CAE在汽车工业中的应用

CAE在汽车工业中的应用一.CAE在汽车工业中的重要性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了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。如果说CAD是在帮助工程师创造更丰富、更优美、更实用的几何实体设计，那么CAE则在产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥着更加重要的作用。1．CAE技术的应用，可以在样品、样车之前，模拟零部件甚至整车的性能和工作状况，避免传统上的设计——试制——测试——改进设计——再试制的重复过程，减少了人力、物力和财力上的消耗而减低开发费用，使汽车产品的大多数问题都可以在设计阶段通过仿真得到解决，从而提高了设计质量和效率，大幅度降低了开发时间和费用；2．CAE技术的应用，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，使产品减重、性能优化成为可能；同时，采用CAE计算能在短时间内尝试和比较更多的设计方案，因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量；还能找到问题的真正原因，为设计工程师提供修改方向，减少修改时的盲目性，缩短开发周期；3．CAE技术的应用，也使得以往设计中的一些经验性的知识可以以量化的形式出现，同时，灵活、方便、快捷的特点使CAE技术能为设计工程师提供大量的仿真试验数据和技术参数（而其中一些数据根本无法或很难通过试验获得），增加企业的经验积累，提升企业的设计能力；4．CAE技术的应用，使设计工程师在产品设计阶段对汽车的结构和性能做出预先评估，因而大大降低了新产品开发的风险；同时，CAE技术可以替代大部分试验。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%。笼统地讲，汽车的每一个部件都可以做CAE分析，但主要包括以下3大关键部分：1、整车该部分的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。通常要确定的主要整车参数有：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。2、大总成或者大的子系统汽车通常划分为4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。3、零部件和小总成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，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。二.CAE在汽车工业中的应用领域汽车设计和汽车制造是汽车工业中的两个重要组成部分，是一个有机整体，是一个系统的工程；汽车设计是前提和基础，汽车制造将设计完成的汽车转化为实物，制造能力很大程度上决定了汽车设计的方式、水平。如果没有优秀的汽车设计，即使拥有再好的汽车制造能力，也没办法生产出高质量的汽车；反之，无论设计多么优秀的汽车，如果没有与之匹配的制造工艺，能力，那也只能是一堆没有用的数据而已。同样地，汽车工业中的CAE技术应该包含两大类：汽车设计CAE技术和汽车制造CAE技术，两者是组成一个有机系统，相互促进，缺一不可。1.结构、疲劳分析结构、疲劳分析主要包含整车，各子系统，各零部件的模态、刚度、强度、疲劳分析。例如：白车身、副车架、后桥、吊挂支撑、安全带支架等零部件的模态、刚度、强度。主要分析软件有：nastran、abaqus、fatigue等。2.碰撞分析碰撞方面的分析主要包含：正碰、侧碰、后碰、40%偏置碰和行人保护等。主要分析软件有：ls-dyna、pam-crash、VPG等。3.多刚体、噪声振动舒适性(NVH)分析NVH是指影响汽车乘坐和使用环境等重要因数的振动噪声性能；多刚体方面的分析主要包含：动力学及运动学分析。例如：整车的操纵稳定性、平顺性，玻璃升降器、雨刮等系统。主要分析软件有：adams等。4.热、流体分析汽车的热分析主要有：发动机燃烧、排气管道、刹车制动等热分析和车内空调热管理等。汽车的流体动力学分析主要有：空气对汽车的阻力、发动机的冷却、车厢里的通风换气、气流噪声、车身表面覆盖件的振动等。热、流分析可以有效提高汽车性能，增加乘坐舒适性。在热、流分析中热流耦合的现象比较常见。主要分析软件有：STAR-CD、flow-3D、fluent等。5.冲压成形分析冲压方面的分析主要包含：汽车上各种冲压件的冲压过程分析，主要判断冲压件结构是否合理及其优化，冲压工艺是否合理及其优化，模具设计是否合理及其优化，以及零件展开、精确的求解下料尺寸、排样、模具报价等；还能预测冲压过程中的材料拉裂、起皱位置，材料的料厚变化以及回弹等。主要分析软件有：dynaform、autoform、pam-stamp等。6.锻造分析锻造方面的分析主要包含：汽车上各种锻件的成形过程分析，如各种轴、连杆等锻件。主要分析各种金属成形过程中的金属流动，提供极有价值的工艺分析数据及成形过程中的材料和温度流动。主要分析软件有：deform,、superform等。7.铸造分析铸造方面的分析主要包含：汽车上各种铸件的成形过程分析，如发动机缸体等。主要分析各种液态、半固态成形过程中的金属流动，提供极有价值的工艺分析数据及成形过程中的金属流动和温度变化，预测疏松、夹杂、缩孔、浇不足等缺陷。主要分析软件有：procast、magma等。8.塑料成形塑料成形方面的分析主要包含：汽车中的塑料件成形分析，如大灯、仪表盘、杂物箱等。可以分析不同工艺、模具结构时塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况及温度分布，优化浇口位置和加工参数、预测制件可能出现的收缩和翘曲等缺陷。主要分析软件有：moldflow等。三.CAE在国内汽车工业中的应用现状CAE技术在国内汽车工业的应用经历了入门、推广、普及等阶段，目前已经到了取得实质效益的阶段，具体表现在：1.CAE技术逐渐被普遍认可。CAE技术在产品开发中效果突出，其分析方法的准确性和精确性已得到普遍认可，大部分中国汽车企业都开始运用了CAE技术；2.CAE分析和工程设计紧密结合，实现了分析与设计同步、CAE与CAD的一体化；3.CAE分析成为设计常规，很多研发部门都在产品设计流程中明确规定了CAE环节，没有CAE分析的设计不能进入下一个技术环节；4.CAE分析范围扩大，分析对象从以前的单个零件发展到现在的总成系统、整车系统；从线弹性分析发展到非线性分析和多物理场耦合分析；所应用的领域也在逐渐扩大，新的应用领域不断出现。四.CAE应用中存在的问题、对策及发展趋势尽管CAE技术在我国汽车行业中正逐步得到推广和应用，并发挥了重要的作用，但由于起步较晚，无论在CAE应用的深度和广度上，与国外先进水平相比存在不小的差距。这种差距不仅体现在理论基础和技术水平上，也体现在试验的支持和软件的使用水平上，但更重要的一点是缺少成熟的分析标准和分析流程。那么我国汽车企业普遍应用水平不高原因又在哪里呢？首先是时间上的问题，由于我国汽车行业的CAE应用刚刚起步，CAE应用的深度不够，不少领域还没有开始CAE的应用；CAE的团队经验和积累还很少，不少企业甚至还没有自己的CAE团队。其次是企业领导对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工程师的培养问题，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；最后也是最重要的就是汽车企业缺乏完善的CAE分析标准和流程。分析标准和流程的重要性在CAE技术的入门尝试阶段可能还感觉不到，但随着CAE分析范围的扩大（分析对象单个零件逐步发展到总成系统和整车系统，分析类型从线弹性分析逐步发展到非线性分析和多物理场耦合分析），这种重要性将越发明显。因为对于整车系统而言，除了结构和连接关系非常复杂外，还存在复杂的非线性问题（如橡胶件、塑料件、泡沫件等的材料非线性，各零件间的接触非线性，整车的结构非线性，等等），在这种情况下，如果各行其是，凭个人的技术基础和经验去做CAE分析，那么对不同分析人员而言，就很难保证相互之间计算结果的一致性，更不用谈数据的积累和对比了。要解决好汽车行业CAE应用的上述问题，首先，汽车相关企业要加快建设自己的CAE团队，拓展CAE应用的领域并提高CAE应用的深度；其次，汽车行业相关企业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。CAE应用能力不是买软件就能提高的，更主要的是经验和积累，团队的积累。正如长城华冠总裁陆群谈到中外汽车设计的差距时说的“我觉得这种核心的差距差的是经验和积累，而且在很大程度上是团队的积累。个人的差距还好说，可以通过天分和个人努力来弥补，如果是团队的集体差距就不是通过简单的个人努力和团队的短期奋斗就可以轻易解决问题的。”同样，CAE分析能力也是如此，需要团队的积累。再次，建立并完善企业自己的CAE分析流程、规范及评价标准建立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。还有就是要正确理解试验和CAE的关系。CAE的出现，确实可能减少了一些试验，这也是新的汽车开发模式，也恰恰由于这种模式的出现，使我们重新站在了一个起跑线上，至少差得不那么远了。然而，人们往往以为CAE就能搞定一切，这是非常不成熟的讲法，特别是当不正确地使用了CAE分析的时候。再有就是CAE软件的二次开发当企业的CAE应用达到了较高水平时，为了取得更高的技术经济效益，就要对软件进行二次开发，目的是使通用软件更加专业化，以提高应用效率，统一和简化使用方法，加入专业化评价体系，体现本专业的技术标准。这对汽车企业开发能力的建立和提升具有非常重要的意义。最后，具体到每位CAE工程师，我们不仅要提高软件使用的技巧，还要从理论上理解软件的原理，更要了解行业的CAE应用发展趋势，了解软件的发展动向，把握有限元等分析理论的发展方向。因为我们已经落后了，每一次新的理论变革，每一次新工具的诞生，都是我们和别人站在同一起跑线的机会。那么，CAE应用的未来趋势又在哪里呢？我认为至少有几点应该是可以肯定的：1．更多领域的CAE技术将被应用到汽车工业中；2．无网格有限元技术将可能取代现在的有限元网格离散技术；3．有限元分析对象将从宏观层面深入到介观、微观层面；从而更本质地反映真实世界；4.神经网络，遗传算法等优化技术和有限元法结合起来，也是未来CAE技术发展的趋势之一。参考文献：《CAE在汽车制造中的应用》《CAE在汽车设计中的应用》《汽车开发中CAE技术应用的现状和发展》作者：优集系统（中国）有限公司夏卫华