CAE技術在汽車設計中的應用及作用研究

摘要：現代社會快速發展，汽車設計及制造水平全面提升，尤其以CAE技術為代表的技術應用，對提升在汽車設計水平有十分積極的意義。文章闡述了CAE技術的基本概念，分析了該技術在汽車設計中的應用價值。從車架有限元模型構建、汽車安全性能分析及定位誤差建模等角度，分析了汽車設計中CAE技術的應用要點。

關鍵詞：CAE技術;汽車設計;作用

前言：

改革開放以來，我國社會經濟全面發展，人們的生活水平越來越高，汽車消費能力也逐步增強。新形勢下，消費者對汽車的性能、安全、功能性及外觀美觀度等方面都有了更高的要求，汽車設計水平備受關注。在當代汽車設計中，CAE技術的應用價值越來越受認可，值得相關從業者進行深入探究。

一、CAE技術概述

CAE技術即計算機輔助工程技術，是一種建立在計算機軟件、數據庫基礎上，通過數據計算、信息分析、虛擬模型等方式，為相關設計工作提供支持的綜合性技術。在現代工業設計中，涉及到的設計要素較多，尤其是在精細化、精密化設計中，不僅要對各類要素進行科學融合，還要考慮美觀度、實用性、安全性等方面的需求。顯然，傳統單純依靠人員進行設計，設計效率和質量無法得到保障，甚至完全無法開展設計工作。從技術發展趨勢來看，CAE與當下各個領域設計工作中常用的CAD軟件有一定相關性，但其功能更為強大，且更為智能化，在以汽車、工程為代表的工業設計中有非常好的應用前景[1]。

二、CAE技術在汽車設計中的作用及應用價值分析

（一）兼顧多方面需求，提高設計效率

汽車是一種極其復雜的工業產品，一兩普通家用汽車由超過一萬個不同類型的零件、裝置構成。從零部件的結構形式，到各個功能板塊的協調運行，再到基于用戶使用場景、維修場景的實用性需求，汽車設計需要考慮的內容非常復雜。顯然，CAE技術的應用，事實上為設計人員提供了一個基礎數據模型和技術模型，有利于快速進行參數整合、設計評估。同時，汽車設計往往需要負責多個板塊的設計人員進行合作，而CAE技術應用場景下，可以通過計算機軟件平臺進行多方協作設計，提高溝通效率及設計效率[2]。

（二）降低設計風險，提高設計質量

汽車系統的設計，對各個板塊的設計質量要求極高，任何失誤都可能導致后續汽車制造乃至使用期間出現問題，造成嚴重后果。而在CAE技術應用背景下，可以基于標準化設計體系，對設計過程進行實時監測，對出現的異常參數發出預警，提醒設計人員進行處理。同時，在需要用到一些新的設計思路時，可以通過虛擬模型對設計思路可行性及合理性進行評估。在設計環節，可以輔助設計師進行設計優化，提高設計環節的可控性，降低設計風險。

（三）降低研發成本，提高行業效益

現代汽車設計事實上需要在相對清晰的技術基礎、市場發展趨勢背景下，對各類資源進行優化配置，在滿足消費者需求、安全標準、技術應用標準的基礎上，降低研發成本和造價。CAE技術的應用，可以便于設計人員綜合各類技術、材料及市場分析報告，對設計方案的直接研發成本、遠期成本進行分析，甚至可以配合市場部門進行市場前景分析。顯然，這有助于提高汽車工業設計水平，降低汽車研發成本和造價，促進行業效益的全面提升[3]。

三、CAE技術在汽車設計中的應用要點

（一）構建車架有限元模型

現代汽車設計中，車架設計關系到汽車技術結構、外觀效果、安全性能等環節，因此在車架設計中通過使用CAE技術，構建有限元模型。例如，通過CATIA軟件，對汽車車架和主要構件進行模型建造，模擬車架梁體、主要承載構件及零件結構特征，結合各個構件的質量參數，模擬質心位置[4]。然后，對車架、輪胎及路面邊界，使用剛性單元模擬輪胎，再通過彈簧單元模擬輪胎運行狀況，讓車架結構中各個組件形成有序整體。在安全設計方面，通過軟件模擬汽車受到垂直沖擊的工況，當壓力作用于車架時，各個構建的受力情況及變形情況，借此分析該種設計方案下車架的靜態安全因子值。比如，某小型汽車車架設計環節中，通過模擬垂直沖擊工況，得出車架最小靜態安全因子為1.005，超過材料及車架結構的安全系數，說明其符合安全要求。然后，再將車架四個輪胎升高0.2m，此時車架本身承受比較大的彎曲及扭轉應力，測出縱梁最小靜態安全因子參數為0.410，小于車架結構及材料的安全系數，說明在該工況下車架安全性是不足的，需要進行針對性優化。

（二）汽車安全設計及性能分析

在汽車設計中，安全設計是十分關鍵的環節，從局部到整體設計，都需要考慮其安全性。汽車碰撞及防撞性能試驗十分重要，傳統設計工作中，往往要按照設計方案制造實體樣品來進行碰撞試驗，效率低且會造成研發成本過高。而通過CAE技術的應用，可以直接通過軟件模擬各種工況下汽車碰撞時各個位置的受力變形情況，并對安全防護系統的工作狀況進行模擬分析。待持續優化到一個理想方案之后，再進行實物試驗，通過該方式提高了安全設計效率和質量，同時也減少了研發成本。

（三）汽車定位誤差建模

前文提到，汽車設計也涉及到大量精密設計內容，各個部件的定位精準性，會直接影響系統功能。在汽車基礎構造及功能體系設計完畢之后，通過CAE軟件模型，對各個部件及零件的定位點進行精確設計，降低組件定位誤差，確保汽車制造質量達到設計要求。同時，通過全方位、精確性的模擬分析，避免鑄件缺陷，減少試模次數，縮短汽車研發周期。這對降低研發成本、提高汽車企業市場競爭力，也有積極的意義。

結束語：

綜上所述，如今社會經濟快速發展的背景下，汽車工業也發展迅速，社會汽車保有量大幅度提升。為了滿足市場越來越高的汽車使用要求，以及多樣化的汽車應用需求，汽車設計工作越來越復雜化。在汽車設計中，CAE技術的科學應用，對提高設計效率、降低設計工作壓力有積極意義，同時也有助于縮短汽車產品研發周期，降低研發成本，促進汽車行業的健康發展。

參考文獻：

[1]劉同舟.基于CAE技術的汽車零部件輕量化設計研究[J].黑龍江交通科技，2021，44（5）：121，123.

[2]趙戰鋒.基于氣輔注射成型工藝CAE優化的汽車手柄模具設計[J].中國塑料，2020，34（3）：78-84.

[3]王國鋒.CAE技術在汽車設計中的應用研究[J].時代汽車，2020（10）：96-97.

[4]何建林，白志鵬.基于Moldflow的汽車前格柵的CAE優化分析與模具設計[J].模具技術，2019（1）：27-31.

作者簡介：劉釗，1989年6月，男，籍貫山東，碩士學位，工程師，研究方向為NVH和整車操控性能。