计算机辅助工程CAE在汽车工程中的应用

CAE在汽车工程中的应用何谓CAE技术？CAE（ComputerAidedEngineering）为计算机辅助工程的英文缩写。采用虚拟分析方法对结构（场）的性能进行模拟（仿真），预测结构（场）的性能，优化结构（场）的设计，为产品研发提供指南，为解决实际工程问题提供依据。何谓CAE技术？涉及的知识面比较广，如计算力学、计算数学、工程管理学、计算机图形学、现代计算技术等。利用CAE软件可对产品进行物理、力学性能分析、模拟、预测、评价和优化，以实现产品的技术创新。CAE技术发展历程CAE的应用首先是从有限元分析开始的。20世纪50年代，在航空结构设计中首先提出有限元法有限元法第一个成功的尝试是将刚架位移法推广应用于弹性力学平面问题。Turner、Clough等人在分析飞机结构时采用三角形单元求出了平面应力问题的正确解。CAE技术发展历程60年代后期，美国的大型通用有限元软件MSC.NASTRAN首先应用于航空航天。经过数十年发展，其理论和应用得到迅速发展、完善①弹性力学平面问题扩展到空间问题、板壳问题，②静力平衡问题扩展到稳定问题、动力问题和波动问题CAE技术发展历程③从弹性材料扩展到塑性、粘弹性、粘塑性和复合材料等④从固体力学扩展到流体力学、传热学等连续介质力学领域。⑤从分析和校核扩展到优化设计、拓补优化设计等。CAE技术的优点增加设计功能，减少设计成本；缩短设计和分析的循环周期；增加产品和工程的可靠性；采用优化设计，降低材料的消耗或成本；在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；进行机械事故分析，查找事故原因。CAE技术的优点在汽车发展历史上，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%。有限元分析流程—案例分析1、选择CAD软件和FEM软件2、建立物理模型3、前处理（几何清理及修补、划分网格、施加约束及载荷）4、求解5、后处理：计算结果的描述和解释有限元分析流程—案例分析1、选择CAD软件和FEM软件常用的CAD建模软件有：CATIA、UG、PRO/E、I-DEAS、SOLIDWORKS等常用的FEM软件：前处理软件：HYPERMESH、MSC.PATRAN、TRIG、ANSYS、ABAQUS(CAE)等求解软件：MSC公司的系列软件、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、FLUENT等后处理软件：HYPERVIEW、ENSIGHT、ANSYS（POST1/POST26）、ABAQUS(VIEWER)等有限元分析流程—案例分析在做有限元分析时，需根据不同的分析目的选择不同的分析软件，具体如下：运动学/动力学分析：MSC.ADAMS等线性分析（如强度、刚度、位移等）：MSC.NASTRAN、ABAQUS（standard模块）、ANSYS非线性分析：MARC耦合场分析（如刚柔耦合、流固耦合、热固耦合等）：ANSYS金属成形分析：DEFORM、DYNAFORM、LS-DYNA、ABAQUS(explicit)、MSC.MARC、MOLDFLOW、PAM-STAMP等碰撞分析：LS－DYNA、PAM-CRASH、MADYMO等流场分析：FLUENT、STAR-CD、MSC.EASY等疲劳寿命分析：MSC.FATIGUE、FE.FATIGUE等振动噪声（NVH）分析:LMS软件等系统过程集成及优化分析软件：OPTIMUS、ISIGHT等有限元分析流程—案例分析2、建立物理模型物理模型应该在最大程度上与实物一致，否则，会导致分析结果失真。建模软件有：CATIA、UG、PRO/E、I-DEAS、SOLIDWORKS等原则上由客户提供物理模型（下图是采用UG建立的发动机曲轴的物理模型）有限元分析流程—案例分析3、前处理几何清理及修补将物理模型通过IGS、STEP等格式导入到前处理软件中会存在几何信息（如面、线等）丢失问题，因此，需要对物理模型进行修补，以确保物理模型不失真。网格划分时，需要去掉小倒角、小孔等对分析结果影响较小的几何特征，以改善网格质量。划分网格网格划分综合考虑如下因素：分析目的（线性或非线性）、计算机软硬件、计算精度、计算时间等。施加约束及载荷CAE分析时应注意的问题将实际工程问题转化为力学问题要正确。分析对象的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件（位移约束条件）的确定、结构的刚度和质量、载荷传递路径和应力集中等问题的处理是CAE分析的关键。CAE模型的建立是在对分析对象进行力学定性分析之后进行的。CAE分析时应注意的问题将实际工程问题转化为力学问题要正确。分析对象的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件（位移约束条件）的确定、结构的刚度和质量、载荷传递路径和应力集中等问题的处理是CAE分析的关键。CAE模型的建立是在对分析对象进行力学定性分析之后进行的。CAE分析时应注意的问题在解决实际工程问题时要区分静强度破坏、疲劳破坏和振动耦合破坏。因为结构破坏的原因不同，解决问题的方法也不同。建立的有限元模型与分析目的有关。根据分析目的建立的专用有限元模型不宜提供分析目的以外的准确信息。CAE分析时应注意的问题建立CAE分析指南对CAE分析非常重要。CAE分析模型的正确性和计算结果的合理性必须用力学分析、分析经验、试验分析和实际使用情况进行判断。CAE分析的主要目的是优化设计、通过多方案比较和设计优化分析选择较优的设计方案。在一般情况下，不用CAE的计算结果评价结构“行”还是“不行”。CAE分析时应注意的问题关于试验验证问题，应认识到试验分析和CAE分析都存在误差，二者是互相验证的关系。试验分析的结果和CAE分析的结果（至少在规律方面）应该基本相同，不能有显著差异，数值误差应在允许的范围之内。CAE在汽车行业的应用一、刚度和强度分析（1）车架和车身的强度和刚度分析：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。CAE在汽车行业的应用（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析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。CAE在汽车行业的应用（3）发动机零件的应力分析CAE在汽车行业的应用二、NVH分析噪音(Noise)、振动(Vibration)、平稳(Harshness)三项标准，通俗称为乘坐“舒适感”。NVH标准的试验表明，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。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用三、机构运动分析机构运动分析就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。CAE在汽车行业的应用通过对机构进行位移或轨迹的分析，可以确定某机构件在运动时所需得空间，判断当机构运动时各构件之间是否会互相干涉，确定机构中从动件的行程，考察构件上某一点能否实现预定的位置或轨迹要求。CAE在汽车行业的应用通过对机构进行速度分析，了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，了解机构的受力情况。通过对机构进行加速度分析，确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速度的变化规律。机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用四、车辆碰撞模拟分析汽车安全性分:主动安全性和被动安全性主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能.被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用五、金属板冲压成型模拟分析冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产-广泛应用。在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才能确定-导致生产成本高，生产周期难以保证。CAE在汽车行业的应用冲压成型过程数值模拟技术通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，提供最佳钣料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用六、疲劳分析常规设计定型样机疲劳试验需要几年甚至更多时间来发现设计失误、修改设计。现代疲劳试验技术只需在计算机上用仿真技术，用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化。这可把试验时间压缩到原来的十分之一、百分之一，大大降低了开发成本，缩短了开发周期。CAE在汽车行业的应用根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样。因此，可以在试车场上按一定的比例混合各种路面及各种事件（如开门、关门、刹车等），重现这一载荷输入。这一载荷重现通常可能在较短的时间里完成，因此，可以达到试验加速的目的。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用七、空气动力学分析汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面的影响。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用八、虚拟试车场整车分析CAE技术的飞速发展、软硬件功能的大幅度提高使得整车系统仿真已经成为可能。美国工程技术合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术（virtualprovingground,VPG）就是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。CAE在汽车行业的应用VPG是在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的，以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性，以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、权频率振动噪声分析和数据处理、以及碰撞历程仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果的计算机仿真技术。CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用CAE在汽车行业的应用九、焊装模拟分析传统的机器人焊接路径规划方法是根据设计人员提供的工位上的焊点数量和焊接顺序，由工艺人员根据经验或类似工艺离线编制机器人加工程序，设计加工工艺。所编写的程序输入到相应设备中，在实验室里预操作，记录下每次偏差位置，重新编程、设计直至满足生产要求。这不仅耗时、费力，同时对于多机器人加工的碰撞问题无法解决。一旦涉及多机器人协同加工，则往往在实验室中采用步进式逼近方法配合专家经验加以解决，以免发生碰撞，损坏设备。CAE在汽车行业的应用车身焊装模拟分析结合虚拟制造技术，在仿真环境下，运用相应的优化算法对车身焊装工位的机器人加工路径进行离线规划，并通过仿真加工进行验证，达到指导实际生产的目的。虚拟制造的基础是采用计算机支持的技术，应用数字建模和仿真技术、虚拟现实技术等来模拟生产、加工和装配等过程，在计算机上将产品“制造”出来，实现将工艺过程转为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产