汽車設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用分析

曹相贏

摘 要：在當(dāng)前社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展過(guò)程中，汽車已成為人們?nèi)粘３鲂械闹匾ぞ?，這也有效的促進(jìn)了汽車制造行業(yè)的發(fā)展。在當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)工作中，環(huán)保意識(shí)的增加促使CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用，利用CAE技術(shù)來(lái)對(duì)汽車工藝進(jìn)行優(yōu)化和改善，可以有效的降低生產(chǎn)成本，簡(jiǎn)化了汽車設(shè)計(jì)的流程，進(jìn)一步縮短了汽車研發(fā)的整體周期，而且對(duì)汽車設(shè)計(jì)的舒適性和安全性的提升也具有積極的促進(jìn)作用。文中分析了CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要性，并進(jìn)一步對(duì)汽車設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用進(jìn)行了具體的闡述。

關(guān)鍵詞：汽車設(shè)計(jì);CAE技術(shù);安全性能;車架設(shè)計(jì);輕量化;覆蓋件

目前CAE在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中應(yīng)用十分普遍，利用計(jì)算機(jī)技術(shù)分析汽車產(chǎn)品的可靠性和性能，并針對(duì)產(chǎn)品的失效形式和運(yùn)動(dòng)模式進(jìn)行仿真模擬，及時(shí)找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)問題，并加以完善，全面提高產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量和性能，積極促進(jìn)汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

1 CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用的重要性

1.1 降低研發(fā)成本

汽車自身具有較強(qiáng)的復(fù)雜性，在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，要求設(shè)計(jì)人員要考慮汽車結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、未來(lái)使用環(huán)境及批量生產(chǎn)中存在的問題，并在實(shí)際設(shè)計(jì)過(guò)程中，針對(duì)整體汽車設(shè)計(jì)制造過(guò)程基于方案設(shè)計(jì)、樣本制造、樣車測(cè)試及問題改進(jìn)等步驟進(jìn)行重復(fù)循環(huán)，但當(dāng)應(yīng)用CAE技術(shù)后，利用CAE技術(shù)中的仿直技術(shù)來(lái)進(jìn)行樣本制造和測(cè)試，可以有效的縮短研發(fā)流程，減少研發(fā)時(shí)長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)研發(fā)成本的降低。

1.2 降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)

在利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，在具體測(cè)試前需要評(píng)估預(yù)測(cè)整體設(shè)計(jì)方案結(jié)構(gòu)的合理性和性能效果，進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)中不合理的位置，全面提升設(shè)計(jì)方案中的穩(wěn)定性和整車的可操作性，確保設(shè)計(jì)研發(fā)過(guò)程中風(fēng)險(xiǎn)下降。

2 CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 汽車安全性能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中，為了保證車內(nèi)人員的生命安全，一般需要實(shí)施汽車碰撞和防碰撞性能試驗(yàn)。傳統(tǒng)汽車設(shè)計(jì)工作中，在設(shè)計(jì)方案完成后，宜制造樣本實(shí)施碰撞試驗(yàn)，以此來(lái)對(duì)汽車安全性能進(jìn)行驗(yàn)證。在當(dāng)前汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用CAE技術(shù)過(guò)程中，設(shè)計(jì)人員運(yùn)用仿真技術(shù)來(lái)模擬汽車的各種碰撞情況，完成汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中的碰撞試驗(yàn)，并對(duì)碰撞后汽車變形情況進(jìn)行驗(yàn)證。整個(gè)過(guò)程中不需要再利用樣本開展碰撞試驗(yàn)，這對(duì)于汽車設(shè)計(jì)成本和風(fēng)險(xiǎn)的降低具有極為重要的意義。

2.2 汽車車架設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

運(yùn)用CAE技術(shù)來(lái)針對(duì)車架及主要附件開展三維設(shè)計(jì)。通過(guò)建立車架模型，搭建車架縱梁、橫梁及主要承載零件的模型，將車架及附件承受的質(zhì)量簡(jiǎn)化為質(zhì)心，通過(guò)質(zhì)心位置實(shí)施模擬。并利用剛性單元來(lái)對(duì)輪胎地蠔模擬，確定對(duì)輪胎的約束。鋼板彈簧則應(yīng)利用兩根剛度不同的彈簧單元進(jìn)行模擬，采用不同截面的梁?jiǎn)卧B接，使其成為一個(gè)整體。同時(shí)還要在車架上分別施加側(cè)向載荷和縱向載荷，具體宜通過(guò)約束前后懸與車架的連接處，實(shí)現(xiàn)對(duì)車架的約束。并通過(guò)不同工況下車架應(yīng)用進(jìn)行分析，獲得相應(yīng)工況下準(zhǔn)確的車架靜態(tài)安全因子，以此來(lái)保證不同工況下車架的可靠性和安全性。

2.3 CAE技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.3.1 車身輕量化設(shè)計(jì)

車身結(jié)構(gòu)的輕量化對(duì)于汽車節(jié)能和環(huán)節(jié)都具有極為重要的意義，由于當(dāng)前汽車車身質(zhì)量占整車質(zhì)量比例較大，通過(guò)減輕汽車自身質(zhì)量，不僅能夠?qū)崿F(xiàn)原材料的節(jié)約，降低汽車生產(chǎn)成本，同時(shí)還有利于降低燃油消耗，達(dá)到環(huán)保的目的。在當(dāng)前計(jì)算機(jī)技術(shù)快速發(fā)展的新形勢(shì)下，在車身輕量化設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)應(yīng)用十分廣泛，并取得了較好的成效。

2.3.2 發(fā)動(dòng)機(jī)零部件輕量化設(shè)計(jì)

對(duì)于汽車而言，發(fā)動(dòng)機(jī)作為其動(dòng)力來(lái)源，在當(dāng)前汽車發(fā)展過(guò)程中，對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的要求不斷提升，而且要求現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)要具有高效率、高可靠性、體積小及質(zhì)量輕的特點(diǎn)，同時(shí)對(duì)燃油消耗率和排放也具有較高的要求。因此宜利用CAE技術(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)輕量化設(shè)計(jì)，有效的減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量，這對(duì)于降低汽車自身質(zhì)量具有極為重要的意義。

2.3.3 車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)和載荷都很復(fù)雜的重要部件，也是人們首先開展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。近年來(lái)，隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)成為以提高結(jié)構(gòu)性能或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)的一種新興結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法，隨著商業(yè)有限元分析軟件，如ANSYS，NASTRAN中拓?fù)鋬?yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)，以及商品化結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件在國(guó)內(nèi)的逐步普及，目前已在車架輕量化設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用。

2.4 CAE技術(shù)在汽車覆蓋件中的應(yīng)用

汽車覆蓋件是指構(gòu)成汽車車身或駕駛室、覆蓋發(fā)動(dòng)機(jī)和底盤的薄金屬板料制成的異形體表面和內(nèi)部零件。汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)必須采取較高的尺寸精度，保障焊裝或組裝時(shí)的準(zhǔn)確性和互換性：形狀上要保證質(zhì)量，不出現(xiàn)壓凹痕、褶皺、擦傷等，棱線應(yīng)清晰、平直，曲線應(yīng)圓滑、過(guò)渡均勻;材料要足夠塑性;零件要足夠剛性。

應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車覆蓋件模具設(shè)計(jì)制造需要反復(fù)設(shè)計(jì)，其一般的理論過(guò)程主要是：（1）設(shè)計(jì)零件幾何模型。即應(yīng)用CAE技術(shù)，首先要在根據(jù)金屬塑性成形過(guò)程的材料流動(dòng)規(guī)律，在三維CAD軟件中設(shè)計(jì)出零件的幾何模型，并設(shè)計(jì)出壓料面和工藝補(bǔ)充面。（2）建立有限元模型。根據(jù)上述的成形模具的幾乎模型建立有限元模型，進(jìn)行有限元計(jì)算。（3）分析試運(yùn)行結(jié)果。如果不滿意分析結(jié)果，就需要重新返回三維CAD軟件中重新修改零件的幾何模型，并將修改或模型再次進(jìn)行CAE分析，這其中離不開生產(chǎn)有限元網(wǎng)格和設(shè)置成形參數(shù)。

3 結(jié)束語(yǔ)

在汽車設(shè)計(jì)中通過(guò)應(yīng)用CAE技術(shù)，能夠提前獲取到汽車設(shè)計(jì)中的缺陷數(shù)據(jù)，以此來(lái)對(duì)模具設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，將模具設(shè)計(jì)階段能夠?qū)㈣T件缺陷降至最低，避免反復(fù)修改模具，提高試模的成功率，縮短新品開發(fā)周期。而且在實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中應(yīng)用優(yōu)化后的模具系統(tǒng)和工藝方案，并通過(guò)具體的試模驗(yàn)證，有效的結(jié)合鑄造理論與生產(chǎn)實(shí)踐，積極構(gòu)建一套完善的鑄造工藝方案，還能夠?yàn)槠渌愃飘a(chǎn)品開發(fā)提供相關(guān)的借鑒和指導(dǎo)。

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