CAE技術在汽車設計中的應用研究

王國鋒

摘 要：汽車設計是一項復雜的工作，零件多且結構復雜，在整車研發過程中，涉及到流體、結構、溫度、電磁、NVH及車輛動力學等多方面知識。現代化汽車設計必須顛覆傳統的技術方法。CAE技術具有很強的先進性、仿真性，應用在汽車設計中，可大幅度提升汽車研發設計的能力，指導新產品的研發設計，優化產品結構與性能，達到降本增效的目的，從而提升汽車生產企業的市場競爭力。本文結合理論實踐，簡要闡述了CAE技術的定義，分析了CAE技術在汽車設計的應用現狀并提出具體的應用路徑，以期為汽車設計提供參考和幫助。

關鍵詞：CAE;汽車設計;車身覆蓋件;汽車碰撞

在我國社會經濟飛速發展的背景下，人民生活水平不斷提升，對汽車的舒適性、安全性等提出了更高要求。目前在汽車設計中常用的技術是CAE技術，尤其是在汽車零部件和整車設計中，具有無法替代的作用。通過CAE技術來分析產品的可靠性和性能，從而找出產品設計存在的問題并得到及時解決，進而提升汽車設計質量。

1 CAE技術的定義

CAE（Computer Aided Engineering）指的是計算機輔助工程技術，是計算機技術和工程分析技術相互結合的一種新型技術，CAE技術應用的基礎理論為有限元法和數值分析法。有限元法的基礎思想是將一個具有連續求解特性的區域，離散成一組，并按照相應方式方法，連結到一起的單元組合體。但單元自身形態變化多端，甚至可以模擬幾何形態復雜的求解區域。而數值分析法則是一種專門研究，適用于計算機上使用的實際可行、理論可靠、計算復雜的數值計算機方法，經過多年的演變和完善，數值分析已經發展為一門獨立的學科。

CAE技術應用的關鍵技術包括：有限元技術、虛擬樣機運動技術、動力學仿真技術等，主要機理是通過計算機來一些產品和工程的性能、質量、可靠性、安全性等進行分析，并對未來的工作狀態、運動行為等在計算機軟件上進行模擬，從而提前發現設計缺陷的，同時證明工程和產品在未來使用中可行性和可靠性。CAE技術結構組成非常復雜，涉及到的內容繁多，包括：有限元、數值分析、優化設計、圖像處理、工程管理、人工智能等，具有很強的先進性、綜合性，目前市面上應用最廣泛的CAE技術包括：Nastran、Ansys、Abqus、Algor、Marc、Strand7等。

2 CAE技術在汽車設計中的應用現狀

隨著科學技術的飛速發展，CAE技術愈發先進，被廣泛應用在各大工業領域，汽車生產行業普遍引入CAE技術并貫穿于整車開發的概念、工程化、試驗驗證等各個階段，主要體現在以下幾個方面：

第一，我國很多汽車生產廠家，都比較認可CAE技術對汽車設計分析的準確性和可靠性。

第二，聯合使用CAE技術和CAD技術，可構件汽車設計和分析一體化，大大提升汽車設計效率，縮短設計開發周期，提升企業的市場競爭力。

第三，在整車的設計及驗證改進過程中，CAE始終處于核心地位。

第四，在汽車領域CAE技術的應用范圍仍然在不斷擴大。比如應用的對象從最開始的零部件級擴展至整車級、從靜力學至動力學，從傳統結構分析優化到流體、熱管理及電磁兼容仿真等。

就目前CAE技術在汽車設計中的應用現狀，無論是應用的深度還是廣度，都遠遠滯后于美國、德國、日本等發達國家。現階段，我國CAE技術在汽車領域的應用深度還不足，缺乏可以參考和借鑒的經驗及啟示，也缺乏統一的CAE技術分析標準和流程[1]。此外，仿真過程中生成了海量數據及文檔報告，如何有效管理仿真文檔是CAE技術深化應用必須解決的問題。在此種狀態下，汽車生產制造企業需要組建高水平、高專業性的CAE技術應用團隊，擴大CAE技術的應用范圍，提升CAE技術的應用深度，同時也要構建完善系統的CAE技術分析流程和標準，進一步提升CAE技術在汽車設計中分析的精確性和可靠性。

3 CAE技術在汽車設計中的應用

3.1 在汽車結構強度設計分析中的應用

對汽車而言，自身的結構強度是保證汽車安全性、可靠性的關鍵指標，因此，汽車結構設計完成之后，必須對結構強度進行全面分析，應用CAE技術進行汽車結構強度分析，可保證分析結果的準確性。通過CAE技術可對汽車結構強度進行靜力學仿真、傳力路徑識別、模態振型提取等。

在結構強度分析中，應用CAE技術進行靜力分析，可得到結構的總體應力、位移分布情況等，從而獲知汽車結構在一定工作荷載之下，是否仍然可以保持穩定性、安全、可靠性，以及那些部分存在應力集中，那些結構強度不足，從而進行有針對性的改進設計，保證汽車結構強度符合要求。

在特征值分析中應用CAE技術，可獲知汽車結構的一些固有頻率、振型等，保證設計人員可以及時找到和分析出引發結構振動的主要原因，對結構進行改造設計，從而避免車輛在行駛中因為共振發展安全問題[2]。

在瞬態動力分析中應用CAE技術，可準確計算出汽車結構在動荷載影響下發生應力、位移的變化情況。比如：汽車在以一定的速度通過顛簸路段時，形成的沖擊荷載，會導致一些零部件發展發生變化，為優化汽車結構設計提供相應的數據支持和理論指導。

3.2 在車身覆蓋件計算仿真中的應用

和其他零部件相比，汽車車身覆蓋件的尺寸規格比較大，形狀也比較復雜，多呈現空間自由曲面，制造過程比較復雜，涉及到幾何非線性、材料非線性、復合接觸、摩擦等，任何一個環節處理不當，都會影響設計效果。而傳統制造中多由沖壓形成，但沖壓的工序、參數等都要通過大量實踐才能獲知，是一個試錯逼近的過程，不但會造成大量財力、物力、人力的無故消耗，而且制造成本比較高， 周期比較長，難免滿足實際需求。應用CAE技術可大幅度提升車身覆蓋件設計效率，縮短設計周期，可進行大范圍推廣應用，主要包括以下內容：

第一，通過塑性CAE技術和動態顯示格式相互結合方法，可對大型覆蓋沖壓過程進行計算機仿真模擬研究，快速獲得沖壓工序和相關參數等數據。

第二，利用對CAE技術對板坯的形狀、性能、規格等進行綜合分析，從而快速獲知各種因素的影響條件，降低回彈修正對模量設計造成的影響，保證設計效果，更好的符合汽車性能和結構穩定性的需求。

第三，通過動力顯式CAE技術和預壓加載相互結合的方法，可各沖壓工序之間的相關性、繼承性等進行全面分析，實現大型覆蓋件沖壓過程的完整工序仿真模擬[3]。

第四，回彈對大型覆蓋件的影響比較大，因此，當回彈結束之后，需要通過CAE技術對沖壓覆蓋件的形狀、理想誤差形狀等進行全面分析，從而控制缺陷的約束條件。并對坯料各個參數進行全方位的迭代優化，直至獲得最優的工藝參數組合形式。

3.3 在汽車碰撞安全性分析中的應用

汽車在使用過程中，難免會發生不同程度的刮碰，汽車的行駛軌跡，內部駕駛人員及其他乘員的具體運動狀態無法準確獲知，大大提升了汽車運動方程和求解的復雜性[4]。車輛發生碰撞后，其運動規律無章可循，在激烈的碰撞狀態下，汽車車身可能會發生不同程度的變化，導致人體和車身之間的距離縮小，造成方程求解工況較為復雜。而汽車碰撞安全是衡量汽車性能的主要指標，也是顧客購車的主要參考依據。而即便是無人駕駛的汽車安全碰撞試驗，也是破壞性試驗，成本非常昂貴。而將CAE技術應用到汽車碰撞安全性分析中，可有效降低成本和代價，提升汽車碰撞的性能，保證乘員及行人的安全性，CAE技術在汽車碰撞安全性分析的應用主要體現在以下幾個方面：

第一，通過CAE技術分析汽車碰撞，可實現車身、車架變形和動態響應，快速獲得準確有效的數據。

第二，可充分研究人體在多種碰撞時條件下的響應情況。

第三，可實現多體動力學計算，降低碰撞安全分析的難度。

將CAE技術應用到汽車碰撞安全性分析中，可對乘員約束系統如：安全氣囊、安全帶、被動約束等系統進行仿真模擬，也可以進行汽車碰撞受害人員的計算機仿真模擬及碰撞事故再現仿真模擬，從而為汽車設計人員設計汽車安全性能提供必要的數據參考和理論指導[5]。

3.4 在整車系統性能仿真中的應用

汽車復雜的結構系統、苛刻多樣的工作環境以及汽車行駛時所受路面的動態激勵載荷等諸多因素，使得很難對汽車的整車系統性能進行仿真模擬。隨著科學技術的飛速發展，CAE技術的也在不斷進步，美國的eta公司，基于ANSYS/LS-DYAN軟件平臺，開發出來虛擬試驗場技術（VPG技術），可對汽車整車系統的性能進行計算機仿真模擬，有效解決了整車性能仿真模擬瓶頸問題。VPG具有非常完善且正在不斷擴大的數據庫，可為客戶提供全面的懸架系統模型、輪胎模型、標準道路條件、碰撞安全條件等，使得汽車整車性能分析更加便捷，分析條件也更加標準化[6]。可使在開發設計階段的汽車在模擬的標準道路上試驗形式，從而對汽車的整車性能進行預測，發現問題及時處理，降低汽車設計研發的費用，減少投資風險，縮短企業研發時間，從而提升企業的市場競爭力，獲得更大的經濟效益。

4 結束語

綜上所述，本文結合理論與實踐，研究了CAE技術在汽車設計中的應用，研究結果表明，汽車設計是一項非常復雜、系統、技術含量高的工作，工序繁多，內容繁雜，任何一個環節控制不當，都會影響汽車的設計效果。而CAE技術的日趨成熟和廣泛應用，不僅大大降低了汽車設計的難度，而且還能有效節約成本，縮短設計周期。在汽車設計階段進行靜態、動態分析，平順性和操縱穩定性仿真模擬，能及時發現設計中存在的問題和缺陷，通過對缺陷和問題的改進，降低了設變的風險以及由此造成的經濟成本，縮短了汽車制造和試驗的時間。因此，將CAE技術科學合理的應用到汽車設計中，幫助企業獲得更多效益，實現可持續發展。

參考文獻：

[1]李紅偉，孫洪霞，劉昭.CAD/CAE技術在機械設計與模具設計中應用[J].工程技術研究，2018，No.17（01）：240-241.

[2]陳伊娜.基于某車型翼子板典型案例的沖壓CAE分析重要性研究[J].中國高新科技，2018（7）：89-91.

[3]盧海山，王志奇，彭德其.融合CAE技術的過程設備設計實驗教學改革與實踐[J].廣東化工，2019（14）：207-208.