CAE技術在汽車設計中的應用探析

黃智達

（佛吉亞歌樂電子（廈門）有限公司，福建 廈門 361000）

本文按照理論聯系實際的思路，對CAE技術的定義、作用及步驟進行了簡要介紹，重點論述了該技術在汽車設計中的具體運用方法，最后對該技術應用于汽車設計上的重要價值進行了分析。

1 CAE技術概述

1.1 CAE技術的定義

CAE是一種計算機輔助技術，可細分為工程信息化輔助設計技術和制造業信息化輔助設計技術。CAE技術的研究主要集中在分析、計算、模擬等方面，其核心是以現代計算力學為基礎的有限元分析技術。

1.2 CAE技術的應用范圍

目前，在常用的CAE軟件中，ANSYS軟件可以用來求解結構、流體、電力、電磁場及碰撞等問題。LSDYNA軟件可用于解決高速碰撞、爆炸和金屬成型問題，MARC軟件主要用于進行靜力分析，隨機震動分析失效和破壞分析等。FloEFD是一款通用流體傳熱分析軟件，可完全嵌入到NX、Solid Edge、Creo、Catia等主流三維設計軟件中。Moldflow仿真軟件主要用于塑料產品的注塑成型仿真。AutoForm仿真軟件主要用于鈑金件的成型仿真分析。

一些設計軟件本身也帶有CA E分析模塊，如CATIA軟件的創成式有限元分析功能（Generative Structure Analysis）可以對結構件進行強度分析、隨機震動分析及沖擊震動分析。SolidWorks軟件中的motion和simulation功能插件也可以對零件進行運動仿真和強度校核、傳熱分析。

1.3 CAE分析的步驟

（1）前處理。對設計好的3D模型進行網格劃分、材料設定、約束條件設定及節點的載荷設置。前處理是一個很關鍵的過程，網格越精細，設置的約束條件越接近實際狀態，得到的結果會越接近實際值。

（2）求解。設計軟件根據用戶輸入的信息以及軟件的模型解析方法進行運算，不同的軟件求解方法各有差異。求解速度則和計算機的運算能力成正比，在設置條件及軟件相同的情況下，計算機運算能力越強，則其計算時間越短。

（3）后處理。根據軟件的解析報告，結合產品設計要求及實際經驗判斷產品是否滿足要求，給出改善和優化建議[1]。同樣，CAE的計算結果也需要以形象的圖形輸出，如生成位移圖，表示應力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應力、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，或者隨機械載荷和溫度載荷變化生成表示位移、應力、溫度、壓力等分布情況的動態顯示圖。

2 CAE技術在汽車設計中的具體應用

2.1 汽車結構強度分析

汽車的結構強度是保證汽車安全性和可靠性的重要指標，所以在汽車工程領域，結構強度的計算非常常見。進行汽車結構強度分析通常采用有限元方法。由于汽車的結構非常復雜，因此大部分的分析計算都集中在對汽車的某些重要部件或總成（如車架、懸架、傳動系等）的計算中。分析的內容包括靜力分析、特征值分析、動態分析等。結構的應力、位移分布可由靜力分析得出。根據結構的應力分布，可以判定結構在工作負荷下的安全可靠性，結構的哪些部位會出現應力集中，哪些部位的強度不足，從而為改善結構設計提供依據。通過特征值分析可以求得結構的固有頻率以及相應的振型。利用動態分析方法，可以得到車輛在動態荷載下的應力、位移等物理參數的變化。例如，當車輛在崎嶇不平的路面上以某一速度行駛時，其應力和位移在碰撞荷載作用下的具體數值以及數值的變化情況，都可以通過動態分析方法獲得[2]。

2.2 實際應用分析

某汽車安全蓋體積為50 mm×50 mm×60 mm，材質為ADC12，材料密度為2.7 g/cm3，最大形變強度為170 MPa，平均壁厚為3 mm，質量為68 g。該零件的工作狀態由底部的4顆螺絲決定，車輛頂部有一面在距離頂部35 mm處能承受的最大作用力為100 N，且最大應力小于1/2的屈服強度，最大形變位移小于0.1 mm。產品緊固后一階共振頻率大于1 000 Hz。

2.3 零件結構強度及模態分析

首先將初步設計的3D導入到分析軟件中，選擇分析項目，設置產品材料，對零件進行網格劃分，設置固定點，并施加載荷，完成設置后點擊運算即可。通過采用CAE軟件進行分析，可以看到該零件最大應力位置在根部的四個圓角區域，最大應力值為8.37 MP，小于1/2屈強度85 MP，滿足設計要求。該零件變形的最大位移部分在該零件的頂部位置，變形的最大位移為0.0051 mm，小于要求值0.1 mm（見圖1）。

圖1 應力、形變位移、共振頻率結果

汽車行駛時，由于路面不平，發動機、傳動系統和車輪等旋轉部件會引起汽車振動。通常路面不平是汽車振動的根本原因。普通轎車車身振動頻率大致為5～50 Hz，假設要求產品設計時要避開這些振頻以防止零件產生共振。通過CAE分析可知，該零件安裝狀態下，其一階共振頻率為4 039.32 Hz。

2.4 汽車結構優化

“以最少的成本獲得最大的收益”是沿用至今的正確理念[3]。因此，結構優化設計的基本思路是：在保證結構正常運行的條件下，追求最輕的結構（或最低成本）。隨著現代計算機技術的發展、有限元方法的不斷完善，結構優化設計也逐漸發展起來，并在實際工程中得到了廣泛應用。采用優化設計方法，在滿足設計、制造、使用等約束的前提下，對產品的結構、工藝參數和結構形狀參數進行優化設計，使產品結構性能和工藝過程達到最佳。

減輕質量、保證碰撞安全、降低噪音是今后汽車車身結構發展的趨勢。國內外許多汽車制造商都把CAE技術運用到了結構設計中。使用CAE工程分析與預報技術，可以使設計者在零件定型和投入生產之前進行優化，通過優化結構實現降低成本、提升品質、保障安全的目的[4]。

通過以上分析，對厚度為3 mm安全蓋進行結構優化。優化后產品厚度為1.5 mm，外形不變，凸臺底部的圓角由原來的2 mm改為4 mm，材質不變。修改后零件質量為40 g。對其進行CAE分析，可以看到該零件最大應力部位在根部的四個圓角區域，最大應力值為29.2 MP，小于1/2屈強度85 MP，滿足設計要求。該零件形變的最大位移部位在該零件的頂部位置，形變的最大位移為0.0266 mm，小于要求值0.1 mm。其一階共振頻率為2 568.5 Hz，大于1 000 Hz，滿足要求（見圖2）。

圖2 應力、形變位移、共振頻率結果

2.5 汽車碰撞安全性分析

汽車碰撞安全性測試對于保障汽車安全具有不可替代的作用。人們曾經嘗試利用理論分析的方法，對汽車碰撞時的變形形態進行預測，并對汽車結構進行耐撞性評估，以實現結構的設計與改進。汽車碰撞仿真研究的重點是車體結構剛性設計和碰撞仿真。車體結構剛性設計的目的在于通過對車體結構進行能量吸收，以保證最大限度地吸收碰撞能量，確保乘客的安全。目前，汽車車體結構的防撞性研究多以非線性有限元理論為基礎，而最準確的方法是車身結構的整車有限元分析，但是這種分析必須在大型甚至是超大型計算機上進行[5]。

在傳統的汽車碰撞安全性測試工作中，是先制作一輛樣車，然后再進行實際的碰撞測試，以檢驗其安全性，經濟成本巨大。而將CAE技術應用于汽車設計中，使設計人員能夠利用計算機模擬技術來模擬不同的碰撞狀況，從而滿足設計時所需的碰撞測試要求，并確認汽車在碰撞后的變形情況。在這種模式下，不僅精確模擬了各種碰撞場景，獲得更加豐富的碰撞數據用于之后的分析，還大大節約了經濟成本，降低了人力物力財力的消耗。

3 CAE技術在汽車設計中的重要價值

CAE技術在汽車零件的設計和開發中得到了廣泛的應用，對克服整車的振動疲勞、提高零件的強度和整車的運行穩定性等都有很大的幫助。通過將CAE技術運用于汽車的設計和開發，能夠有效提高汽車的設計質量和性能。因此，CAE技術在當今的汽車設計和開發中起到非常重要的作用，具有極高的應用價值[6]。

3.1 降低研發成本

由于汽車本身結構復雜，設計人員在進行實際設計時，既要充分了解其結構特點，又要考慮到未來的使用環境，所以在設計的過程中，往往要在方案設計、樣車設計、樣車試驗和改進等環節反復更正。將CAE技術引入到汽車的設計中，可大大降低實驗次數，從而降低研發成本。

3.2 降低設計風險

相對于傳統汽車設計來說，CAE技術能夠在試驗之前，提前對其結構合理性和性能影響做出評價和預測，并對不合理的部位進行優化。通過CAE技術可以在設計初期就規避一些潛在的風險，降低開發過程中出現問題的概率。

3.3 縮短設計驗證周期

相比于傳統設計中資源消耗極大的現象，CAE分析技術先通過計算機模擬出最佳的設計狀態，再進行模擬樣機制作，從而保證設計零件能夠一次性通過試驗測試要求[7]，最大程度地縮短設計驗證周期，提升設計效率。

4 CAE技術的不足及發展

盡管CAE技術已廣泛應用于汽車設計領域，并發揮了非常重要的作用，但CAE的分析結果僅能用于參考，不能作為最終確定性結果。同時由于CAE的分析軟件眾多，分析方法和計算方式也會存在差異，造成額外誤差的出現。

汽車市場的飛速發展，給CAE技術帶來了前所未有的機遇，同時也對CAE技術發展提出了新的要求。在未來的發展中，可將CAE與人工智能結合，提高分析效率和分析的準確性。設計者僅需要輸入設計要求，便可以獲得準確的分析數據及由軟件自動優化的三維結構，更加貼近實際的仿真結果。采用CAE技術通過對實際仿真數據進行匹配校正優化，使仿真更具有實際意義。

5 結束語

CAE技術已經融入汽車設計和生產的整個過程，為汽車工業的發展做出了巨大的貢獻，是精細化設計不可缺少的工具。本文對CAE技術在汽車設計領域的應用進行了研究，提出了具體的應用方法，論述了其在汽車設計中的重要價值。在下一步的工作中，需要區分不同功能、不同車型特點，進行有針對性的研究開發。綜合來看，本文立意新穎、觀點明確、方法正確，對于采用CAE技術進行汽車設計，從而不斷提升汽車設計效率具有一定的指導意義。■