基于CAE技術的汽車產品設計制造研究

周宏睿

摘 要：隨著汽車產業的不斷發展，CAE技術在汽車產品設計制造中的應用越來越廣泛，CAE技術能夠有效提升汽車產品設計的效率和創新能力，對縮短周期，降低設計成本，提高汽車產品的競爭力有著重要的作用。文章對基于CAE技術的汽車產品設計制造做了簡要的研究，旨在推進CAE技術在汽車產業中的不斷發展。

關鍵詞：CAE技術；汽車產品；設計制造

前言

隨著經濟的發展和社會的進步，汽車已經成為人們日常生活中一項重要的工具，汽車行業的競爭也日趨激烈，如何不斷創新汽車產品設計制造方式，生產出在安全性、舒適性、操作性等各個方面綜合性能都比較優良的汽車至關重要，CAE技術是現代設計過程中的重要手段，對汽車產品的設計制造有著重要的作用。

1 CAE技術在汽車產品設計制造中的作用

CAE技術在其產品的設計制造中的作用巨大，在汽車產品的概念設計階段，CAE技術就能夠針對一些性能及可靠性的問題給予解答，這就給汽車產品的設計師提供了強有力支撐，CAE技術數據量豐富、成本低廉，并能夠找到并揭示出本質問題，這就對提高汽車產品質量、加快研究速度、降低開發成本有著積極的影響。

1.1 提高設計功能，縮短制造周期

CAE技術能夠實現在汽車產品的設計階段就發現設計中潛在的一些問題，幫助設計師及時的通過修改設計方案來解決問題，優化設計，這就有效提高了汽車產品的設計功能，縮短了在設計階段確定汽車結構參數等過程所需要的時間，從而縮短了整個汽車的制造周期。CAE技術主要是通過汽車安全性分析、動力學仿真分析、應力應變分析等一系列的分析方式來確定在設計中出現的潛在問題的，這些分析方式的科學性較強，準確性較高[1]。

1.2 減少開發次數，節約試驗經費

CAE技術能夠實現在設計的過程中在計算機上建立一個虛擬的樣車模型，汽車產品的設計工程師能夠在計算機上對樣車模型進行各種性能的動態分析，這種分析方式代替了傳統的實物樣車實驗，大大減少了開發的次數，同時計算機上的樣車模型分析不需要耗費零部件制造樣車，節約了制造經費。

這種虛擬樣車的分析方式是一種系統層面的分析，在計算機上進行樣車模型分析相較于傳統實物樣車分析能夠大大簡化汽車中一些機械設備的研發過程，虛擬樣車分析能夠利用CAE技術將繁瑣的汽車性能動態分析簡單化，使分析的結果精確化，這對提升汽車產品的性能有著重要的作用。

1.3 有利于制造出性能優越的汽車產品

就目前來看，許多汽車制造商在利用CAE技術進行汽車產品的設計制造過程中，過于重視CAE技術在單學科的仿真分析，眾所周知，汽車產品的仿真分析是多學科綜合性的分析，所以在這個過程中必須考慮到不同學科之間的耦合作用及互相影響，過于重視單學科仿真分析會造成整個仿真過程的失聯，影響分析的一致性，導致分析結果出現誤差。通過CAE技術可以建立一個統一的、綜合的學科仿真分析平臺，可以在一個汽車模型的分析中綜合多學科進行仿真分析，實現多學科之間的耦合作用，這樣的仿真分析才能夠展現出模擬車輛的真實狀態，才能提高汽車產品質量的可靠性。

2 CAE技術對汽車產品設計制造中的應用

2.1 基于CAE技術的汽車產品概念設計

概念設計是汽車產品設計制造中的重要環節，汽車產品詳細機構尺寸的許多參數都是在概念設計中確定的，概念設計比較復雜，單單依靠設計者的經驗是無法確定這些參數和數據的。

CAE技術的應用能夠建立車輛產品的數字化仿真分析體系，這種詳細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行狀態，從而獲取大量的實驗數據，這就為汽車復雜的非線性動力學分析提供了荷載條件以及各種動力參數數據。概念設計的主要過程如下：（1）對汽車產品進行目標定位，確定車身、控制系統、發動機燈性能參數；（2）確定車輛總體布置和設計方案，確定各項參數的控制指標[2]；（3）根據CAE技術建立初始仿真模型；（4）對汽車產品仿真模型進行動態分析，確定汽車產品的各項參數指標和整體結構性能。

2.2 基于CAE技術的汽車產品詳細設計制造

2.2.1 車身結構的設計制造。汽車車身機構的設計制造對車身的性能有著重要的影響，薄板沖壓覆蓋件、加強筋以及承載骨架共同組成了車輛的車身結構，在利用CAE技術進行設計制造的過程中，我們可以將車身的機構分成許多個小的單元，每一個單元都有著自己的作用，例如承載作用、傳遞作用等，只有每一個單元的設計得以保證，才能保證整個汽車的正常工作，這種車輛車身結構的分析方法被稱為有限元分析，利用有限元分析能夠針對車身結構復雜的特點將車身結構分成各個單元，有效解決了車身結構中復雜的力學問題。基于CAE技術的有限元分析法可以對車身結構進行模擬的動靜態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心的問題，NVH性能是衡量車輛質量的一個重要指標，這種分析能夠使車輛產品與產品結構中的各個子系統的振動頻率特性相普配，通過對不同振動頻率和振型的子系統進行合理的分布有效的實現了汽車降噪，對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的剛度頻率匹配、點的傳遞函數、BIW動態穩定性等方面的分析。

2.2.3 汽車的碰撞安全性分析。基于CAE技術的車輛碰撞安全分析實現了汽車的正面、側面以及翻滾狀態下的安全性能的模擬分析，這種動態的模擬分析能夠在汽車產品的設計階段及時發現汽車產品的碰撞安全性能方面的問題和缺陷，并提出針對性的優化改進方案，避免安全性能存在問題的汽車產品投入市場。要想保證汽車產品的安全性，其碰撞性能的提升至關重要，在提升碰撞性能的前提下還要盡量使用質量較輕的材料，就目前來看，當今世界汽車設計制造中主流的車身材料為超高強度鋼板及輕質的合金材料。

2.2.4 基于CAE技術的發動機的設計制造。發動機是汽車產品的重要組成部分，是汽車產品行使的動力來源，隨著汽車行業的不斷發展，汽車產品對發動機的要求越來越高，當前質量較好的發動機一般都具備效率高、體積小、低能耗、低排放等特點。組成發動機的零部件結構十分復雜，工作荷載的測定難度較大，在設計制造的過程中會出現各種各樣難以解決的問題，基于CAE技術的有限元法能夠有效解決這些問題，有限元法能夠將發動機中的零部件進行實體建模，從而實現了對發動機的分析設計和制造。例如：曲軸、機體的結構強度分析、發動機進氣道、燃燒室、排氣管道的流暢分析以及動力響應分析等[3]。

2.2.5 基于CAE技術的變速器的設計制造。汽車產品的變速器也是其重要的機構組件之一，基于CAE技術汽車產品變速器的設計制造主要有以下幾個方面：（1）基于CAE技術的變速器強度、剛度及振動要求等方面的設計制造，實現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計，避免因震動影響變速器的正常工作。

3 結束語

綜上所述，利用CAE技術進行汽車產品的設計制造是當前汽車制造業的主要發展趨勢，其對汽車產品設計制造的作用十分巨大，其仿真技術的應用能夠大大降低汽車產品的研發時間和研發成本，對提升汽車企業汽車產品的核心競爭力有著重要的作用，CAE技術有效推動了汽車制造業的發展，汽車產品設計制造中CAE技術的應用也帶動了CAE技術的不斷創新和完善。文章簡要研究了基于CAE技術的汽車產品設計制造，旨在為推進CAE技術全面深入的應用到汽車產品設計制造中做出貢獻。

參考文獻

[1]班欒天.淺談汽車CAE技術應用問題[J].才智，2011，9：59.

[2]柴山，焦學健，王樹鳳.CAE技術在汽車產品設計制造中的應用[J].農業裝備與車輛工程，2005，9：33-36.

[3]郭迎春.汽車行業CAE技術應用與研究[J].重型汽車，1998，5：17-19.