CAE论文

CAE技术在车辆产业中的应用 焦泽宇 北京科技大学 信计1201 摘要：经济发展迅速的现代社会，车辆的应用将越来越广泛，伴随而来的是汽车产业的急速发展，而作为在产品设计中得以极大运用的CAE技术必将极大的应用于车辆产业。介绍CAE技术在车辆生产的前期研发中的应用和研发流程、产品的设计与优化、车辆运行的一些参数的。 关键词：CAE技术、车辆产业、车辆设计、产品测试、展望。 1. CAE技术的概述 CAE（计算机辅助)技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，它的理论基础是有限元法和数值分析方法。有限元法的基木思想是将连续的求解区域离散为一组有限个且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由于单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。数值分析方法是研究适合于在计算机上使用的实际可行、理论可靠、计算复杂性好的数值计算方法，近40年来，数值分析迅速发展并成为数学科学中的一个独立学科。 CAE的核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。主要是用计算机对工程或产品进行性能与安全可靠性分析，对其米来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实工程或产品米来性能的可用性与可靠性。将CAE定义扩展为支持从研究开发到产品检测整个生产过程的计算机系统，包括分析、计算和仿真在内的一切研发活动。 CAE软件集成了有限元法、数值分析、优化设计、图像处理、工程管理学、人机智能工程等多种技术领域，是一种综合性、知识密集型信息产品，CAE软件在功能、性能、前后处理能力、单元库、解法库、材料库等方面进一步完善，版本不断更新，用户界面和数据管理技术等方面已臻于成熟，解决了很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 2. CAE技术在汽车优化设计过程中的作用 CAE技术在汽车产品优化设计过程中的作用集中体现在三方面: (1)CAE技术极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分析过程中采用实体造型和参数化，模型和参数的修改都很方便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。 (2)减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验而言，利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅度减少。 (3)有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车整车和零部件。 当然，从实际应用的角度来说，汽车CAE作用的发挥还依赖于两个重要前提。其一是对CAE技术的熟练掌握，另一个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基本实验数据，是指道路特性数据、各种材料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数的数据库。 参考文献【1】 3.在设计前期引入CAE技术的意义 在激烈的市场竞争的压力下，产品的生命周期越来越短，产品从概念设计到出成品的时间越来越短，设计后期发现的任何设计缺陷都可能推迟新产品的适时推出，并可能大幅度提高产品的成本，因此越来越多的企业已经意识到在设计前期发现并修改设计缺陷的重要性。 图1表示了在产品形成的不同过程中修改设计的成本，从图中可见，若在详细设计阶段发现错误并进行修改的成本是x，则在生产阶段发现错误并进行修改的成本将是100x。 图2表示的是产品形成过程中质量的重要性，从图中可见，75%的错误发生在设计阶段，而这些错误的80%是在制造阶段发现并改正的，这一发现错误、改正错误的滞后，就带来了生产成本的巨大增加。因此需要尽早发现错误，尽快修正错误，越晚修正错误，其造成的影响越大。 采用什么样的技术和方法可以实现尽早发现错误，尽快修正错误的目标呢?CAE技术就为实现这一目标提供了一种强有力的技术上的保证。图3表示了采用CAE技术与不采用CAE技术的设计、制造流程对比情况。 CAE技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、动力学仿真，以得到所设计产品的各种性能，从而指导产品设计，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。如在汽车产品的设计中采用CAE技术，在汽车概念设计的同时，进行静态、动态分析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地改进这些缺陷和错误，可以大大地减少样车的制作和试验时间。参考文献【2】 4.CAE在汽车工业中的应用领域 汽车设计和汽车制造是汽车工业的两个重要组成部分，是一个有机整体，是一个系统工程;汽车设计是前提和基础，汽车制造将设计完成的汽车转化为实物，制造能力很大程度上决定了汽车设计的方式、水平。 汽车工业中的CAE技术包含两大类:汽车设计CAE技术和汽车制造CAE技术，两者是一个有机系统，相互促进，缺一不可。 4.1结构、疲劳、噪声振动舒适性(NVH)分析 结构、疲劳分析主要包含整车，各子系统，各零部件的模态、刚度、强度、疲劳分析。例如:白车身、副车架、后桥、吊挂支撑、安全带支架等零部件的模态、刚度、强度。 NVH是指影响汽车乘坐和使用环境等重要因素的振动噪声性能;主要分析包括整车、子系统、零部件的模态、刚度分析，受到发动机、路而等激励时的频率响应分析，以及车内的噪声分析等。主要分析软件有:NASTRAN,ABAQUS,FATIGUE ,SYSNOISE等。 图1是汽车结构分析中最常见的强度分析，通过分析得到的应力云图，可以判断汽车结构是否满足强度要求。 4.2碰撞分析 碰撞方而的分析主要包含:正碰、侧碰、后碰、40%偏置碰和行人保护等。主要分析软件有:LS -DYNA ,PAM -CRASH ,VPG等。 图2是汽车100%正而碰撞变形图，通过分析可以得到汽车各部分的变形、加速度、能量等情况，从而判断汽车的被动安全性能。 4.3多刚体分析 多刚体方而的分析主要包含:动力学及运动学分析。例如:整车的操纵稳定性、平顺性，玻璃升降器，雨刮等系统。主要分析软件有:ADAMS等。 图3是汽车多刚体分析模型，可以进行汽车平顺性、舒适性分析，了解整车行驶时的整体性能，能直观地反映汽车各部件之间是否干涉、最小间隙等。 4.4热、流体分析 汽车的热分析主要有:发动机燃烧、排气管道、刹车制动等热分析和车内空调热管理等。 汽车的流体动力学分析主要有:空气对汽车的阻力、发动机的冷却、车厢里的通风换气、气流噪声、车身表而覆盖件的振动等。 热、流体分析可以有效提高汽车性能，增加乘坐舒适性。在热、流体分析中热流祸合的现象比较常见。 主要分析软件有:STAR-CD , FLOW -3D , FLUENT等。 图4是汽车外流场图[7]，可以分析汽车的风阻能、表而压力及空气速度等。 4.5冲压成形分析 冲压方而的分析主要包含:汽车上各种冲压件的冲压过程分析，主要判断冲压件结构是否合理及其优化，冲压工艺是否合理及其优化，模具设计是否合理及其优化，以及零件展开、精确地求解下料尺寸、排样、模具报价等;还能预测冲压过程中的材料拉裂、起皱位置，材料的料厚变化以及回弹等圈。 主要分析软件有:DYNAFORM,AUTOFORM,PAM-STAMP等。 图5是汽车尾灯支架拉延成形分析得到的成形极限图。 4.6锻造分析 锻造方而的分析主要包含:汽车上各种锻件的成形过程分析，如各种轴、连杆等锻件。主要分析各种金属成形过程中的金属流动，提供极有价值的工艺分析数据及成形过程中的材料和温度流动。 主要分析软件有:DEFORM , SUPERFORM等。 图6是操纵连杆热锻成形温度云图，可以判断零件在热锻过程中应力、应变、温度的分布。 4.7铸造分析 铸造方而的分析主要包含:汽车上各种铸件的成形过程分析，如发动机缸体等。主要分析各种液态、半固态成形过程中的金属流动，提供极有价值的工艺分析数据及成形过程中的金属流动和温度变化，预测疏松、夹杂、缩孔、浇不足等缺陷。 主要分析软件有:PROCAST,MAGMA等。 图7是某零件铸造过程的温度云图，可以根据铸造过程中的温度云图、固相率云图等判断可能出现铸造缺陷的位置。 4.8塑料成形 塑料成形方而的分析主要包含:汽车中的塑料件成形分析，如大灯、仪表盘、杂物箱等。可以分析不同工艺、模具结构时塑料熔体在整个注塑过程中的流动情况及温度分布，优化浇口位置和加工工艺参数、预测制件可能出现的收缩和翘曲等缺陷〔“〕。 主要分析软件有:MOLDFLOW等。 图8是汽车杂物箱注塑成形的温度、流场图，可以看出注塑过程的材料流动过程及温度分布，从而判断零件的熔接痕位置、产品翘曲等缺陷。 参考文献【3】 5.CAE优化分析实例 5.1参数化建模技术设置设计变量实例 利用参数化建模软件将有限元模型或全新的车身主断面结构转换成参数化模型. 建模采取点、线、截面、接头和梁、自由曲面、白车身的方法建立参数化模型，见图4，参数化模型随参数变化而变化.白车身参数化模型由于线条简单，每次新变化的参数化模型均可自动生成有限元模型.通过对不同参数组合的结构优化，选取最佳参数组合. 5. 2网格变形技术设置设计变量实例 利用网格变形软件将参考车有限元模型的拉伸、投影和移位等过程录制为参数，见图5.该参数通过模块控制可控制不同分析类型的计算模型，也可控制不同规模(部件级、车身级和整车级)分析模型的同一morphine部位，以实现多学科综合优化的功能。 5. 3以网格变形参数为变量的优化分析实例 (1)根据技术要求将拉伸、投影和移位等morphing过程录制为参数. (2)利用iSight生成DOE矩阵，产生若干个设计变量，再将DOE输入产生若干个变量模型进行计算，最终在iSight中通过分析响应面选出最优结果. (3)将老款车型白车身弯曲刚度、扭转刚度、模态值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度等作为约束，以白车身质量为目标进行优化分析. 5. 4优化分析结果 白车身弯曲刚度、扭转刚度和模态值在保持基本不变的状态下，白车身质量大幅降低，计算结果见表1. 优化前、后正面碰撞分析结果对比见图6，加速度第一峰值降低5g，有效加速度降低0.7g. 参考文献【4】 6.CAE应用中存在的问题、以及相应对策 尽管CAF技术在我国汽车行业中正逐步得到推广和应用，但由于起步较晚，无论在应用深度和广度上，与国外先进水平相比存在小小的差距。这种差距小仅体现在理论基础和技术水平上，也体现在试验的支持和软件的使用水平上，更重要的是缺少成熟的分析标准和分析流程。