汽车计算机辅助工程分析CAE

第三篇汽车计算机辅助工程分析（汽车CAE技术）CAE是计算机辅助工程(Computer-AidedEngineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。1、汽车CAE技术的发展现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构分析已不满足于结构线性弹性分析。实际上汽车结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室橡胶支承、悬挂大变形、零部件间连接的能量缓冲等。在产品要求精益设计的条件下，只应用线性分析普遍感到不足。产品开发要求CAE更多地考虑非线性影响。其次，汽车零部件结构分析的一个难点是分析载荷的不定因素，大量零部件结构实际所受到的载荷到底是多大，往往很难明确给出。对此过去往往应用对比分析法，但这越来越不适应越来越高的设计要求。第三，汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，这要求汽车在设计的使用期内，整车和零部件完好，不产生疲劳破坏，而达到使用期后（例如轿车一般设计寿命为八年），零部件尽可能多地达到损伤，以求产品轻量化，节约材料和节省能源。这也对CAE分析提出了使用真实载荷的要求。汽车整车性能，如舒适性、行驶操纵稳定性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标。CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，所以CAE技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。美国工程技术合作公司（ETA公司）推出的虚拟试验场技术（VIRTUALPROVINGROUND，以下简称VPG技术）即是针对上述要求发展的实用软件。汽车驾驶室开发过程中的CAE应用2、CAE在汽车开发中的应用与实施CAE在汽车等机械产品的开发中应用非常广泛。如采用有限元法（FEM）计算机械零件的应力和变形进行强度和刚度分析；采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析。采用有限元法和边界方法（BEM）分析汽车的噪声等等。可以说，CAE在汽车产品开发过程中所发挥的作用已经无法被取代。CAE在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面:1）CAE极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。2）减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验而言，利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。3）有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性等。当然，从实际应用的角度来说，汽车CAE作用的发挥还依赖于两个重要前提:其一是对CAE技术的熟练掌握;另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据，是指像轮胎特性数据、道路特性数据、各种材料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数（包括价格、外协情况等）的数据。CAE对汽车摆臂的优化设计3、国内汽车行业CAE技术应用水平亟待提高在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%～90%下降到8%～12%。例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到12～18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品推出的速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。4、CAE应用分类在汽车行业，包括整车和零部件企业，哪些部分需要应用到CAE技术呢？笼统地讲，每一个部件都可以做CAE分析，但主要包括以下三大关键部分：1、整车2、大总成或者大的子系统3、零部件和小总成整车CAE该部分的CAE通常要做运动学、动力学仿真，以模拟如车辆行驶的平顺性、舒适性和可通过性。这需要建立整车的虚拟样机，以确定整车参数。通常要确定的整车参数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性；轮胎、悬架的配备；车身的动静刚度、强度、寿命评价和车身固有频率；驾驶室(乘员室)通风、隔热、噪声；车身外流场特性、发动机舱的气流和热交换；主动安全性与被动安全性水平等。大总成或者大的子系统CAE汽车通常划分为四大系统：车身、底盘、发动机、电子电器系统。整车分析确定的参数，分解到各个总成后，需要对各总成进行CAE分析，以确定这些参数可以在各总成实现。零部件和小总成CAE这部分主要是对零部件(子总成)做CAE分析，如车门、车门密封条、发动机缸体、悬架、面板、曲轴活塞、进排气系统、轮胎、轮毂等等，以确定它们的力学特性是否符合总体设计要求，或者优化以进一步改进初始设计。通过对这些关键部分的CAE仿真分析，可以在概念设计阶段就把握好产品的各个方面的性能，排除问题，这对于汽车行业来说极为重要，因为问题发现越早，解决问题的代价就越低。5、国内汽车企业CAE应用现状国际上一些著名的汽车厂家如通用、福特、丰田、日产等以及大的零部件供应商，在整车系统仿真、总成和零部件方面的CAE应用水平比较高，有自己的CAE应用规范和分析流程。而且这些企业长期与专业仿真软件和服务公司合作，共同发展、相互促进。CAE在中国汽车行业的应用起步于二十世纪80年代中期，历经十几年的缓慢发展，到90年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展期。中国汽车工业整车厂主要有中外合资、民营企业、国有企业、国内资本控股企业这些形式，零部件企业有国有、民营、私有、合资、独资等。从这些企业的资本组成形式可以比较清楚地了解这些企业CAE应用的现状和未来发展趋势。中外合资的汽车以及零部件生产企业的CAE应用水平普遍比较低，因为这些合资企业的产品设计权在国外，他们的CAE应用一般停留在工艺更改后的验证层次，谈不上汽车关键部件的CAE应用，当然随着外国汽车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心，他们的CAE的应用会越来越好。CAE在车架上的应用国有汽车企业的CAE应用开始较早，但是发展缓慢，CAE人才流失比较多，有的单位CAE仿真技术应用20几年来还停留在基本分析阶段。民营或者国内股份企业因为没有现成的产品可以生产，开始是仿造，现在有的企业已经有自己的设计能力。有自己设计能力的企业，CAE应用比较好，企业领导层也很重视，而且CAE在关键部件应用水平也相对高。国内一些自主品牌自主(半自主)开发的车型，对CAE分析的需求和依赖性较强，部件、子系统、整车运动与安全都在进行CAE分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽车公司工作的“海归”带回的经验，并结合本企业CAE应用的经验，开始在着手建立自己的CAE应用规范和仿真流程。轿车企业这方面走的步伐快一些，卡车和客车企业相对迟缓。总体来讲，中国的轿车企业CAE应用水平相对较高，卡车次之，客车企业属于起步阶段。6、解决应用难题中国汽车工业高歌猛进，自主研发，自主生产，自主品牌又一次大量见诸媒体。就汽车行业来说，国内汽车厂家所用到的CAE软件跟国外汽车厂家所用的基本一样，那么国内汽车厂家普遍应用水平不高原因在哪里呢？首先是企业领导对CAE的功能还没有能够充分认识，虽然现在汽车企业领导层普遍认识到CAE非常有用，但是对CAE应用的难度没有充分估计，不少企业认为买回来CAE软件就可以发挥立竿见影的作用，但事实上如果没有经验丰富的CAE人员，很难立刻见到成效。再就是CAE人员的培养问题，CAE分析专家既需要比较深厚的理论基础，也要具有相应行业的工程应用经验，CAE分析人员的培养非常不容易，周期相对较长；还有就是汽车企业通常缺乏自己的CAE分析标准或者规范。要解决好汽车行业CAE应用的上述问题，首先，汽车行业相关厂商的领导层要充分认识CAE的作用和难度，特别是后者。软件可以随时购买，但是使用CAE软件的人从哪里来？是企业从头培养还是从相关行业引进CAE人才？如果是自己培养，那就要有长期见效的心理准备，而且要肯花钱培训CAE人员。当然如果企业想尽快见到成效，可以引进经验丰富的CAE人才，采取引进与自己培养相结合，这是一个较好的途径。我国汽车CAE应用最大的问题就在于我们的汽车企业没有自己的标准，或者标准不完善，这就导致即使做了CAE分析，也无法有效地评价分析结果这种现象。因此，当企业有了CAE人员之后，就要努力建立企业自己的CAE分析标准。建立CAE分析标准有两条途径，一是企业通过试验和仿真相互校核，建立相关产品的评价标准；二是利用相关行业已有的经验来辅助建立自己的CAE分析标准。CAE分析标准的建立相当不容易，需要做大量的工作，并且要结合试验结果，这个过程是必须要走的。7、CAE工程分析在汽车行业的应用汽车开发过程中的计算机辅助工程分析主要有：1、刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）；2、NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等）；3、机构运动分析；4、车辆碰撞模拟分析；5、金属板件冲压成型模拟分析；6、疲劳分析；7、空气动力学分析（气动或流场分析）；8、虚拟试车场整车分析；9、焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。一、刚度和强度分析有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而得到普遍采用，特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。另外，当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。（1）车架和车身的强度和刚度分析：车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对于全承载式的客车车身更是如此。车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材料。另外，就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析：齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。（3）发动机零件的应力分析：以发动机的缸盖为例，其工作工程中不仅受到气缸内高压气体的作用，还会产生复杂的热应力。缸盖开裂事件时有发生。如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进，无法从根本上解决问题。有限元法提供了解决这一问题的根本途径。二、NVH分析近年来，随着人们环保意识的增强，对汽车提出了更高要求。为此，国际汽车界制定NVH标准，即噪音(Noise)、振动(Vibration)、平稳(Harshness)三项标准，通俗称为乘坐轿车的“舒适感”。对NVH标准的一项试验表明，用顾客较喜欢的轿车作试验，在用水泥铺得较平坦的公路上，轿车以时速40公里的速度行驶，如将欧洲产轿车的NVH以100%作标准，日本轿车则为75%，韩国轿车为50%。欧洲轿车悬架技术较高，所以乘坐舒适，日本轿车设计时将人体工程学考虑在内，对提高乘坐舒适感有很大帮助。汽车噪声和振动的来源可分为四类：1、发动机或发动机传动机