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1、ANSYS对中国汽车工业的解决方案2005-3-21美国ANSYS股份有限公司 专业资料一、 中国汽车工业现状中国汽车特别是轿车工业有了巨大发展，到2000全年整车产量达206.9万辆， 车型由单一品种发展到客货并重、大中小系列产品的可喜局面。但是，和市场要求比，产品技术水平差距还很大。在国内外汽车市场激烈竞争的局面下，产品技术质量已成为各厂家的第一生命线。国外名厂已进入我国汽车业，合资产品已大批量投产。但是基本上还是走“散件装车-引进消化图纸-逐步国产化”的道路。造成了“产品批量生产之时即是市场淘汰之日”被动的局面，实践证明这种CKD(Complete knock down)方式是装不出自己
2、的汽车工业的。中国汽车的一个重要战略制高点自主的产品开发能力尚未形成。“中国汽车必须建立自主的产品开发能力！”已是政府和企业的共识。CAE 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极大帮助。ANSYS是最早通过ISO9001质量认证的设计分析软件，其全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽车行业所需的各种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界面的易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。国际上，在广泛应用ANSYS进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计链中必须的常规，没有有限元分析的设计不能进入下一个技术流程。新车
3、开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。这就可以使得企业集中力量于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。可以说，没有CAE应用，则没有产品的高质量，没有CAE则没有自主的产品开发能力。二、 现代汽车设计的新特点现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展。夹在质量和成本间的汽车设计数据空间越来越少。这就提出了精益设计等一系列课题，主要表现是： 图1电机实物图2磁场分布1电子和电器产品比重不断加大。新的电磁产品例如：电喷、ABS、安全气囊
4、开起等等控制系统核心都是电磁产品。汽车机电一体化速度加快。汽车电子产品，工作条件恶劣同时对产品性能和可靠性的要求又极为严格，产品一旦失效，将造成对安全的威胁，所以汽车的电磁分析及电磁兼容性（EMC）研究已提到了议事日程。EMC 研究涉及电磁热流体压电结构的多学科交叉分析。传统的有限元分析软件已不能满足电磁产品精益设计要求。具有多物理场仿真功能的有限元分析软件ANSYS为此提供了合适的工具。在设计中，采用场路结合的方法模拟电机电磁场分析，取得部件磁场分布。例如：气隙磁场、转子力矩、空载及负载的特性帮助产品设计。Fisher公司使用ANSYS分析轻而易举地解决了电动机定向晶粒钢材非线性磁流限值问题
5、，达到提高钢材磁密度的同时减少铜线的损失，设计轻量化电机。图6抛物线形少片弹簧中国船舶七院712所，应用ANSYS对同步电动机磁场分析和优化设计，效果良好 图3 空载轴向磁感应势 图4 负载轴向磁感应势 图5总体结果2非线性分析进入实用化。世界事物的本质是非线性的。传统设计中常常简化为线性，是因为过去非线性分析往往无法实现。现在，精益设计呼唤非线性分析。ANSYS软件强大方便的非线性能力满足了这个要求。图6 为一少片弹簧的非线性分析例题。3系统分析成广范应用 汽车结构是一个复杂的系统。相关部件间的载荷传递，一般无明确的规范，单零部件的工况就不甚明确，这给汽车另部件分析增加了困难；而今ANSYS
6、为汽车业提供的解决方案允许将分析对象扩大至总成系统、直至整车。从而绕过了零部件内部复杂的受力关系这一难题。使得分析结果更加符合实际。图7 双横臂式前悬挂系统 图8 悬挂车轮系统分析结果 4动力学分析和弹性体分析结合。传统上动力学分析对象只能是刚体，应力分析的弹性体只能是被约束的。例如图7的悬挂系统的动力学分析现在不需要对各机构部件刚化，可以在考虑结构弹性的同时分析其运动情况和工作时间的应力响应。可以大幅度提高分析精度。 三、 ANSYS在汽车工程中的应用目前，国际上大多数企业将新产品开发工作分为四个主要阶段：开发时间18-36个月。第一阶段市场策划阶段。 通过市场调研，设定市场定位，建立新产品
7、目标。图9 缸体概念设计草图 图10 基于概念设计分析结果第二阶段概念设计和可行性研究：ANSYS的引入对降低开发成本、缩短研制周期是效果最为显著的阶段。ANSYS可以帮助总设计师粗略确定车身、发动机等主要总成的拓扑和结构参数。分析虽然不是最后精确的结果，但可以使总师作到“心中有数”，以便能够向设计工程师布置明确的设计任务，分配强度、刚度、质量等设计控制指标，从而保证设计控制指标既是高水平的又是可行的。（图9、10）。第三阶段产品设计和原型车确认：大量应用ANSYS的阶段，是得到优化设计的关键ANSYS支持全部产品零部件设计，帮助工程师应用现代技术进行强度、刚度校核和优化设计，保证产品设计水平
8、。第四阶段确认设计，解决设计存在的问题，针对样车试验中暴露的问题，ANSYS可以进行专项分析，诊断问题原因、验证对策可行性，将问题解决在市场投放之前。这个阶段已经有完全的技术资料，所以进行各种更详细、更精确的分析，建立评价标准和结果档案。四、 ANSYS对整车分析的解决方案图10整车碰撞现代汽车设计以整车为对象的分析提到了实用阶段。ANSYS“虚拟实验场”代表了整车分系统析软件的新高，它包括结构、连接件、机构、轮胎等全部非线性因素，计算更加真实。“虚拟实验场”技术提供了除车身结构以外的，例如悬挂、轮胎、减振器、假人、空气囊等FEM模型数据库，建模型特别方便。载荷方面提供了各种标准的实验场路面载
9、荷谱、标准的障碍物，因而结果更加真实可信、可比性高。同一模型可以进行多项分析，从整车结构疲劳、振动分析、碰撞到整车动力学分析和相应的结构评价。图11 碰撞时空气囊打开仿真模拟在安全性方面，整车碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护分析（安全气囊气袋-乘员响应），结果可以依据FMVSS 法规评价。 ANSYS“虚拟实验场”技术可以达到在样车试制前就取得试验场实验结果，这在缩短产品开发时间，节省研制费用，减少投资风险方面原因深远。ANSYS的计算流体动力学分析功能可对整车进行空气动力学计算，解决高速行驶中的湍流、升力、阻力（图12）。图12 汽车的流体动力学分析五ANSYS对零部件设计中的解决方案1 发
10、动机机体发动机机体同时承受高着热负荷和机械负荷工作，本质上是多物理场偶合工作体，ANSYS多物理场分析的功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。图13 V6发动机实物 图14 发动机整体模型ADAPCO公司用ANSYS详尽地进行了某V6 发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和热结构耦合分析（图13，14）。对产品开发作用特别明确。1.1柄连杆机构运动件 图15 曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分析活塞、曲柄连杆等运动件是高热/机械负荷部件，因为往复运动，其质量对整个发动机性能非常重要。 ANSYS分析热和机械载荷下的形状及应力为设计提供依据。 连杆强度向来是发动机设计关键，ANSYS柔体柔体
11、接触计算功能可以准确模拟连杆与大头盖、主销、曲柄销间联合工作状况。这是ANSYS 系统分析功能和强大的接触功能体现。 ANSYS曲轴结构分析和模态分析功能计算出曲轴扭转与弯曲模态，通过频率优化达到减震效果。ANSYS的疲劳计算功能，精确的计算曲轴传统疲劳强度，同时还可计算出曲轴的强度因子，从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命。应用ANSYS对曲轴轴颈及油膜进行流-固耦合分析评价高曲轴的耐磨性。曲轴连杆机构运动件的重量优化设计，不仅是节省材料及发动机重量降低，运动件质量对改善发动机整体的工作状况特别有效，ANSYS形状优化的功能可以对活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺寸进行优化设计。1
12、.2 机体：缸盖、箱体、缸套图16 缸盖、箱体分析图17 上海柴油机公司利用ANSYS热分析功能模拟某型号发动机机体热冲击实验，根据分析结果改进结构，效果明确。机体、缸盖的热分析特别重要，热疲劳是失效和“拉缸”主要原因，为保证可靠性与耐久性，应用ANSYS分析机械和热负荷下的刚度、强度是设计师的首选。ANSYS可准确地计算出机体的自振频率及模态。以控制噪声源。此外ANSYS可模拟机体的热冲击实验、热-结构耦合分析可计算出机械负载、热负荷双重作用下机体的变形，应力分布。流体-结构偶合分析轴承油膜状态进行润滑系设计等等。13 气机构：进排气门、气门弹簧、摇臂、推杆、挺杆、凸轮轴、正时齿轮图 18
13、大连机车车辆厂利用ANSYS结构分析找到了构摇臂座裂纹发生的原因。提出改进方法。配气机构影响发动机性能，要求进行精确计算。ANSYS系统分析能够考虑配气机构中各个部件的弹性变形，从而取得比刚体假定更精确凸轮-气门规律。 气门弹簧承受高频交变载荷，伴随着多气门设计的发展趋势，弹簧尺寸限制更大， ANSYS非线性瞬态动力分析及疲劳分析的功能，可较好地解决非线性变节距弹簧高应力破坏及疲劳损坏问题。排气阀受高速冲击载荷、受高温燃气冲刷，ANSYS热结构耦合分析可仿真，热疲劳分析预测可靠性都是十分有效。配气机构分析中存在着大量的接触问题，ANSYS高级接触单元、接触向导、智能化接触参数设置的功能引导设计
14、工程师方便、有效、快速地进行配气机构的非线性分析，解除了计算者非线性参数选取试凑的苦恼，大大加速了分析进度。 图19 进气螺旋 图 20 消声器热分析 图21 增压器涡轮分析 1.4 进排气系：空气滤清器、进排气道、增压器、消声器进排气系统的设计关系到结构-热-流体-声的综合作用，是典型的多物理场问题。ANSYS计算流体动力学可计算气道的流场分布、压力分布、温度分布、湍流动能、湍流耗散率，得到气道几何形状对进气效率的影响，；通过ANSYS独一无二的流场优化功能，可使发动机由于进排气阻力而造成的功率损失减至最低。进排气系是汽车噪声的重要噪声源，ANSYS声场分析和声场优化可求解出声压分布及分贝级
15、别，通过对消声器的声流体结构耦合的优化仿真，可大大降低排气噪声、减小排气阻力。增压器涡轮有轮-轴过盈配合、超高速旋转、和叶片振动等严格的工作条件，ANSYS协助用户完美解决了工程中提出的多项技术问题。1.5 燃油供给系：油箱、油泵、高压油管燃油喷射和进气螺旋关系到燃烧充分和排放，ANSYS流体动力学分析及优化功能允许设计师在物理样机制造之前考查多种气道方案得到最优设计。 图22 散热片流-固耦合分析 图23散热器模态分析国家已经禁止化油器车销售，电喷技术普遍应用，通过电控实现智能燃油供给，提高功率和控制排放，ANSYS多物理场仿真技术可模拟电喷过程的“电磁结构多场耦合”的工作状况，为电喷系统的设计提供了从性能评价到结构设计的完整解决方案。1.6 冷却系：冷却系设计焦点是结构、空气、水、油和热的流动和传递过程，分析项目主要是计算流体力学和偶合分析。ANSYS分析得到冷却系统内的流动、温度分布、与结构壁面的对流换热系数等，从而为冷却系的设计提供参数。图24 齿轮滚动接触分析2 传动系：变速箱、离合器、万向节、主减速器、差速器、半轴、液
