汽車CAE仿真流程在工程機械中的應用

李凱 吳書男

摘? 要：CAE仿真技術在汽車中應用十分成熟，技術的應用貫穿了汽車研發設計的全過程，對降低產品的開發成本和縮短產品研發周期具有重要的意義。工程機械行業相比汽車行業來說，CAE仿真技術尚未系統化的應用。文章借鑒汽車行業CAE仿真流程，結合工程機械行業的具體現狀，給出工程機械行業CAE仿真流程的方法和思路，為工程機械的CAE仿真提供參考。

關鍵詞：CAE仿真流程;工程機械;汽車

Abstract： The application of CAE simulation technology in the automobile is very mature， and the application of the technology runs through the whole process of automobile research and development， which is of great significance to reduce the product development cost and shorten the product development cycle. Compared with the automobile industry， CAE simulation technology has not been systematically applied in the construction machinery industry. This paper draws lessons from the CAE simulation process of the automobile industry， combined with the specific situation of the construction machinery industry， gives the methods and ideas of the CAE simulation process of the construction machinery industry， and provides a reference for the CAE simulation of the construction machinery.

引言

仿真技術在汽車中應用十分成熟，已形成整套流程和規范、技術的應用貫穿了汽車研發設計的全過程中，對降低產品的開發成本和縮短產品研發周期具有重要的意義，推動了汽車制造業的蓬勃發展[1-6]。工程機械雖然在設計過程中引入CAE仿真手段，但相比汽車行業來說，尚未系統化的應用。如何借鑒吸收汽車行業的先進經驗，迅速提高工程機械的仿真水平，進而提升工程機械整體研發水平顯得尤為重要。本文借鑒汽車行業CAE仿真流程，分析汽車行業CAE分析流程在工程機械仿真計算應用的具體思路，為工程機械CAE仿真方法提供一些參考。

在汽車行業，CAE仿真流程步驟大體可分為仿真分析項的制定、性能目標的確定、CAE仿真計算分析與優化以及驗證與改進四個步驟，貫穿產品研發的整個流程。其具體的流程成熟而規范，工程機械在參照采用的時候，不能完全照搬，必須針對工程機械的研發現狀進行改進，下面介紹仿真流程如何在工程機械的設計過程中進行應用。

1 CAE仿真流程

1.1 仿真分析項的制定

在汽車行業，在方案階段制定分析項，計算分析內容包括法規項（碰撞安全等）、結構剛強度和疲勞耐久、NVH、多體動力學和CFD等。具體分析的項已形成規范，按照規范和具體產品要求執行即可，這樣既可保障分析內容的全面性，又避免做無用分析。

同樣，在工程機械行業，在項目方案階段制定詳細的CAE計算分析項。首先對工程機械相關法規標準要求、作業工況下結構的剛強度及疲勞耐久性能、工程機械作業工況下多體運動、整機作業下的NVH及CFD性能進行全面梳理，并結合當前公司的CAE計算分析能力，制定CAE計算分析項。若公司的CAE仿真計算能力暫時難全面覆蓋所有計算分析內容，則要優先保證標準法規和結構疲勞耐久相關CAE項的計算分析，因為這些項是致命性能，直接關系到產品的使用性能和作業安全，并且在產品驗證階段進行設計變更的成本巨大。所以對這些分析項做為最優先保證的性能項。其余分析項比如NVH和多體運動等項，直接關系到產品的品質和競爭力，在產品的研發過程中進行仿真技術的積累，盡量開展相關項的仿真分析。

1.2 性能目標的制定

在汽車行業，在制定完計算分析項后，接著進行CAE性能目標的制定。性能目標的制定在產品研發過程中是最為重要的一步，首先要確保性能目標能達到產品的設計要求，即性能目標在滿足標準法規的同時趕超競爭對手的標桿車水平。其次性能目標還要充分考慮產品的成本，過高的性能目標必然造成成本過高，不利于產品的競爭力。所以性能目標的制定的原則是確保超過競爭對手，并且成本最低。汽車行業CAE性能目標的制定主要是參考標桿車，對標桿車數據進行逆向、在逆向數據的基礎上對計算分析項進行逐項仿真計算分析，充分評估標桿車的CAE計算分析性能。接著根據仿真計算的結果和標準法規的要求，逐項制定仿真計算分析項的性能目標。

對于工程機械行業CAE仿真項的性能目標的制定，參照汽車行業的做法，進行標桿車的數據逆向和CAE仿真計算分析，通過計算分析結果和標準法規的要求進行性能目標的制定。汽車行業特別重視這塊工作，但工程機械行業暫時尚未注意這塊工作的重要性。通過對標仿真分析，可以把標桿車的性能目標進行量化，方便進行比較;還可以通過仿真分析，深入分析標桿結構的原理，掌握其設計方法和思路并吸收利用，提高自己的設計水平。同時，在研發的過程中，不斷完善CAE仿真計算分析項性能目標庫，建立標桿產品及公司不同系列產品的性能目標庫，這樣可以為后期產品的開發的性能目標的制定提供參考。

1.3 CAE仿真計算分析與優化

在汽車行業，在產品設計的過程中，CAE全程參與產品的設計工作。在方案設計階段，通過對優化工具和手段，對不同方案進行優化分析進而給出最優設計方案。在詳細設計階段，分TG1和TG2兩個階段，逐項進行CAE分析，并在分析過程中進行計算所得性能目標的管控，對于計算性能不滿足的分析項，需給出優化改進方案指導產品設計，待設計改進完成后再進行分析驗證;對于性能目標滿足的計算分析項，要通過優化工具和參考對標車型，進行優化減重和降本。通過TG1和TG2兩輪的計算分析，基本所有的計算分析項都滿足性能目標的要求，但對于部分性能不滿足項，出于成本和重量的考慮可建議進行讓步接收，這時得組織項目領導和項目專家進行評審，對讓步后的風險進行充分的評估，形成書面的會議紀要后可進行讓步，但出于產品性能的考慮，建議盡量減少讓步。最終在設計數據凍結前，針對凍結版數據在進行新一輪CAE驗證，驗證合格后，對分析報告進行簽字確認后即可進行數據的凍結。

對于工程機械行業，為了貫徹CAE驅動研發設計，CAE應從設計模型的驗證走向前臺，在產品方案的階段介入，對現有方案進行計算分析優化。產品詳細設計過程中，根據產品具體設計數據的不同階段制定仿真分析的輪次。CAE仿真分析在這個過程中最核心的價值就是針對性能不滿足項給出優化方案和進行結構的優化減重分析，對性能不滿足項進行優化使結構設計更加合理，對結構優化減重是在結構合理的同時成本和重量最低。通過優化分析，計算項的性能目標基本滿足要求，同時，對于部分建議讓步的性能分析項應該和汽車行業一樣，進行充分地評審后再進行讓步。接著對凍結版的數據要進行簽審再進行發布，CAE的工作在這個階段不光要對結構進行優化，還要對產品的質量進行把關，確保凍結發布版的數據質量，以減少后期試制試驗和市場上的質量問題。

1.4 仿真計算分析的驗證與改進

在汽車行業，后期的驗證分產品試制和試驗驗證兩個階段，在產品試制階段，對現場相關的質量問題進行的設計，CAE部門必須進行嚴格把關，對改進造成的性能影響的計算分析項進行系統的計算分析驗證，驗證合格后才可以進行相關的更改。

在產品試驗驗證階段，試驗樣車根據產品試驗大綱的要求，進行系統的試驗測試，確保開發的新產品在量產前的可靠性。當仿真和試驗結果出現差異時，對仿真模型進行優化改進，提升仿真分析的正確性。同時在樣車試驗過程中出現質量問題，應系統對問題進行仿真分析，找出問題原因并給出最優的改進方法，進而快速實施改進進行試驗驗證，確保試驗樣車的可靠性。

對于工程機械行業，在產品試制階段，CAE仿真主要肩負質量把關的作用，對試制階段出現的問題進行的相關的改進進行充分地驗證才可實施相關的改進，并同時從CAE的角度給出改進和優化的意見，進而提升產品的性能和可靠性。在產品試驗階段，相比汽車行業來說，工程機械的試驗驗證不是十分充分，但是為了提高后期量產后產品的質量，此階段樣機的臺架試驗和整機試驗驗證能力必須提高，系統的進行零部件的臺架試驗和整機的試驗測試，特別是標準法規和結構耐久強度等致命性能項，必須進行幾個輪次、多樣機的驗證，同時把測試試驗結果和CAE仿真的計算分析結果進行系統的對比分析，找出差異進行優化改進提升，進行提升CAE仿真計算分析的準確性。同時在試驗過程中出現的相關問題和進行的改進，必須進行CAE優化分析和驗證，計算分析性能合格后再進行改進后的實驗驗證，以確保量產前的結構可靠性。

2 結束語

以上給出了在產品研發的整個流程中，汽車行業CAE仿真流程在工程機械行業中的應用。從策劃階段的計算分析項和性能目標制定、到詳細設計階段的計算分析優化驗證，產品試驗驗證階段的計算分析驗證，真正實現了仿真驅動工程機械的研發設計。借鑒汽車行業成熟行業的流程規范，并結合工程機械行業的特點推廣應用，將會大大的促進工程機械行業技術的發展。

參考文獻：

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