1、CAE技術及其在汽車行業中的應用宋新旺（金陵科技學院機電工程學院，江蘇南京211169）摘要：汽車CAE技術對降低產品開發成本、縮短產品研發周期具有重要的意義，改變了汽車研發的傳統模式，國外汽車CAE技術的應用已經十分成熟，幾乎滲透到了汽車開發的各個環節。隨著國內汽車自主研發能了的快速發展，汽車CAE技術作為整車開發中的核心技術之一，已經引起了主機廠足夠的重視，掌握和利用好汽車CAE技術是縮短和趕超國外先進水平的關鍵。關鍵詞：CAE技術應用領域汽車行業是一個告訴發展的行業，其競爭也日趨激烈，新產品推出的速度也越來越快，這也對CAE應用提出了越來越多的要求。CAE技術為汽車行業的高速發展提供了有

2、力的技術保障，為企業帶來了巨大的經濟效益。一、CAE技術簡介1、CAE技術及CAE軟件計算機輔助設計、計算機輔助制造技術已經在一些大中型企業里得到應用，并取得比較好的成績。計算機輔助制造技術包括：1、CAD計算機輔助沒計2、CAM計算機輔助制造3、CAE計算機工程分析。以上三種計算機輔助制造技術并不完全是獨立的制造輔助技術，他們通過各種軟件進行交叉分析，力圖實現設計與分析的一體化，以簡化設計過程，從而提升產品的品質，改善產品的性能。例如，CAD軟件重在制作二維和三維的圖形，以表現事物的主要特征。對于物體的內部特征，CAD軟件往往用剖視圖對模型進行剖視。但是這種表示方法并不能直觀的體現復雜機構的

3、內部構成，不利于機械的設計與進一步的改進。這時就要建立物體的三維模型，對物體圖形直接進行CAE分析。此時，CAD/CAE技術就很好的解決了工程設計與計算相脫節的問題，對實現并進行工程設計提供了技術基礎。在互相結合交叉發展的同時，CAD,CAM,CAE又分別在自己的領域進行突破性的發展。在這三者之中，CAE軟件的主要功能是借助計算機，實現在產品生產以前對設計方案進行精確試驗、分析和論證一一即利用CAE技術進行真實模擬。作為CAE技術的載體，CAE軟件是結合計算力學、計算數學、相關的工程科學、工程管理學和現代計算技術，而形成的綜合性、知識密集型信息產品。總之，CAE技術就是一個以收集數據進行工程分

4、析、數據管理、試驗、仿真和制造為基本，以三維實體建模為基礎，從產品的設計階段開始，按實際條件進行仿真和結構分析，并按性能要求進行設計和綜合評價，從而以達到實現產品的設計優化為目的綜合性軟件。2、CAE技術相關理論汽車計算機工程分析涉及的理論主要包括以下方面（資料）：計算力學、振動上程與控制、計算數學、軟件技術、強度理論、疲勞理論、塑性成形的理論、柔體和多剛體動力學、計算機圖形學等。CAE技術主要應用有限元法、仿真技術、優化設計：(1)有限元法：主要對象是汽車零部件及整體的結構分析，包括結構剛度、強度分析、非線性和熱場計算等內容，可縮短開發周期、降低開發費用和提高設計質量。下面以車架為例進行有限

5、元法的說明：首先建立有限元模型，即建立車架的幾何造型設計，幾何模型建立后進行單元網格劃分，進一步求解，進行前置處理。對進行過前置處理的初步車架模型進行簡化處理，如翻邊、倒角等；進行連接處理，如焊接，螺接等；進行單元質量控制，對于網格的形狀，主要控制歪斜、翹曲、長寬比、單元最大內角、單元最小內角、雅克比行列式值，這些質量控制因素直接影響計算的精度和收斂性。以上過程均以不同的CAE軟件為基礎，如MSC.Nastran求解器、CATIA>Hypermesh、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。(2)仿真技術：主要對象是分系統或系統，包括虛擬樣機、流場計算和電磁場計算等內容，用以構造系統

6、模型，進行進一步分析，進行仿真。首先進行可行性研究，收集整車參數，進行概念設計。主要參數有：行駛性、操縱穩定性、振動、噪聲和舒適性、輪胎、懸掛的配備、NVH分析的ISO2631評價水平、車身的剛度、強度、壽命評價和車身自然頻率、轎廂通風、隔熱、噪聲、車身的空氣動力學特性、發動機艙的氣流和熱交換、主動安全性(相應標準)和被動安全性(法規)水平等。注【7*】在原參數的基礎上，改變彳整一些參數，應用CAE技術對“原型車”和“開發車”系統進行仿真。(3)優化設計：主要對象是結構設計參數，進行產品設計，對于重要的零件進行重點分析，如交叉節結構的連接方法等。車身開發的產品設計主要是產生包括所有部件的設計圖

7、紙，例如：前圍、地板、保險杠、頂蓋、車門、發動機和行李倉蓋板等分總成以及門框的A、B和C柱、邊梁、副車架、車后部鉞金、行李倉等的設計，這些都需要應用CAE進行分析。二、CAE技術在汽車上的應用1、CAE技術在汽車業的發展及影響隨著計算機技術和數值分析理論的發展，CAE技術的應用幾乎貫穿了汽車設計的全過程，在現代汽車產品設計中扮演的角色著越來越重要。轎車產品開發一般分四個階段一一籌劃階段、概念設計和可行性研究階段、產品設計和原型車確認階段、定型生產階段，CAE技術的應用在產品開發的后三個階段起著十分重要的作用。在傳統的產品開發、設計中，有很多問題在設計階段不能夠被精確地分析，所以在確認階段必然需

8、要進行“設計-試制-試驗-修改-再試制-再試驗”的反復，浪費了大量資金和研發時間。然而，CAE技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，計算機代替了很大一部分的人力資源，經濟效益是相當可觀的。“統計結果表明，應用CAE技術后，開發期的費用占開發成本的比例從80%90%下降到8%12%。舉例來說，美國福特汽車公司2000年應用CAE技術取得的成果是：新車型開發周期從36個月降低到1218個月；開發后期設計修改率減少50%;原型車制造和試驗成本減少50%;投資收益提高50%。”一方面，CAE技術的應用使許多過去受條件限制無法分析的，尤其是非線性的復雜問題，通過計算機數值類比，進行仿真，得

9、到滿意的解答；另一方面，計算機輔助分析使大量繁雜的工程分析問題簡單化，使復雜的過程層次化，節省了大量時間，避免了低水平重復的工作，使工程分析更快、更準確。2、 CAE技術在車輛中的應用現代汽車對結構設計提出了越來越高的要求，汽車結構分析已不滿足于結構線性彈性分析。這就對CAE分析提出了使用真實載荷與動態參數設計的要求。實際上汽車結構系統中大量存在非線性結構，例如發動機、駕駛室橡膠支承、懸掛大變形、零部件間連接的能量緩沖等。這就要求CAE更多地考慮非線性的影響。過去往往應用對比分析法（通過實際數與基數的對比來提示實際數與基數之間的差異，借以了解經濟活動的成績和問題的一種分析方法。）但是由于汽車零

10、部件結構分析載荷的不定因素，大量零部件結構實際所受到的載荷到底是多大，往往很難明確給出，因此這種分析法不再適應越來越高的設計要求。汽車產品設計已進入有限壽命設計階段（汽車在設計的使用期內，整車和零部件完好，不產生疲勞破壞），達到使用期后，零部件多受到損傷，以求產品輕量化，達到節約材料和節省能源的目的。這也對CAE分析提出了使用真實載荷仿真的要求。汽車整車性能，如舒適性、行駛操縱穩定性分析也不僅僅滿足于結構剛性簡化，還要求考慮結構變形剛度影響，進行整車非線性系統分析，以達到用動態參數設計的目標。“現在CAE應用于汽車上成熟的方面主要有：剛度和強度計算（應用于整車、大小總成和零部件分析以實現輕量化

11、設計卜NVH分析（各種振動、噪音，包括摩擦噪音、風噪聲等卜機構運動學分析。而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學分析。”這些分析的精度也有了進一步的提高，已經投入了實際的使用，完全可以用于定性分析和改進設計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數。國外大汽車公司經過幾十年時間的經驗積累，形成了實用的結構沒計數據庫、沒計改變記錄和設計規范（設計指導書）,日益廣泛應用的CAE技術，有效地幫助和指導企業中的設計師進行汽車結構沒計、耐撞性沒計、耐疲勞以及輕量化沒計。3、應用在汽車上的CAE新技術：VPG技術VPG技術是汽車CAE技術領域中一個很有代表性的進展。1 .分析對象

12、不再是分開的各個零部件，而是包括車身FEM模型、懸掛系（彈簧、減振器、動力控制臂）、轉向梯形、車輪輪胎等整車非線性系統模型。這樣，車身和懸掛系統與轉向系統間難以明確的作用力關系已包含在分析模型之內。如圖1所示。圖1整車的分析模型2 .分析模型數據庫化。眾所周知，計算模型建模工作量是很大的。但是，除車身模型是車型分析時必須建立的模型，懸掛結構、轉向機構和輪胎是完全可以實現數據庫化的。這是因為，這些結構對轎車來說，結構形式基本可以歸納成幾種基本類型和數量有限的幾個參數來描述。用戶只需選擇結構類型，給出參數即可產生計算模型。當然用戶自行建立模型也是完全可以的。同時軟件數據庫可以增加用戶模型數據，隨著

13、用戶應用面的增多，數據庫會更加豐富。當前懸掛數據庫保存有McPherson液壓減振器Strut、長短臂Short-longArm、Hotchkiss漸變葉片彈簧(LeafSpring)、后拖臂TrailingArm、五連桿5-link、四連桿QuadraLink和扭桿TwistBeam等十種結構數據庫。另外，VPG還提供對Adams接口，導入兼容的Adams懸架模型。圖2輪胎數字化模型圖3路面數字化模型輪胎模型分為用于車身疲勞和壽命分析的輪胎模型；用于評價振動噪聲NVH研究中應用的輪胎模型和用于動力學分析的輪胎模型三種類性。疲勞分析輪胎模型，可以由內部函數構造產生、也可以從輪胎數據庫中直接選擇

14、模型，許可用戶直接輸入試驗數據，可選擇SAE971100論文用于車輛動力學分析及整車實時試驗的輪胎模型的有效性所述的模型。用于評價振動噪聲NVH研究中應用的輪胎模型有更加詳細的輪胎結構，模型使用非線性材料，可以選擇B.G.KAO等人研究成果：輪胎瞬態分析與顯式有限元程序論文一一輪胎科學與技術所應用的模型。用于動力學分析的輪胎模型能反映三維自由和強迫振動，可適應高頻諧波和隨機激勵的自由振動和接觸振動模態。用戶可以根據分析目的選擇不同的輪胎模型，一般給出輪胎型號很快即可完成輪胎建模工作。圖4碰撞計算研究用假人模型圖5碰撞計算障礙物模型模型數據庫還有碰撞計算研究用的假人模型、碰撞計算障礙物模型等可供

15、用戶引用。可見，應用VPG軟件最大限度地方便用戶建模，簡化了計算數據準備工作，同時保證模型的質量和可比性。3 .提供了全面的路面載荷。VPG軟件提供了標準典型的路面模型，是通常整車試驗標準考核路面，例如：交替擺動路面(AlternateRoll)、槽形路(PotholeTracks)、鵝卵石路(CobblestoneTracks)、大扭曲路(BodyTwistLane)、波紋路(RippleTracks)、搓板路(Washboards)以及比利時石塊(BelgianBlock)等。用戶可以輸入和保存自己的路面數據，也可以用任意三維數據構造特定的路面。VPG軟件當前提供了美國MGA汽車試驗場數字

16、化數據庫，并且準備錄用中國海南汽車試驗場路面數據。圖64 .從分析內容方面講，VPG計算技術分析內容是多樣化的。一個分析模型可以進行疲勞壽命計算、振動噪聲分析計算、車輛碰撞歷程仿真、碰撞時乘員安全保護等多種結構非線性分析。同時還可以進行整車非線性運動學和動力學計算，用來進行整車舒適性、高速行駛性能和操縱穩定性研究。疲勞分析可以根據計算結果整理出疲勞曲線進行壽命預測。振動噪聲計算結果可以進行富利葉變換，進行NVH評價。碰撞仿真結果用于結構碰撞性能研究和依據FMVSS法規對乘員的安全作出評價。圖7碰撞仿真模擬運動學和動力學計算可輸出內外輪角(AckermanAngle)、轉動半徑(TurnRadi

17、us)、內傾剛度(RollStiffness)、回轉半徑(ScrnbRadius)、前束角(ToeAngle)、內傾(KingpinInclination)、剎車點頭和加速沉尾(Anti-dive/Anti-lift)、外傾角(CamberAngle)、后傾角(CasterAngle)和縱向擺動(Front/RearRoll)等參數，進行整車性能評價。5 .求解器是基于高度非線性軟件LS-DYNA進行整車系統非線性分析。從這個角度看,VPG技術是一個高度非線性分析軟件的一個汽車專用接口軟件和支持它的數據庫。6 .計算結果后處理完全基于現代計算機圖式化平臺上，可以產生實時動畫、疲勞預測、應力應變

18、圖、數據信號變換、繪制數據曲線圖形等。從以上所述內容不難看出，VPG技術和傳統CAE技術比有很大的特點和進步，分析使用方法也大為簡化和方便了。例如：(1)在整車分析中，避免了傳統CAE分析部件間受力關系難以確定的困難，如在車身隨機響應疲勞分析中，避免了分析者必須通過樣車試驗確定懸掛支點對車身作用力譜，再對這些作用力譜濾波、強化、數字化和對車身支點施加譜載荷譜表等一系列復雜工作(對車身譜分析而言)。對懸掛轉向系統運動學和動力學分析而言，不必將車身簡化為剛體，車身對懸掛轉向系統的彈性和非線性變形影響可真實計入計算分析中，從而提高了分析精度。(2)以整車為分析對象，邊界條件只有路面和車速。這樣分析載荷實現了規范化、標準化，使計算結果更加真實準確，可比性提高。因為路面載荷數據庫是全面和權威的(如美國獨立的汽車試驗場MGA路面庫)，也可以是本公司使用的自行考核試驗路面，分析結果更加真實可信。(3)計算是高度非線性分析，分析中包含了結構非線性因素、車身