CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的運(yùn)用探討

閆海東　孫明

摘要：汽車工業(yè)的快速發(fā)展，使得國內(nèi)汽車自主研發(fā)能力進(jìn)一步增強(qiáng)，傳統(tǒng)的汽車設(shè)計(jì)方法已不能滿足現(xiàn)狀，CAE技術(shù)逐步成為整車開發(fā)中的核心技術(shù)。CAE 技術(shù)改變了傳統(tǒng)的整車開發(fā)模式，對于進(jìn)一步縮短產(chǎn)品的研發(fā)周期、降低產(chǎn)品的開發(fā)成本具有重要的意義。本文系統(tǒng)闡述了CAE技術(shù)在汽車工業(yè)中的地位和作用，對CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)行了介紹，分析了當(dāng)前CAE技術(shù)的現(xiàn)狀，并提出了CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；汽車設(shè)計(jì)；應(yīng)用

0前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和居民生活水平的提高，消費(fèi)者對汽車舒適性提出了更高的要求。CAE技術(shù)作為整車開發(fā)中的核心技術(shù)，在汽車零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中發(fā)揮著越來越重要的作用。計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）包括工程和制造業(yè)的許多方面，主要是指使用計(jì)算機(jī)對產(chǎn)品進(jìn)行可靠性分析、性能分析等，并對其潛在運(yùn)動模式及失效形式進(jìn)行仿真模擬，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)缺陷，在此基礎(chǔ)上對產(chǎn)品進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以滿足產(chǎn)品的可靠性能和耐久性能。

1CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的作用

CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)過程中得到了廣泛應(yīng)用，覆蓋了汽車設(shè)計(jì)和制造的各個環(huán)節(jié)，包括諸如整車振動及疲勞、整車操縱穩(wěn)定性及平順性、零部件結(jié)構(gòu)強(qiáng)度等方面。CAE技術(shù)的使用極大地提高了產(chǎn)品的設(shè)計(jì)質(zhì)量、性能，降低了產(chǎn)品的研發(fā)成本，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期。可以說，CAE技術(shù)已在汽車產(chǎn)品開發(fā)過程中處于無可替代的地位。

CAE 技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中的作用體現(xiàn)在四個方面：

（1）減少研發(fā)成本：傳統(tǒng)意義上的汽車產(chǎn)品研發(fā)需不斷重復(fù)設(shè)計(jì)、試制、測試、改進(jìn)過程，CAE技術(shù)的運(yùn)用使得汽車產(chǎn)品問題可以通過仿真得以解決，從而提高了設(shè)計(jì)質(zhì)量及效率，大幅降低了研發(fā)成本；

（2）縮短開發(fā)周期：改變了傳統(tǒng)汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中僅依靠經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行定性分析的局限，通過使用定量分析可在較短時間內(nèi)嘗試更多設(shè)計(jì)方案，更快獲得最佳產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案，為結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師提供設(shè)計(jì)參考，減少設(shè)計(jì)過程盲目性，從而縮短開發(fā)周期；

（3）降低設(shè)計(jì)研發(fā)風(fēng)險：通過使用CAE技術(shù)對汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)方案階段的結(jié)構(gòu)和性能進(jìn)行預(yù)先評估，可大大降低新產(chǎn)品的設(shè)計(jì)研發(fā)風(fēng)險；

（4）優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)：通過CAE技術(shù)可進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，通過優(yōu)化汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)參數(shù)以達(dá)到輕量化，進(jìn)一步減輕整車重量，增強(qiáng)整車操縱穩(wěn)定性和行駛平順性。

2CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、疲勞及NVH分析

汽車結(jié)構(gòu)、疲勞分析主要包括整車、各子系統(tǒng)及各零部件的強(qiáng)度、剛度和耐久特性等，如進(jìn)排氣系統(tǒng)、底盤系統(tǒng)等子系統(tǒng)的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)，白車身、副車架、懸置安裝支架等零部件的強(qiáng)度、剛度、模態(tài)。NVH特性主要是指影響汽車乘坐及駕駛環(huán)境的振動噪聲性能，主要包括整車、各子系統(tǒng)及各零部件的模態(tài)，主要為發(fā)動機(jī)、路面激勵的頻率響應(yīng)分析、噪聲分析等。

2.2汽車安全性能分析

汽車的安全性能直接關(guān)系到駕駛員及乘客的生命，如何提高車身的防碰撞能力是汽車被動安裝亟須解決的問題之一。使用CAE技術(shù)對汽車碰撞過程進(jìn)行仿真模擬，主要包括正碰、側(cè)碰、后碰、40%偏置碰和行人保護(hù)等方面。因碰撞屬于大變形的非線性問題，實(shí)車模擬碰撞往往試驗(yàn)成本較高，仿真模擬可以大幅度降低試驗(yàn)成本。

2.3汽車多體動力學(xué)分析

使用多體動力學(xué)對汽車動力性能進(jìn)行仿真，預(yù)測并優(yōu)化整車的動力性能，可提高汽車產(chǎn)品性能，縮短研發(fā)周期，降低研發(fā)成本。多體動力學(xué)主要包括動力學(xué)和運(yùn)動學(xué)仿真，主要包括整車的操縱穩(wěn)定性、平順性，汽車玻璃的升降功能，雨刮器的運(yùn)動等。

3CAE技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢

3.1應(yīng)用現(xiàn)狀

CAE技術(shù)在我國汽車行業(yè)中的應(yīng)用較廣，經(jīng)過多年的推廣和應(yīng)用，其在汽車產(chǎn)品研發(fā)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。具體表現(xiàn)在：CAE技術(shù)分析方法的精確性和準(zhǔn)確性得到了中國汽車企業(yè)的普遍認(rèn)可；CAE分析與CAD設(shè)計(jì)同步，進(jìn)一步增強(qiáng)了設(shè)計(jì)與分析一體化；CAE技術(shù)已逐步成為設(shè)計(jì)過程中必不可少的環(huán)節(jié)；CAE分析范圍不斷擴(kuò)大，對象由零部件到整車、從線彈性分析到多物理場耦合分析。

同國外先進(jìn)技術(shù)相比，國內(nèi)CAE技術(shù)在應(yīng)用的廣度和深度上、理論基礎(chǔ)和技術(shù)水平上尚存在一定差距。現(xiàn)階段，我國汽車行業(yè)的應(yīng)用深度不夠，團(tuán)隊(duì)經(jīng)驗(yàn)和積累較少，汽車企業(yè)普遍缺乏完善的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)和流程。基于此，汽車企業(yè)要加快自身CAE團(tuán)隊(duì)建設(shè)，拓寬CAE應(yīng)用領(lǐng)域，并提高CAE應(yīng)用深度；建立并完善企業(yè)自身的CAE分析流程、規(guī)范及評價指標(biāo)；正確認(rèn)識試驗(yàn)與CAE分析技術(shù)之間的關(guān)系，進(jìn)一步提高CAE分析技術(shù)的準(zhǔn)確度。

3.2發(fā)展趨勢

汽車工業(yè)作為機(jī)械制造業(yè)的中堅(jiān)力量，其能力直接反映了一個國家制造業(yè)的發(fā)展水平，世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國的發(fā)展無不與汽車工業(yè)有著極其密切的關(guān)系。作為機(jī)械制造業(yè)的標(biāo)桿，汽車工業(yè)一直以來都是高新技術(shù)應(yīng)用的急先鋒。

計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展，使得計(jì)算機(jī)仿真軟件不斷更新完善，進(jìn)一步強(qiáng)化了CAE技術(shù)的應(yīng)用范疇。更多領(lǐng)域的CAE技術(shù)將被應(yīng)用到汽車工業(yè)中，多學(xué)科的相互滲透、多場耦合，更系統(tǒng)全面地為汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)服務(wù)；分析對象由宏觀向微觀發(fā)展，無網(wǎng)格有限元技術(shù)將代替現(xiàn)有的有限元網(wǎng)格技術(shù)，遺傳算法、神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等優(yōu)化算法的運(yùn)用，成為未來CAE發(fā)展的趨勢；網(wǎng)絡(luò)化的運(yùn)用，也極大地促進(jìn)了CAE技術(shù)的發(fā)展。

4結(jié)論

隨著科學(xué)技術(shù)水平的不斷提高，汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中將不斷地引進(jìn)CAE技術(shù)，并將其普及到各個領(lǐng)域。CAE技術(shù)也將最大限度的發(fā)揮其自身優(yōu)勢提高汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)和質(zhì)量，以其自身的直觀性實(shí)現(xiàn)汽車設(shè)計(jì)的真實(shí)性，推動自身發(fā)展的同時促進(jìn)汽車設(shè)計(jì)行業(yè)的發(fā)展。

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