORDS：CAE，Automotivedesignandmanufacture，VehicleDynamics，SimulationIII目录摘要.....................................................................IABSTRACT................................................................II1概述...................................................................11.1CAE的历史........................................................11.2CAE的发展........................................................21.2.1CAE在国外的发展.............................................21.2.2CAE在国内的发展.............................................31.3CAE的发展趋势....................................................51.3.1扩大仿真分析的范围..........................................51.3.2智能化、人性化..............................................51.3.3网络化......................................................61.3.4我国CAE技术落后的原因......................................61.3.5CAE今后发展方向及设想.......................................62CAE的相关理论..........................................................82.1CAE的基本概念....................................................82.2CAE的基本结构与功能..............................................82.2.1CAE分析的三个步骤...........................................82.2.2CAE软件的结构与功能.........................................92.3CAE的价值.......................................................102.4CAE的应用分类...................................................122.4.1整车.......................................................122.4.2大总成或者大的子系统.......................................122.4.3零部件和小总成.............................................122.5CAE与CAD\CAM...................................................133CAE在汽车设计制造中的应用............................................143.1汽车结构强度分析.................................................143.2车身覆盖件成型过程的计算机仿真...................................143.2.1CAE技术在汽车翼子板拉延模具设计中的应用....................143.2.2板料成型过程的显式有限元计算..............................153.2.3初始拉延工艺设计...........................................173.2.4计算机仿真.................................................183.2.5工艺改进...................................................19IV3.3汽车碰撞安全性分析...............................................203.4汽车结构优化.....................................................254总结..................................................................26致谢....................................................................27参考文献................................................................2811概述1.1CAE的历史CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，直到80年代中期的十多年间，CAE软件是处在独立成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法和软件结构。1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MF—EP4.0等。1985年前后，在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟的、国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、ADINA、ABAQUS、MODULEF、DYN-3D等。就软件结构和技术而言，这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件、其数据管理技术尚存在一定缺陷，它们的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。近15年是CAE软件的商品化发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前、后处理能力，进行大幅度扩充；对软件的内部结果和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大的改造。新增的软件部分大都采用了面向对象的软件设计方法和C++语言，个别子系统则是完全使用面向对象软件方法开发的软件产品。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，这些CAE软件可以在超级并行机，分不是为集群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，软缩短研究开发周期。它们与CAD/CAM/CAPP/[DM/ERP等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型2家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。1.2CAE的发展1.2.1CAE在国外的发展当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：（1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：从板、壳和实体等连续体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题(所谓“流固耦合”的问题)；（2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题；（3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；（4）与CAD软件的无缝集成。都开发了和著名的CAD软件