基于CAE技術(shù)的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造研究

周宏睿

摘 要：隨著汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用越來越廣泛，CAE技術(shù)能夠有效提升汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的效率和創(chuàng)新能力，對(duì)縮短周期，降低設(shè)計(jì)成本，提高汽車產(chǎn)品的競爭力有著重要的作用。文章對(duì)基于CAE技術(shù)的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造做了簡要的研究，旨在推進(jìn)CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)中的不斷發(fā)展。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；汽車產(chǎn)品；設(shè)計(jì)制造

前言

隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和社會(huì)的進(jìn)步，汽車已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪幸豁?xiàng)重要的工具，汽車行業(yè)的競爭也日趨激烈，如何不斷創(chuàng)新汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造方式，生產(chǎn)出在安全性、舒適性、操作性等各個(gè)方面綜合性能都比較優(yōu)良的汽車至關(guān)重要，CAE技術(shù)是現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中的重要手段，對(duì)汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造有著重要的作用。

1 CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的作用

CAE技術(shù)在其產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造中的作用巨大，在汽車產(chǎn)品的概念設(shè)計(jì)階段，CAE技術(shù)就能夠針對(duì)一些性能及可靠性的問題給予解答，這就給汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)師提供了強(qiáng)有力支撐，CAE技術(shù)數(shù)據(jù)量豐富、成本低廉，并能夠找到并揭示出本質(zhì)問題，這就對(duì)提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量、加快研究速度、降低開發(fā)成本有著積極的影響。

1.1 提高設(shè)計(jì)功能，縮短制造周期

CAE技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段就發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中潛在的一些問題，幫助設(shè)計(jì)師及時(shí)的通過修改設(shè)計(jì)方案來解決問題，優(yōu)化設(shè)計(jì)，這就有效提高了汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)功能，縮短了在設(shè)計(jì)階段確定汽車結(jié)構(gòu)參數(shù)等過程所需要的時(shí)間，從而縮短了整個(gè)汽車的制造周期。CAE技術(shù)主要是通過汽車安全性分析、動(dòng)力學(xué)仿真分析、應(yīng)力應(yīng)變分析等一系列的分析方式來確定在設(shè)計(jì)中出現(xiàn)的潛在問題的，這些分析方式的科學(xué)性較強(qiáng)，準(zhǔn)確性較高[1]。

1.2 減少開發(fā)次數(shù)，節(jié)約試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)

CAE技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)在設(shè)計(jì)的過程中在計(jì)算機(jī)上建立一個(gè)虛擬的樣車模型，汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工程師能夠在計(jì)算機(jī)上對(duì)樣車模型進(jìn)行各種性能的動(dòng)態(tài)分析，這種分析方式代替了傳統(tǒng)的實(shí)物樣車實(shí)驗(yàn)，大大減少了開發(fā)的次數(shù)，同時(shí)計(jì)算機(jī)上的樣車模型分析不需要耗費(fèi)零部件制造樣車，節(jié)約了制造經(jīng)費(fèi)。

這種虛擬樣車的分析方式是一種系統(tǒng)層面的分析，在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行樣車模型分析相較于傳統(tǒng)實(shí)物樣車分析能夠大大簡化汽車中一些機(jī)械設(shè)備的研發(fā)過程，虛擬樣車分析能夠利用CAE技術(shù)將繁瑣的汽車性能動(dòng)態(tài)分析簡單化，使分析的結(jié)果精確化，這對(duì)提升汽車產(chǎn)品的性能有著重要的作用。

1.3 有利于制造出性能優(yōu)越的汽車產(chǎn)品

就目前來看，許多汽車制造商在利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造過程中，過于重視CAE技術(shù)在單學(xué)科的仿真分析，眾所周知，汽車產(chǎn)品的仿真分析是多學(xué)科綜合性的分析，所以在這個(gè)過程中必須考慮到不同學(xué)科之間的耦合作用及互相影響，過于重視單學(xué)科仿真分析會(huì)造成整個(gè)仿真過程的失聯(lián)，影響分析的一致性，導(dǎo)致分析結(jié)果出現(xiàn)誤差。通過CAE技術(shù)可以建立一個(gè)統(tǒng)一的、綜合的學(xué)科仿真分析平臺(tái)，可以在一個(gè)汽車模型的分析中綜合多學(xué)科進(jìn)行仿真分析，實(shí)現(xiàn)多學(xué)科之間的耦合作用，這樣的仿真分析才能夠展現(xiàn)出模擬車輛的真實(shí)狀態(tài)，才能提高汽車產(chǎn)品質(zhì)量的可靠性。

2 CAE技術(shù)對(duì)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用

2.1 基于CAE技術(shù)的汽車產(chǎn)品概念設(shè)計(jì)

概念設(shè)計(jì)是汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的重要環(huán)節(jié)，汽車產(chǎn)品詳細(xì)機(jī)構(gòu)尺寸的許多參數(shù)都是在概念設(shè)計(jì)中確定的，概念設(shè)計(jì)比較復(fù)雜，單單依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)是無法確定這些參數(shù)和數(shù)據(jù)的。

CAE技術(shù)的應(yīng)用能夠建立車輛產(chǎn)品的數(shù)字化仿真分析體系，這種詳細(xì)的分析體系能夠分析模擬仿真分析出車輛在不同路況下的運(yùn)行狀態(tài)，從而獲取大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，這就為汽車復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)分析提供了荷載條件以及各種動(dòng)力參數(shù)數(shù)據(jù)。概念設(shè)計(jì)的主要過程如下：（1）對(duì)汽車產(chǎn)品進(jìn)行目標(biāo)定位，確定車身、控制系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)燈性能參數(shù)；（2）確定車輛總體布置和設(shè)計(jì)方案，確定各項(xiàng)參數(shù)的控制指標(biāo)[2]；（3）根據(jù)CAE技術(shù)建立初始仿真模型；（4）對(duì)汽車產(chǎn)品仿真模型進(jìn)行動(dòng)態(tài)分析，確定汽車產(chǎn)品的各項(xiàng)參數(shù)指標(biāo)和整體結(jié)構(gòu)性能。

2.2 基于CAE技術(shù)的汽車產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)制造

2.2.1 車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造。汽車車身機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造對(duì)車身的性能有著重要的影響，薄板沖壓覆蓋件、加強(qiáng)筋以及承載骨架共同組成了車輛的車身結(jié)構(gòu)，在利用CAE技術(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)制造的過程中，我們可以將車身的機(jī)構(gòu)分成許多個(gè)小的單元，每一個(gè)單元都有著自己的作用，例如承載作用、傳遞作用等，只有每一個(gè)單元的設(shè)計(jì)得以保證，才能保證整個(gè)汽車的正常工作，這種車輛車身結(jié)構(gòu)的分析方法被稱為有限元分析，利用有限元分析能夠針對(duì)車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜的特點(diǎn)將車身結(jié)構(gòu)分成各個(gè)單元，有效解決了車身結(jié)構(gòu)中復(fù)雜的力學(xué)問題?；贑AE技術(shù)的有限元分析法可以對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行模擬的動(dòng)靜態(tài)分析及固有特性分析。

2.2.2 NVH性能分析。汽車的噪音一直是人們關(guān)心的問題，NVH性能是衡量車輛質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)，這種分析能夠使車輛產(chǎn)品與產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中的各個(gè)子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性相普配，通過對(duì)不同振動(dòng)頻率和振型的子系統(tǒng)進(jìn)行合理的分布有效的實(shí)現(xiàn)了汽車降噪，對(duì)提升車輛的舒適性有著積極的意義。NVH性能分析主要包括汽車各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配、點(diǎn)的傳遞函數(shù)、BIW動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性等方面的分析。

2.2.3 汽車的碰撞安全性分析?；贑AE技術(shù)的車輛碰撞安全分析實(shí)現(xiàn)了汽車的正面、側(cè)面以及翻滾狀態(tài)下的安全性能的模擬分析，這種動(dòng)態(tài)的模擬分析能夠在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)汽車產(chǎn)品的碰撞安全性能方面的問題和缺陷，并提出針對(duì)性的優(yōu)化改進(jìn)方案，避免安全性能存在問題的汽車產(chǎn)品投入市場。要想保證汽車產(chǎn)品的安全性，其碰撞性能的提升至關(guān)重要，在提升碰撞性能的前提下還要盡量使用質(zhì)量較輕的材料，就目前來看，當(dāng)今世界汽車設(shè)計(jì)制造中主流的車身材料為超高強(qiáng)度鋼板及輕質(zhì)的合金材料。

2.2.4 基于CAE技術(shù)的發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)制造。發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車產(chǎn)品的重要組成部分，是汽車產(chǎn)品行使的動(dòng)力來源，隨著汽車行業(yè)的不斷發(fā)展，汽車產(chǎn)品對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求越來越高，當(dāng)前質(zhì)量較好的發(fā)動(dòng)機(jī)一般都具備效率高、體積小、低能耗、低排放等特點(diǎn)。組成發(fā)動(dòng)機(jī)的零部件結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，工作荷載的測定難度較大，在設(shè)計(jì)制造的過程中會(huì)出現(xiàn)各種各樣難以解決的問題，基于CAE技術(shù)的有限元法能夠有效解決這些問題，有限元法能夠?qū)l(fā)動(dòng)機(jī)中的零部件進(jìn)行實(shí)體建模，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的分析設(shè)計(jì)和制造。例如：曲軸、機(jī)體的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣道、燃燒室、排氣管道的流暢分析以及動(dòng)力響應(yīng)分析等[3]。

2.2.5 基于CAE技術(shù)的變速器的設(shè)計(jì)制造。汽車產(chǎn)品的變速器也是其重要的機(jī)構(gòu)組件之一，基于CAE技術(shù)汽車產(chǎn)品變速器的設(shè)計(jì)制造主要有以下幾個(gè)方面：（1）基于CAE技術(shù)的變速器強(qiáng)度、剛度及振動(dòng)要求等方面的設(shè)計(jì)制造，實(shí)現(xiàn)了變速器在一定的沖擊荷載作用下的正常工作；（2）減小變速器中各部件的變形量，保證齒輪的精密程度；（3）通過變速器的合理設(shè)計(jì)，避免因震動(dòng)影響變速器的正常工作。

3 結(jié)束語

綜上所述，利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)制造是當(dāng)前汽車制造業(yè)的主要發(fā)展趨勢，其對(duì)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造的作用十分巨大，其仿真技術(shù)的應(yīng)用能夠大大降低汽車產(chǎn)品的研發(fā)時(shí)間和研發(fā)成本，對(duì)提升汽車企業(yè)汽車產(chǎn)品的核心競爭力有著重要的作用，CAE技術(shù)有效推動(dòng)了汽車制造業(yè)的發(fā)展，汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中CAE技術(shù)的應(yīng)用也帶動(dòng)了CAE技術(shù)的不斷創(chuàng)新和完善。文章簡要研究了基于CAE技術(shù)的汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造，旨在為推進(jìn)CAE技術(shù)全面深入的應(yīng)用到汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中做出貢獻(xiàn)。

參考文獻(xiàn)

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