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1、CAE技术在产品开发中的应用,汽车工程研究院CAE室,2019年2月24日,内容提要,1.CAE业务概述 2.研究院CAE平台介绍 3.CAE分析能力简介 4.技术展望,1.CAE业务概述,负责公司新产品开发和量产车型质量整改中有关结构强度、碰撞安全、平顺性和流场等方面的计算机仿真设计和性能开发。,1.1 汽车平顺性,指汽车在一般行驶速度范围内行驶时，能保证乘员不会因车身振动而引起不舒服和疲劳的感觉，以及保持所运货物完整无损的性能。由于行驶平顺性主要是根据乘员的舒适程度来评价，又称为乘坐舒适性。研究汽车平顺性的主要目的就是控制汽车振动系统的动态特性，使振动的“输出”在给定工况的“输入”下不超过
2、一定界限，以保持乘员的舒适性。,1.2 计算流体力学(CFD),CFD(Computational Fluid Dynamics)定义：是通过计算机数值计算和图像显示，对包含有流体流动和热传导等相关物理现象的系统所做的分析。它是流体力学的一个分支。 CFD通常包含如下几个主要环节：建立数学物理模型、数值算法求解、结果可视化。 CFD在汽车领域的应用：汽车空气动力学；热管理，通风，空气调节（HVAC）；发动机冷却，燃烧室设计；气体在汽缸和排气系统中流动分析。,1.3 碰撞安全性,汽车碰撞安全性包括主动安全性和被动安全性。其中，主动安全是指汽车预防或回避事故的性能，被动安全性是指碰撞发生后避免乘员
3、受到伤害的能力。 相对主动安全而言，被动安全对保护乘员生命安全具有更直接更现实的意义。目前，汽车被动安全性研究主要方法有汽车实车碰撞和计算机仿真两大类。 汽车实车碰撞能真实地再现交通事故中汽车的实际碰撞过程，但是，汽车实车碰撞是破坏性试验，需要较大的试验场地，研究成本较高。 计算机碰撞仿真技术已经成为汽车被动安全性研究的主要方法之一。该方法成本较低，相应研究周期短，其计算结果可以直接用于汽车的结构设计。但计算机仿真所需要的重要参数和仿真结果的验证，必须依靠汽车实车碰撞试验来提供，两者是相辅相成的。,1.4 结构强度(可靠性和耐久性),可靠性定义：产品在规定的条件下、在规定的时间内完成规定的功能
4、 的能力。 可靠性要素：可靠性包含了耐久性、可维修性、设计可靠性三大要素。 耐久性：产品使用无故障性或使用寿命长就是耐久性。例如，当空间 检测卫星发射后，人们希望它能无故障的长时间工作，否则，它的存 在就没有太多的意义了，但从某一个角度来说，任何产品不可能100% 的不会发生故障。,2.CAE平台介绍,CAE室成立于2006年，现有人员11名；HP工作站Z800 11台；拥有 CAE专业前后处理、结构、多体和流体分析软件。,3.CAE分析能力介绍,结构优化,CAE分析能力,整 车 动力学,整 车 外流场,结构强度,多体、流体和结构,碰撞安全,结构模态,3.1 F3000(64)整车平顺性仿真分
5、析,F3000 驾驶室翻转机构运动仿真(刚柔耦合),局部放大视图,F3000 驾驶室翻转机构运动仿真(刚柔耦合),局部放大视图,3.2 F3000(64)整车外流场分析,F3000牵引车整车外流场粒子流线图,F3000(64)整车外流场分析,图2-15 F3000牵引车整车外流场粒子流线图,图2-8 Y=0.6m处纵向切面速度流线分布图,F3000(64)整车外流场分析,3.3 碰撞安全分析(F3000 64牵引车),碰撞速度：40Km/h,碰撞安全分析(F3000车门位移云图),碰撞速度：40Km/h,碰撞安全分析(F3000车门应力云图),碰撞速度：40Km/h,19,3.4 车架模态分析
6、,第1阶 13.2 Hz,第2阶 17.6 Hz,第3阶 30.0 Hz,第4阶 38.2 Hz,第5阶 48.6 Hz,第6阶 50.1 Hz,20,3.5 车架刚度(弯曲)分析,车架弯曲位移云图(放大5000000倍),21,3.5 车架刚度(扭转)分析,计算公式： 其中： 为车架的扭转刚度值，单位为 F为所施加的单位载荷； dl与dr分别为施加载荷处点的垂向位移； lf为两施加载荷点处的横向距离，后吊耳处加载时，lf=880mm。 将以上参数带入公式得车架扭转刚度： =10.8823.1415926/(5.41687+5.455017) 10-7 180) =12431.91( ),车架
7、弯曲位移云图(放大100000倍),22,3.6 车架强度分析,模拟典型工况，考察评价车架结构性能和设计的合理性,纯弯工况,23,车架强度分析,转弯工况,24,车架强度分析,扭转工况,25,车架强度分析,制动工况,26,车架分析、结构优化和设计改进,优化分析方法,27,车架结构优化和设计改进,实际失效部位与有限元计算结果对比,28,车架横梁连接板结构优化和设计改进,优化方案横梁连接板延长尺寸（拓朴优化）,10,9,8,7,6,5,4,3,2,1,螺栓孔位置,27,车架横梁连接板结构优化和设计改进,优化方案横梁连接板延长尺寸（拓朴优化）,位置6,原始拓朴模型,拓朴优化结果,30,原始设计应力,改
8、进后应力,车架横梁连接板结构优化和设计改进,优化方案横梁连接板延长尺寸（至螺栓孔6位置）,31,车架横梁连接板结构优化和设计改进,优化方案横梁连接板延长尺寸,车架横梁连接板结构优化和设计改进,根据优化结果显示，经过拓扑优化，该处结构优化到了螺栓孔位置6，由此可以得知，选择将连接板延长到螺栓孔位置6就可以满足车架纵梁上下翻边应力降低到疲劳极限范围内， 根据该优化方案，再修改连接板设计。因为拓扑优化过程中没有办法约束设计空间的应力值，所以此处优化结构中，连接板的应力远远超过疲劳极限应力值，需要重新设计该结构。,33,车架连接板结构优化和设计改进,形状优化横梁连接板,原始设计,形状变量,34,车架连
9、接板结构优化和设计改进,形状优化横梁连接板,原始设计应力,改进后应力,35,车架横梁结构优化和设计改进,形状优化横梁,原始设计,形状变量,36,车架横梁结构优化和设计改进,形状优化横梁优化结果,原始设计应力/安全系数:429.518/0.83,改进后应力/安全系数：245.302/1.45 最大应力降低43%,车架分析和优化结论,利用有限元法进行车架的设计和分析，不仅精确可靠，而且周期短、费 用低，具有广泛的应用前景，有限元技术是企业实现技术创新、产品创新的 关键技术。 将有限元分析和结构优化设计方法相结合，一方面在保证车架静力学、 动力学性能的基础上，可进一步降低整车重量和生产成本，显著提高
10、经济效 益；另一方面，在企业通过有限元技术的推广应用，从而在产品开发的初期 及时发现设计缺陷给予结决，尽最大可能消除了设计隐患，提高了产品设计 的可靠性和设计质量，减少和避免了设计后续大量重复性工作和不必要的生 产、试验浪费，将极大提升产品设计水平和企业核心技术的竞争力。,37,3.7 自卸车侧限位支架结构拓扑优化,原始结构模型,拓扑空间模型,结构拓扑优化：结果,拓扑过程,拓扑结果模型,确定设计方案：3D CAD模型 Catia,设计方案 1,设计方案 2,原模型和拓扑后模型静强度对比,原结构26.5kN静载应力分布,改进方案一26.5kN静载应力分布,改进方案一36.5kN静载应力分布,最大
11、应力309MPa,最大应力223MPa,最大应力307.2MPa,改进方案二26.5kN静载应力分布,改进方案二35kN静载应力分布,最大应力232.8MPa,最大应力307.4MPa,原模型和拓扑后模型位移对比,原结构26.5kN静载位移分布,改进方案一26.5kN静载位移分布,改进方案一36.5kN静载位移分布,最大位移0.368mm,最大位移0.2792mm,最大位移0.3845mm,改进方案二26.5kN静载位移分布,改进方案二35kN静载位移分布,最大位移0.3406mm,最大位移0.4499mm,确定设计方案：3D CAD模型 Catia,设计方案 1,设计方案 2,分析结果列表,
12、（最大位移和最大应力均为26.5kN静载情况下的结果）,优化结论,通过计算分析，两个优化模型较原设计模型质量分别减轻了0.381kg（11.42%）和0.47kg（14.09%），最大应力分别减少了27.83%和24.66%,达到了减轻重量和降低成本的目的(原计划减轻重量10%)； 经过拓扑优化的两模型在破坏极限内最大静载荷分别由原模型的26.5kN达到了36.5kN和35kN，使支架的强度分别增加了37.7%和32.1%； 方案二的工艺性相对于方案一更简单，易出模，节约铸造成本。,实际应用情况：,实际装车情况(图片),2010.092011.03：生产安装6万余件；与原始结构成本相同，但重量
13、减轻0.47Kg/件，每台车四件(共计装车1.5万台份)，计节约材料费用：0.47600005000=14.1(万元),3.8 F3000驾驶室车门仿真与试验模态对比分析,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第1阶 28.159 Hz,试验结果 第1阶 27.866 Hz,仿真结果 第2阶 44.740 Hz,试验结果 第2阶 35.485 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第3阶 48.717 Hz,试验结果 第3阶 44.279 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第4阶 54.773 Hz,试验结果 第4阶 46.941 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第5阶 57.808 Hz,试验结果 第5阶 47.481 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第6阶 61.624 Hz,试验结果 第6阶 54.342 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第7阶 69.127 Hz,试验结果 第7阶 56.301 Hz,仿真与试验结果数据对比,仿真结果 第8阶 71.226 Hz,试验结果 第8阶 65.135 Hz,仿真与试验结果数据对比,4.技术展望：十二五期末分析能力拓扑图,
