CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用研究

王國鋒

摘 要：汽車設(shè)計是一項復(fù)雜的工作，零件多且結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在整車研發(fā)過程中，涉及到流體、結(jié)構(gòu)、溫度、電磁、NVH及車輛動力學(xué)等多方面知識?，F(xiàn)代化汽車設(shè)計必須顛覆傳統(tǒng)的技術(shù)方法。CAE技術(shù)具有很強(qiáng)的先進(jìn)性、仿真性，應(yīng)用在汽車設(shè)計中，可大幅度提升汽車研發(fā)設(shè)計的能力，指導(dǎo)新產(chǎn)品的研發(fā)設(shè)計，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)與性能，達(dá)到降本增效的目的，從而提升汽車生產(chǎn)企業(yè)的市場競爭力。本文結(jié)合理論實踐，簡要闡述了CAE技術(shù)的定義，分析了CAE技術(shù)在汽車設(shè)計的應(yīng)用現(xiàn)狀并提出具體的應(yīng)用路徑，以期為汽車設(shè)計提供參考和幫助。

關(guān)鍵詞：CAE;汽車設(shè)計;車身覆蓋件;汽車碰撞

在我國社會經(jīng)濟(jì)飛速發(fā)展的背景下，人民生活水平不斷提升，對汽車的舒適性、安全性等提出了更高要求。目前在汽車設(shè)計中常用的技術(shù)是CAE技術(shù)，尤其是在汽車零部件和整車設(shè)計中，具有無法替代的作用。通過CAE技術(shù)來分析產(chǎn)品的可靠性和性能，從而找出產(chǎn)品設(shè)計存在的問題并得到及時解決，進(jìn)而提升汽車設(shè)計質(zhì)量。

1 CAE技術(shù)的定義

CAE（Computer Aided Engineering）指的是計算機(jī)輔助工程技術(shù)，是計算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相互結(jié)合的一種新型技術(shù)，CAE技術(shù)應(yīng)用的基礎(chǔ)理論為有限元法和數(shù)值分析法。有限元法的基礎(chǔ)思想是將一個具有連續(xù)求解特性的區(qū)域，離散成一組，并按照相應(yīng)方式方法，連結(jié)到一起的單元組合體。但單元自身形態(tài)變化多端，甚至可以模擬幾何形態(tài)復(fù)雜的求解區(qū)域。而數(shù)值分析法則是一種專門研究，適用于計算機(jī)上使用的實際可行、理論可靠、計算復(fù)雜的數(shù)值計算機(jī)方法，經(jīng)過多年的演變和完善，數(shù)值分析已經(jīng)發(fā)展為一門獨(dú)立的學(xué)科。

CAE技術(shù)應(yīng)用的關(guān)鍵技術(shù)包括：有限元技術(shù)、虛擬樣機(jī)運(yùn)動技術(shù)、動力學(xué)仿真技術(shù)等，主要機(jī)理是通過計算機(jī)來一些產(chǎn)品和工程的性能、質(zhì)量、可靠性、安全性等進(jìn)行分析，并對未來的工作狀態(tài)、運(yùn)動行為等在計算機(jī)軟件上進(jìn)行模擬，從而提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷的，同時證明工程和產(chǎn)品在未來使用中可行性和可靠性。CAE技術(shù)結(jié)構(gòu)組成非常復(fù)雜，涉及到的內(nèi)容繁多，包括：有限元、數(shù)值分析、優(yōu)化設(shè)計、圖像處理、工程管理、人工智能等，具有很強(qiáng)的先進(jìn)性、綜合性，目前市面上應(yīng)用最廣泛的CAE技術(shù)包括：Nastran、Ansys、Abqus、Algor、Marc、Strand7等。

2 CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀

隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE技術(shù)愈發(fā)先進(jìn)，被廣泛應(yīng)用在各大工業(yè)領(lǐng)域，汽車生產(chǎn)行業(yè)普遍引入CAE技術(shù)并貫穿于整車開發(fā)的概念、工程化、試驗驗證等各個階段，主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，我國很多汽車生產(chǎn)廠家，都比較認(rèn)可CAE技術(shù)對汽車設(shè)計分析的準(zhǔn)確性和可靠性。

第二，聯(lián)合使用CAE技術(shù)和CAD技術(shù)，可構(gòu)件汽車設(shè)計和分析一體化，大大提升汽車設(shè)計效率，縮短設(shè)計開發(fā)周期，提升企業(yè)的市場競爭力。

第三，在整車的設(shè)計及驗證改進(jìn)過程中，CAE始終處于核心地位。

第四，在汽車領(lǐng)域CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍仍然在不斷擴(kuò)大。比如應(yīng)用的對象從最開始的零部件級擴(kuò)展至整車級、從靜力學(xué)至動力學(xué)，從傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析優(yōu)化到流體、熱管理及電磁兼容仿真等。

就目前CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用現(xiàn)狀，無論是應(yīng)用的深度還是廣度，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于美國、德國、日本等發(fā)達(dá)國家?，F(xiàn)階段，我國CAE技術(shù)在汽車領(lǐng)域的應(yīng)用深度還不足，缺乏可以參考和借鑒的經(jīng)驗及啟示，也缺乏統(tǒng)一的CAE技術(shù)分析標(biāo)準(zhǔn)和流程[1]。此外，仿真過程中生成了海量數(shù)據(jù)及文檔報告，如何有效管理仿真文檔是CAE技術(shù)深化應(yīng)用必須解決的問題。在此種狀態(tài)下，汽車生產(chǎn)制造企業(yè)需要組建高水平、高專業(yè)性的CAE技術(shù)應(yīng)用團(tuán)隊，擴(kuò)大CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍，提升CAE技術(shù)的應(yīng)用深度，同時也要構(gòu)建完善系統(tǒng)的CAE技術(shù)分析流程和標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)一步提升CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中分析的精確性和可靠性。

3 CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用

3.1 在汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度設(shè)計分析中的應(yīng)用

對汽車而言，自身的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證汽車安全性、可靠性的關(guān)鍵指標(biāo)，因此，汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計完成之后，必須對結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行全面分析，應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析，可保證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性。通過CAE技術(shù)可對汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度進(jìn)行靜力學(xué)仿真、傳力路徑識別、模態(tài)振型提取等。

在結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析中，應(yīng)用CAE技術(shù)進(jìn)行靜力分析，可得到結(jié)構(gòu)的總體應(yīng)力、位移分布情況等，從而獲知汽車結(jié)構(gòu)在一定工作荷載之下，是否仍然可以保持穩(wěn)定性、安全、可靠性，以及那些部分存在應(yīng)力集中，那些結(jié)構(gòu)強(qiáng)度不足，從而進(jìn)行有針對性的改進(jìn)設(shè)計，保證汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度符合要求。

在特征值分析中應(yīng)用CAE技術(shù)，可獲知汽車結(jié)構(gòu)的一些固有頻率、振型等，保證設(shè)計人員可以及時找到和分析出引發(fā)結(jié)構(gòu)振動的主要原因，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行改造設(shè)計，從而避免車輛在行駛中因為共振發(fā)展安全問題[2]。

在瞬態(tài)動力分析中應(yīng)用CAE技術(shù)，可準(zhǔn)確計算出汽車結(jié)構(gòu)在動荷載影響下發(fā)生應(yīng)力、位移的變化情況。比如：汽車在以一定的速度通過顛簸路段時，形成的沖擊荷載，會導(dǎo)致一些零部件發(fā)展發(fā)生變化，為優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計提供相應(yīng)的數(shù)據(jù)支持和理論指導(dǎo)。

3.2 在車身覆蓋件計算仿真中的應(yīng)用

和其他零部件相比，汽車車身覆蓋件的尺寸規(guī)格比較大，形狀也比較復(fù)雜，多呈現(xiàn)空間自由曲面，制造過程比較復(fù)雜，涉及到幾何非線性、材料非線性、復(fù)合接觸、摩擦等，任何一個環(huán)節(jié)處理不當(dāng)，都會影響設(shè)計效果。而傳統(tǒng)制造中多由沖壓形成，但沖壓的工序、參數(shù)等都要通過大量實踐才能獲知，是一個試錯逼近的過程，不但會造成大量財力、物力、人力的無故消耗，而且制造成本比較高， 周期比較長，難免滿足實際需求。應(yīng)用CAE技術(shù)可大幅度提升車身覆蓋件設(shè)計效率，縮短設(shè)計周期，可進(jìn)行大范圍推廣應(yīng)用，主要包括以下內(nèi)容：

第一，通過塑性CAE技術(shù)和動態(tài)顯示格式相互結(jié)合方法，可對大型覆蓋沖壓過程進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬研究，快速獲得沖壓工序和相關(guān)參數(shù)等數(shù)據(jù)。

第二，利用對CAE技術(shù)對板坯的形狀、性能、規(guī)格等進(jìn)行綜合分析，從而快速獲知各種因素的影響條件，降低回彈修正對模量設(shè)計造成的影響，保證設(shè)計效果，更好的符合汽車性能和結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的需求。

第三，通過動力顯式CAE技術(shù)和預(yù)壓加載相互結(jié)合的方法，可各沖壓工序之間的相關(guān)性、繼承性等進(jìn)行全面分析，實現(xiàn)大型覆蓋件沖壓過程的完整工序仿真模擬[3]。

第四，回彈對大型覆蓋件的影響比較大，因此，當(dāng)回彈結(jié)束之后，需要通過CAE技術(shù)對沖壓覆蓋件的形狀、理想誤差形狀等進(jìn)行全面分析，從而控制缺陷的約束條件。并對坯料各個參數(shù)進(jìn)行全方位的迭代優(yōu)化，直至獲得最優(yōu)的工藝參數(shù)組合形式。

3.3 在汽車碰撞安全性分析中的應(yīng)用

汽車在使用過程中，難免會發(fā)生不同程度的刮碰，汽車的行駛軌跡，內(nèi)部駕駛?cè)藛T及其他乘員的具體運(yùn)動狀態(tài)無法準(zhǔn)確獲知，大大提升了汽車運(yùn)動方程和求解的復(fù)雜性[4]。車輛發(fā)生碰撞后，其運(yùn)動規(guī)律無章可循，在激烈的碰撞狀態(tài)下，汽車車身可能會發(fā)生不同程度的變化，導(dǎo)致人體和車身之間的距離縮小，造成方程求解工況較為復(fù)雜。而汽車碰撞安全是衡量汽車性能的主要指標(biāo)，也是顧客購車的主要參考依據(jù)。而即便是無人駕駛的汽車安全碰撞試驗，也是破壞性試驗，成本非常昂貴。而將CAE技術(shù)應(yīng)用到汽車碰撞安全性分析中，可有效降低成本和代價，提升汽車碰撞的性能，保證乘員及行人的安全性，CAE技術(shù)在汽車碰撞安全性分析的應(yīng)用主要體現(xiàn)在以下幾個方面：

第一，通過CAE技術(shù)分析汽車碰撞，可實現(xiàn)車身、車架變形和動態(tài)響應(yīng)，快速獲得準(zhǔn)確有效的數(shù)據(jù)。

第二，可充分研究人體在多種碰撞時條件下的響應(yīng)情況。

第三，可實現(xiàn)多體動力學(xué)計算，降低碰撞安全分析的難度。

將CAE技術(shù)應(yīng)用到汽車碰撞安全性分析中，可對乘員約束系統(tǒng)如：安全氣囊、安全帶、被動約束等系統(tǒng)進(jìn)行仿真模擬，也可以進(jìn)行汽車碰撞受害人員的計算機(jī)仿真模擬及碰撞事故再現(xiàn)仿真模擬，從而為汽車設(shè)計人員設(shè)計汽車安全性能提供必要的數(shù)據(jù)參考和理論指導(dǎo)[5]。

3.4 在整車系統(tǒng)性能仿真中的應(yīng)用

汽車復(fù)雜的結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、苛刻多樣的工作環(huán)境以及汽車行駛時所受路面的動態(tài)激勵載荷等諸多因素，使得很難對汽車的整車系統(tǒng)性能進(jìn)行仿真模擬。隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，CAE技術(shù)的也在不斷進(jìn)步，美國的eta公司，基于ANSYS/LS-DYAN軟件平臺，開發(fā)出來虛擬試驗場技術(shù)（VPG技術(shù)），可對汽車整車系統(tǒng)的性能進(jìn)行計算機(jī)仿真模擬，有效解決了整車性能仿真模擬瓶頸問題。VPG具有非常完善且正在不斷擴(kuò)大的數(shù)據(jù)庫，可為客戶提供全面的懸架系統(tǒng)模型、輪胎模型、標(biāo)準(zhǔn)道路條件、碰撞安全條件等，使得汽車整車性能分析更加便捷，分析條件也更加標(biāo)準(zhǔn)化[6]?？墒乖陂_發(fā)設(shè)計階段的汽車在模擬的標(biāo)準(zhǔn)道路上試驗形式，從而對汽車的整車性能進(jìn)行預(yù)測，發(fā)現(xiàn)問題及時處理，降低汽車設(shè)計研發(fā)的費(fèi)用，減少投資風(fēng)險，縮短企業(yè)研發(fā)時間，從而提升企業(yè)的市場競爭力，獲得更大的經(jīng)濟(jì)效益。

4 結(jié)束語

綜上所述，本文結(jié)合理論與實踐，研究了CAE技術(shù)在汽車設(shè)計中的應(yīng)用，研究結(jié)果表明，汽車設(shè)計是一項非常復(fù)雜、系統(tǒng)、技術(shù)含量高的工作，工序繁多，內(nèi)容繁雜，任何一個環(huán)節(jié)控制不當(dāng)，都會影響汽車的設(shè)計效果。而CAE技術(shù)的日趨成熟和廣泛應(yīng)用，不僅大大降低了汽車設(shè)計的難度，而且還能有效節(jié)約成本，縮短設(shè)計周期。在汽車設(shè)計階段進(jìn)行靜態(tài)、動態(tài)分析，平順性和操縱穩(wěn)定性仿真模擬，能及時發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的問題和缺陷，通過對缺陷和問題的改進(jìn)，降低了設(shè)變的風(fēng)險以及由此造成的經(jīng)濟(jì)成本，縮短了汽車制造和試驗的時間。因此，將CAE技術(shù)科學(xué)合理的應(yīng)用到汽車設(shè)計中，幫助企業(yè)獲得更多效益，實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

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[3]盧海山，王志奇，彭德其.融合CAE技術(shù)的過程設(shè)備設(shè)計實驗教學(xué)改革與實踐[J].廣東化工，2019（14）：207-208.