CAE技術及其在車輛設計開發中的應用

如今，CAE技術在車輛設計和開發領域已經得到了越來越廣泛的應用。本文首先介紹了CAE技術對于車輛設計和開發的意義，然后從車身構造分析、車輛NVH分析、車輛被動安全分析、發動機構造CAE分析、變速器CAE分析這幾個方面，研究了CAE技術在車輛設計和開發階段的應用。

【關鍵詞】CAE技術 車輛 設計 開發 應用

當前汽車行業的競爭愈演愈烈，汽車生產企業也必須要進行創新和改良，提高自己產品的安全性、實用性、美觀性、經濟性等，從而保證企業生產的汽車能夠在市場上占據一定的地位。在設計與開發汽車產品時，CAE技術和相關軟件可以起到十分強大的輔助作用，成為了車輛設計開發必不可少的工具。

1 CAE技術對于車輛設計和開發的意義

1.1 提升車輛設計功效，縮短車輛開發時間

在設計產品時，利用CAE技術展開應力解析、動力學仿真解析、安全性研究以及震動噪音分析等，都可以使相關問題在設計時期就充分暴露出來。這樣一來，工作人員就能夠針對這些問題對汽車產品進行改良與完善，從而極大地提高了車輛性能，減少了參數指定所耗費的時間。

1.2 運用模擬樣機降低開發及研究的成本

如果在計算機中樹立起模擬汽車形態，工程師與設計人員就可以根據這些模型展開各式各樣的分析，并改良設計方案，以數字化的手段代替原始的實物樣機測試。模擬樣機屬于系統方面的解析系統，所以對設計方案以及生產過程會產生極大的影響。妥善應用模擬樣機技術，能夠在很大程度上降低汽車產品的開發難度，縮減生產時間，提升車輛產品質量與性能。

1.3 利用多學科系統，制造出性能優秀的整車

當前，車輛設計開發領域中有許多CAE技術是以單學科仿真為基礎而進行的。這樣很可能導致計算結果比較片面，使得數據出現偏差。如果構建起科學、統一的多學科仿真平臺，就能夠同時展開各種不同學科的CAE分析與研究，并針對單一模型進行全方位考慮，結合各個學科之間的相互影響及作用，生動而形象地模擬出車輛運作的過程、形態，提高車輛產品的制作精度與可靠性。

2 CAE技術在車輛設計和開發階段的應用

2.1 車身構造分析

汽車構造大部分都是由負載骨架、覆蓋件以及多種加固筋而形成。從有限元分析角度看，車輛構造可以拆分成多個元素，比如板塊、實體等部件構成的整體。這些元素都能夠起到一定的負載作用，或是可以傳播外界負載，確保車輛能正常運作。構造中的每個元素都有著自己的特點，且結構較為復雜，一部分結構件運作條件不佳，長期處于振動或沖擊之下，要提升車輛產品的工作性能，就要找到適當的分析方法。對于車輛構造分析而言，有限元法可以較好地處理形態復雜的力學相關難題。幾乎所有的車身構建都能夠運用有限元法展開靜態分析或動態分析，以及固有特點分析，同時還能夠依據原本的工程構造特征實施非線性分析。

2.2 車輛NVH分析

噪音污染已經排在了全球三大污染源之一，而振動與噪音的產生又存在不可分割的聯系。所以，相關人員應當結合車輛本身在運行過程中產生的振動、噪音、舒適度與高速行駛帶來的噪音展開研究探索，盡力改良并優化整車構造，降低噪音。

2.3 車輛被動安全分析

現階段，車輛的被動安全問題已成了全球各國共同關注的問題之一，大多數國家都制訂出了相關法律法規及NCAP評估制度和程序，提倡對汽車產品進行碰撞測試。這種測試能夠推動CAE技術的發展，讓汽車響應模擬碰撞環境帶來的影響，并虛擬出安全氣囊打開的全部過程，為設計師提供強有力的參照根據，并在車輛發生碰撞事故時盡可能地維護乘客的人身安全。

2.4 發動機構造CAE分析

對于汽車來講，發動機是一切動力的根源，也是汽車運行所必備的設施。當前新型汽車飛速發展，人們對發動機的要求也日益提高。汽車發動機所需要的零件較為復雜，有的問題甚至無法運用力學處理。有限元法則打破了傳統理論的束縛，能夠用于處理繁瑣的場分布運算等相關問題。其主要功能是：

（1）進行發動機曲軸、機體等零部件的結構剛度解析；

（2）能對缸蓋、機體與活塞連桿組的熱度進行分析；

（3）可以對曲軸、活塞連桿組與活塞環等部件的使用情況進行分析，還可以做出模態分析及屈曲分析；

（4）能夠對進氣口、燃燒室和排氣管的流場進行分析，并對動力響應與聲場作出分析等。

圖1里展示的即是某企業設計師做成的發動機曲軸分析，這一分析利用了Pro/Engineer軟件進行模型建造，并采用Pro/Mechanism軟件對曲軸實施構造分析，通過構造分析更精確地獲得了結構剛度分析的邊緣條件，最后再經由Pro/Mechanica軟件得出了曲軸準確的應力應變情況。

3 結束語

從眾多實踐結果可以看出，全球汽車工業的發展趨勢已經說明了CAE技術的成功。CAE仿真技術的運用與仿真流程的普及能夠在很大程度上減少汽車產品的研究與開發時間，從而提高生產效率，促進汽車行業快速發展，而汽車行業的發展也將進一步帶動CAE技術的改良。所以，有效利用CAE技術可以使汽車行業步入一個良性循環過程。

參考文獻

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作者簡介

傅家豪（1993-），四川省達州市人。現在供職于西華大學汽車與交通學院，主要從事車輛設計和大學生成長成才研究。

作者單位

西華大學汽車與交通學院 四川省成都市 610039