一汽集团的CAE应用之旅

一汽集团的CAE应用之旅■中国一汽集团公司技术中心李康CAE技术已经在一汽集团技术中心的产品开发中得到广泛应用，分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面，所有的产品开发项目中都活跃着CAE工程师的身影。一汽集团技术中心开展CAE分析工作已有超过20年的历史，经过多年的努力，特别是最近10年来，CAE技术已经在一汽集团技术中心的产品开发中得到广泛应用，并发挥了重要作用。分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面，形成了一支近百人的年富力强、实践经验丰富的CAE团队。经过集团公司的多年投入，相关的软、硬件设施也得到完善，与产品设计体系、试验验证体系一道，形成了产品开发的重要支撑。在产品开发过程中，CAE技术具有提前介入、数据量丰富、揭示问题本质、低成本等特点，在产品的概念阶段和设计阶段，就能回答关于性能和可靠性等方面的诸多重要问题，为设计师的决策提供有力支撑。它的应用极大提高了产品开发的速度和质量，降低了开发成本。CAE分析与试验验证一道成为控制研发质量的重要手段，没有CAE支持的设计已经成为不可想像的。夯实数据和人才的根基CAE分析水平的提高得益于基础数据和试验数据的支持。任何一项分析工作都需要材料物性、运行工况等基础数据作为基础。分析结果也需要得到试验的验证。技术中心十分强调CAE工程师与设计师、试验工程师的交流。通过交流，对所分析的问题和相关的试验过程进行深入理解，才能对分析结果有正确的理解。产品开发中的试验验证与CAE分析需要的试验验证还有不同，不是每一个需要验证的数据都能在产品开发过程中获得。技术中心也通过与高校和其他科研机构的合作，开展一些针对CAE分析的试验研究工作，为产品开发中的分析提供具体的支持。CAE分析的结果需要得到设计工程师的正确理解，并在产品设计中得到正确体现，作为分析输入的几何模型大部分也需要由设计师提供。对于分析工程师，与设计师的交流和与试验工程师的交流同等重要。针对设计师提出的问题，正确地理解和简化，选择正确的工具和方法。有时候，向设计师解释CAE分析不能回答的问题与解释CAE具备的强大能力同样重要。由于历史的原因，技术中心的CAE工程师基本上隶属于各个专业科室，除了结构分析外，没有专门的计算分析部门。这种组织结构有利于CAE工程师与设计师的交流，有利于对问题的理解和准确定义，也有利于向设计师准确地解释分析结果。实践证明，在CAE能力的成长阶段，这种安排是成功的。随着CAE工程师队伍的扩大，分析数据的管理、CAE知识的积累和传授也变得越来越重要。技术中心CAE工作的目标是把分析工作更好地融入产品开发流程。将目前的设计师提出要求、分析工程师回答问题的模式，逐步发展为将CAE作为产品开发流程中性能和可靠性控制的关口;在IT平台上将设计工作和CAE分析更好地整合，实现过程管理自动化。CAE技术的成功应用，除了分析工程师的努力外，领导者的重视和全体开发人员的支持也十分重要。任何一项分析技术都有从弱到强、从粗到精的过程。它的成长需要得到相关方面的理解和支持，需要有合适的环境。从世界汽车工业的发展趋势和国内汽车行业的实践上看，已经没有必要怀疑CAE技术成功应用于汽车产品开发的合理性和可能性。整车动力学分析一汽技术中心整车研究室设有仿真分析专业组，负责对所开发车型在设计初期进行悬架分析、整车操纵稳定性分析和平顺性分析等各项工作，通过仿真分析为设计部门提供技术支持，从而缩短产品研发周期，提高产品设计质量。仿真分析专业组以大型动力学分析软件为依托，结合多年的二次开发工作，形成一汽技术中心用于车辆动力学仿真的专业平台。利用该平台可以满足设计部门提出的各种特殊要求，在产品研发初期快速进行车辆各项性能的仿真计算。1.整车操纵稳定性仿真汽车操纵稳定性是指在驾驶者不感到过分紧张、疲劳的条件下，汽车能遵循驾驶者通过转向系及转向车轮给定的方向行驶，且当遭遇外界干扰时，汽车能够抵抗干扰，并保持稳定行驶的能力。汽车的操纵稳定性是汽车最重要的性能之一，它不仅仅代表汽车驾驶的操纵方便程度，更是决定高速汽车安全行驶的一个主要性能。评价操纵稳定性的指标有多个方面，例如稳态回转特性、瞬态响应特性、回正性、转向轻便性、典型行驶工况的性能和极限行驶能力等。在汽车设计初期，根据设计部门提供的汽车设计参数，建立整车动力学模型。然后进行车辆的操纵稳定性仿真分析，分析内容包括稳态分析和瞬态分析等方面，通过计算得到该车操纵稳定性的各项性能指标，反馈给设计部门进行相关设计参数的修订。也可以由设计部门提供设计参数的变动范围，通过优化计算求解满足的性能指标的参数优化值。图1是某型号整车单移线仿真结果。图1某轿车整车动力学模型图2红旗轿车正面碰撞CAE分析和红旗轿车正面碰撞试验图3奔腾轿车车体抗撞性CAE分析图4轿车外流分析和商用车加导流罩外流分析2.悬架及转向系统运动学仿真悬架分析是车辆动力学分析的重要内容之一，通过计算得到各种工况下悬架参数的变化曲线，为确定汽车四轮定位参数及转向系参数提供依据。建立悬架动力学模型后，可以对典型的悬架及转向系统结构形式进行分析，或通过建立模型分析其他结构形式的悬架，也可以将刚体变成柔性体分析。3.钢板弹簧后悬架运动学仿真钢板弹簧广泛应用于各类大型车辆中，由于钢板弹簧动力学建模比较复杂，因此在进行大型车辆动力学分析时钢板弹簧建模一直是棘手的问题。我们采用三连杆简化方法建立板簧动力学模型，与优化软件集成进行系统优化，得到了比较理想的板簧刚度特性曲线。4.整车平顺性仿真汽车平顺性就是保持汽车在行驶过程中，乘员所处的振动环境具有一定舒适度的性能，对于载货汽车还包括保持货物完好的性能。研究平顺性的目的就是控制振动的传递，使乘坐者不舒适的感觉不超过一定界限，这就要掌握汽车振动系统各环节的特性、人对振动的反应、汽车振动系统的传递特性和作为振动输入的路面不平度的统计规律。汽车平顺性通常以乘员和货物的振动水平来评价，评价分为主观评价和客观评价。主观评价又分为专家评价和普通客户评价;客观评价主要以座椅和货箱的振动加速度来评价。对汽车进行平顺性试验，目的是对汽车的平顺性进行评定。平顺性试验一般选取随机路面和特殊路面进行，随机路面又分为好路面和坏路面，整车悬架的固有频率（偏频）和阻尼比测量也是验证评价的重要内容。对于商用车，驾驶员工作时所处驾驶室的乘坐舒适性是体现车辆舒适性的一个重要性能指标。在某型号驾驶室平顺性能分析时，以驾驶室前后悬置的刚度和阻尼为因素进行了虚拟DOE正交试验分析，找到了悬置刚度、阻尼的最优水平，使乘坐舒适性得到大幅度提高。发动机结构CAE分析1.缸体、缸盖有限元分析缸体、缸盖在发动机零部件中具有最复杂的结构，设计周期长、风险大。为保证设计质量，一般在完成概念设计后，需要进行有限元分析，计算出缸体、缸盖的温度场。在得到了温度场的基础上，考虑缸体、缸盖的安装过程（螺栓预紧、座圈过盈等）、热负荷、汽缸爆发压力等因素，进行缸体、缸盖的结构强度、密封性、变形和高周疲劳分析。缸盖设计中的热疲劳问题是目前发动机结构分析领域的难题。我们从热机械疲劳分析入手，通过试验得到缸盖材料在高温下的特性曲线和在不同温度下应力与塑性应变的关系，通过冷-热-冷循环模拟，计算出缸盖的低周热机械疲劳寿命。通过改变缸盖进排气鼻梁区的几何形状，改善水流，提高缸盖的低周疲劳寿命，进一步提高缸盖的整体可靠性。2.发动机悬置托架拓扑优化建立托架有限元模型，施加约束和载荷，确定优化目标和约束条件，进行托架拓扑形状优化，得到满足约束条件下的托架优化形状，提供设计人员作为设计参考。发动机结构CAE分析工作，一方面，通过对比分析的方法，应用于发动机设计方案的确定和结构改进的择优选择。另一方面，在有限元计算的准确性方面（例如:模型的简化、怎样给出约束条件、疲劳寿命计算时载荷工况的确定等），我们做了大量的试验工作来进行有限元计算结果与试验结果的对比，同时作为零部件变形、疲劳寿命、密封性等结果的确认。当有限元计算分析的结论与试验的结论不同时，分析人员要亲临试验现场，对试验过程的载荷、约束等条件进行观察分析，最后得出试验与分析结论不同的原因。必要时，要改变约束和载荷条件重新进行有限元计算，直至有限元计算结果与试验结果具有一致性。在这个过程中，计算分析数据、试验数据得到积累、验证、充实。使其在自主开发的过程中具有实际的意义，因为这是我们自己的材料特性、我们自己的试验方法、在我们自己的道路上证明的结果。被动安全模拟分析一汽集团十分重视乘员的安全问题，利用CAE分析技术可以提高产品的安全水平，降低开发成本。1997年，技术中心在件国内首次完成了红旗轿车碰撞仿真分析，至今已进行了数款乘用车的被动安全开发工作。在性能定义、性能分解、结构改进及优化等方面积累了大量的工程知识和经验，基本上实现了从概念验证、结构设计验证到产品验证的全程被动安全性能控制。车辆的被动安全问题已经成为各国政府、汽车界与消费者共同关注的问题，各国都制定了严格的法规和NCAP评价程序，我国目前已颁布了正面、侧面与后面碰撞法规，并正在积极推行C-NCAP的实施。碰撞试验对于产品验证与设计改进等非常重要，试验同时也具有高成本及试验时间节点过于滞后的弊端，这些反而刺激了碰撞CAE分析的蓬勃发展。CAE分析可以融入产品定义、结构设计、设计改进、定型验证等全过程，可进行车体抗撞性与约束系统匹配的仿真，目前仿真分析与试验结果的误差可以控制在20％以内。碰撞CAE分析常用的软件均已具备，计算机的运算能力也提高很快，多CPU处理器的普及将碰撞模型规模提高到百万节点以上，运算时间缩短为1个工作日左右。一汽自1998年完成第一辆轿车的气囊匹配后，至今已进行了多款乘用车与商用车的被动安全开发工作，CAE全程引导设计（CAELedDesign）的概念在一汽产品开发中已经开始应用，同时也使CAD/CAE/CAT一体化成为可能。目前，一汽在车辆安全定义、车体抗撞性CAE分析、约束系统匹配等诸多领域体现了整体开发能力，新开发的奔腾轿车以其卓越的安全性能成为自主品牌轿车的典范。流体仿真分析CFD（ComputationalFluidDynamic，计算流体动力学）在汽车研发中应用广泛，笔者主要从以下几个方面进行阐述。1．发动机冷却系统发动机冷却系统对保证可靠性十分重要，由于试制周期长、成本高，前期的CFD分析对于成功的设计是必不可少的。CFD分析能预测发动机冷却水套各个位置的流速高低、流量大小以及表征换热能力的换热系数大小，还能得出水套的压力损失情况，通过前者可以了解水套的设计是否满足发动机的散热需要，通过后者可以对水泵的匹配提供帮助。发动机水套CFD分析也为有限元分析提供了必要的边界条件。除了发动机水套的CFD分析外，我们也尝试了对整个冷却系统进行CFD分析，包括水泵、节温器、散热器及发动机水套，全面检查整个冷却系统的匹配情况。2．机舱内流动分析要保证发动机能够安全可靠地工作，除了前面提到的发动机冷却各部件自身设计合理和整体良好匹配外，也要考虑各部件在机舱内的散热情况，尤其是散热器的散热情况。发动机工作时产生的热量传到冷却水中，通过流经散热器的冷却空气把这些热量带走。所以，必须保证有足够的冷却空气流过散热器，才能最后保证整个冷却系统的合理设计。通过机舱内CFD分析能够了解发动机在机舱内的冷却情况，了解冷却空气的来源、流向，能够给出流经散热器等冷却部件的冷却空气流速高低、流量大小及流速分布情况;评价整车前面“格珊”的形状和结构是否合理、散热器等部件的布置是否有利于散热。另外，还能了解发动机进气的来源情况，寻求能降低发动机进气温度的合理进气系统布置。机舱的试制和机舱内流动测试都是成本极高、周期极长的工作，计算分析的贡献在这一领域十分重要。3．发动机汽缸内流动分析发动机进气、喷雾混合、燃烧放热等过程直接影响到整机的性能与排放。通过CFD分析可以提供给我们许多通过试验难以得到的信息。在这一领域，我们开展了气道流动分析，并与气道稳流试验进行对比，得到了基本吻合的结果;进行了柴