CAE技术及其在汽车行业中的应用

CAE技术及其在汽车行业中的应用宋新旺(金陵科技学院机电工程学院，江苏南京211169)摘要：汽车CAE技术对降低产品开发成本、缩短产品研发周期具有重要的意义，改变了汽车研发的传统模式，国外汽车CAE技术的应用已经十分成熟，几乎渗透到了汽车开发的各个环节。随着国内汽车自主研发能了的快速发展，汽车CAE技术作为整车开发中的核心技术之一，已经引起了主机厂足够的重视，掌握和利用好汽车CAE技术是缩短和赶超国外先进水平的关键。关键词：CAE技术应用领域汽车行业是一个告诉发展的行业，其竞争也日趋激烈，新产品推出的速度也越来越快，这也对CAE应用提出了越来越多的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供了有力的技术保障，为企业带来了巨大的经济效益。一、CAE技术简介1、CAE技术及CAE软件计算机辅助设计、计算机辅助制造技术已经在一些大中型企业里得到应用，并取得比较好的成绩。计算机辅助制造技术包括：1、CAD——计算机辅助没计2、CAM——计算机辅助制造3、CAE——计算机工程分析。以上三种计算机辅助制造技术并不完全是独立的制造辅助技术，他们通过各种软件进行交叉分析，力图实现设计与分析的一体化，以简化设计过程，从而提升产品的品质，改善产品的性能。例如，CAD软件重在制作二维和三维的图形，以表现事物的主要特征。对于物体的内部特征，CAD软件往往用剖视图对模型进行剖视。但是这种表示方法并不能直观的体现复杂机构的内部构成，不利于机械的设计与进一步的改进。这时就要建立物体的三维模型，对物体图形直接进行CAE分析。此时，CAD/CAE技术就很好的解决了工程设计与计算相脱节的问题，对实现并进行工程设计提供了技术基础。在互相结合交叉发展的同时，CAD,CAM,CAE又分别在自己的领域进行突破性的发展。在这三者之中，CAE软件的主要功能是借助计算机，实现在产品生产以前对设计方案进行精确试验、分析和论证——即利用CAE技术进行真实模拟。作为CAE技术的载体，CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术，而形成的综合性、知识密集型信息产品。总之，CAE技术就是一个以收集数据进行工程分析、数据管理、试验、仿真和制造为基本，以三维实体建模为基础，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，并按性能要求进行设计和综合评价，从而以达到实现产品的设计优化为目的综合性软件。2、CAE技术相关理论汽车计算机工程分析涉及的理论主要包括以下方面（资料）：计算力学、振动上程与控制、计算数学、软件技术、强度理论、疲劳理论、塑性成形的理论、柔体和多刚体动力学、计算机图形学等。CAE技术主要应用有限元法、仿真技术、优化设计：(1)有限元法：主要对象是汽车零部件及整体的结构分析，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容，可缩短开发周期、降低开发费用和提高设计质量。下面以车架为例进行有限元法的说明：首先建立有限元模型，即建立车架的几何造型设计，几何模型建立后进行单元网格划分，进一步求解，进行前置处理。对进行过前置处理的初步车架模型进行简化处理，如翻边、倒角等；进行连接处理，如焊接，螺接等；进行单元质量控制，对于网格的形状，主要控制歪斜、翘曲、长宽比、单元最大内角、单元最小内角、雅克比行列式值，这些质量控制因素直接影响计算的精度和收敛性。以上过程均以不同的CAE软件为基础，如MSC．Nastran求解器、CATIA、Hypermesh、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。(2)仿真技术：主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容，用以构造系统模型，进行进一步分析，进行仿真。首先进行可行性研究，收集整车参数，进行概念设计。主要参数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性、轮胎、悬挂的配备、NVH分析的ISO2631评价水平、车身的刚度、强度、寿命评价和车身自然频率、轿厢通风、隔热、噪声、车身的空气动力学特性、发动机舱的气流和热交换、主动安全性（相应标准）和被动安全性（法规）水平等。注【7*】在原参数的基础上，改变修整一些参数，应用CAE技术对“原型车”和“开发车”系统进行仿真。(3)优化设计：主要对象是结构设计参数，进行产品设计，对于重要的零件进行重点分析，如交叉节结构的连接方法等。车身开发的产品设计主要是产生包括所有部件的设计图纸，例如：前围、地板、保险杠、顶盖、车门、发动机和行李仓盖板等分总成以及门框的A、B和C柱、边梁、副车架、车后部钣金、行李仓等的设计，这些都需要应用CAE进行分析。二、CAE技术在汽车上的应用1、CAE技术在汽车业的发展及影响随着计算机技术和数值分析理论的发展，CAE技术的应用几乎贯穿了汽车设计的全过程，在现代汽车产品设计中扮演的角色着越来越重要。轿车产品开发一般分四个阶段——筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段，CAE技术的应用在产品开发的后三个阶段起着十分重要的作用。在传统的产品开发、设计中，有很多问题在设计阶段不能够被精确地分析，所以在确认阶段必然需要进行“设计→试制→试验→修改→再试制→再试验”的反复，浪费了大量资金和研发时间。然而，CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，计算机代替了很大一部分的人力资源，经济效益是相当可观的。“统计结果表明，应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例从80%～90%下降到8%～12%。举例来说，美国福特汽车公司2000年应用CAE技术取得的成果是：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%。”一方面，CAE技术的应用使许多过去受条件限制无法分析的，尤其是非线性的复杂问题，通过计算机数值类比，进行仿真，得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。2、CAE技术在车辆中的应用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。这就对CAE分析提出了使用真实载荷与动态参数设计的要求。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。这就要求CAE更多地考虑非线性的影响。过去往往应用对比分析法（通过实际数与基数的对比来提示实际数与基数之间的差异，借以了解经济活动的成绩和问题的一种分析方法。）但是由于汽车零部件结构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，因此这种分析法不再适应越来越高的设计要求。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段（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），达到使用期后，零部件多受到损伤，以求产品轻量化，达到节约材料和节省能源的目的。这也对CAE分析提出了使用真实载荷仿真的要求。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，以达到用动态参数设计的目标。“现在CAE应用于汽车上成熟的方面主要有：刚度和强度计算(应用于整车、大小总成和零部件分析以实现轻量化设计)、NVH分析(各种振动、噪音，包括摩擦噪音、风噪声等)、机构运动学分析。而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析。”这些分析的精度也有了进一步的提高，已经投入了实际的使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数。国外大汽车公司经过几十年时间的经验积累，形成了实用的结构没计数据库、没计改变记录和设计规范(设计指导书)，日益广泛应用的CAE技术，有效地帮助和指导企业中的设计师进行汽车结构没计、耐撞性没计、耐疲劳以及轻量化没计。3、应用在汽车上的CAE新技术：VPG技术VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。1．分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车身FEM模型、悬挂系（弹簧、减振器、动力控制臂）、转向梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。这样，车身和悬挂系统与转向系统间难以明确的作用力关系已包含在分析模型之内。如图1所示。图1整车的分析模型2．分析模型数据库化。众所周知，计算模型建模工作量是很大的。但是，除车身模型是车型分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎是完全可以实现数据库化的。这是因为，这些结构对轿车来说，结构形式基本可以归纳成几种基本类型和数量有限的几个参数来描述。用户只需选择结构类型，给出参数即可产生计算模型。当然用户自行建立模型也是完全可以的。同时软件数据库可以增加用户模型数据，随着用户应用面的增多，数据库会更加丰富。当前悬挂数据库保存有McPherson液压减振器Strut、长短臂Short-longArm、Hotchkiss渐变叶片弹簧(LeafSpring)、后拖臂TrailingArm、五连杆5-link、四连杆QuadraLink和扭杆TwistBeam等十种结构数据库。另外，VPG还提供对Adams接口，导入兼容的Adams悬架模型。图2轮胎数字化模型图3路面数字化模型轮胎模型分为用于车身疲劳和寿命分析的轮胎模型；用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型和用于动力学分析的轮胎模型三种类性。疲劳分析轮胎模型，可以由内部函数构造产生、也可以从轮胎数据库中直接选择模型，许可用户直接输入试验数据，可选择SAE971100论文《用于车辆动力学分析及整车实时试验的轮胎模型的有效性》所述的模型。用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型有更加详细的轮胎结构，模型使用非线性材料，可以选择B.G.KAO等人研究成果：《轮胎瞬态分析与显式有限元程序》论文——《轮胎科学与技术》所应用的模型。用于动力学分析的轮胎模型能反映三维自由和强迫振动，可适应高频谐波和随机激励的自由振动和接触振动模态。用户可以根据分析目的选择不同的轮胎模型，一般给出轮胎型号很快即可完成轮胎建模工作。图4碰撞计算研究用假人模型图5碰撞计算障碍物模型模型数据库还有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模型等可供用户引用。可见，应用VPG软件最大限度地方便用户建模，简化了计算数据准备工作，同时保证模型的质量和可比性。3．提供了全面的路面载荷。VPG软件提供了标准典型的路面模型，是通常整车试验标准考核路面，例如：交替摆动路面(AlternateRoll)、槽形路(PotholeTracks)、鹅卵石路(CobblestoneTracks)、大扭曲路(BodyTwistLane)、波纹路(RippleTracks)、搓板路(Washboards)以及比利时石块(BelgianBlock)等。用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用任意三维数据构造特定的路面。VPG软件当前提供了美国MGA汽车试验场数字化数据库，并且准备录用中国海南汽车试验场路面数据。图64．从分析内容方面讲，VPG计算技术分析内容是多样化的。一个分析模型可以进行疲劳寿命计算、振动噪声分析计算、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非线性分析。同时还可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研究。疲劳分析可以根据计算结果整理出疲劳曲线进行寿命预测。振动噪声计算结果可以进行富利叶变换，进行NVH评价。碰撞仿真结果用于结构碰撞性能研究和依据FMVSS法规对乘员的安全作出评价。图7碰撞仿真模拟运动学和动力学计算可输出内外轮角（AckermanAngle）、转动半径（TurnRadius）、内倾刚度（RollStiffness）、回转半径（ScrnbRadius）、前束角（ToeAngle）、内倾（KingpinInclination）、刹车点头和加速沉尾（Anti-dive/Anti-lift）、外倾角（CamberAngle）、后倾角（CasterAngle）和纵向摆动（Front/RearRoll）等参数，进行整车性能评价。5．求解器是基于高度非线性软