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1、CAE在汽车设计制造中的应用摘 要本文介绍了CAE的概念、发展及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、汽车结构优化设计几个方面讲述了CAE技术在汽车产品设计制造中的应用。 关键词：CAE，汽车设计制造，汽车动力学，仿真CAE in Car Design and ManufactureABSTRACTThe concept of CAE and development and research of CAE is introduced in this thes
2、is. And it introduced the importance of using CAE in design to reduce errors, shorten the design cycle and improve product design quality. From the structural strength of car, body panels forming process of computer simulation, vehicle crash safety analysis, automotive structural optimization to oth
3、er design aspects, this thesis also introduced the use of CAE technology in the design and manufacture of automotive products.KEY WORDS：CAE，Automotive design and manufacture，Vehicle Dynamics，Simulation目 录摘要IABSTRACTII1 概述11.1 CAE的历史11.2 CAE的发展21.2.1 CAE在国外的发展21.2.2 CAE在国内的发展31.3 CAE的发展趋势51.3.1 扩大仿真分
4、析的范围51.3.2 智能化、人性化51.3.3 网络化61.3.4 我国CAE技术落后的原因61.3.5 CAE今后发展方向及设想62 CAE的相关理论82.1 CAE的基本概念82.2 CAE的基本结构与功能82.2.1 CAE分析的三个步骤82.2.2 CAE软件的结构与功能92.3 CAE的价值102.4 CAE的应用分类122.4.1 整车122.4.2 大总成或者大的子系统122.4.3 零部件和小总成122.5 CAE与CADCAM133 CAE在汽车设计制造中的应用143.1汽车结构强度分析143.2 车身覆盖件成型过程的计算机仿真143.2.1 CAE技术在汽车翼子板拉延模具
5、设计中的应用143.2.2板料成型过程的显式有限元计算153.2.3 初始拉延工艺设计173.2.4 计算机仿真183.2.5 工艺改进193.3 汽车碰撞安全性分析203.4汽车结构优化254 总结26致谢27参考文献28 1 概 述1.1 CAE的历史CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，直到80年代中期的十多年间，CAE软件是处在独立成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法和软件结构。1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。在国内开发比较成功并拥有较多用户(100家以上)的有限
6、元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MFEP4.0等。1985年前后，在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟的、国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、ADINA、ABAQUS、MODULEF、DYN-3D等。就软件结构和技术而言，这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件、其数据管理技术尚存在一定缺陷，它们的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。近15年是CAE软件的商品化发展阶段，CAE开发商为满足市场
7、需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前、后处理能力，进行大幅度扩充；对软件的内部结果和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大的改造。新增的软件部分大都采用了面向对象的软件设计方法和C+语言，个别子系统则是完全使用面向对象软件方法开发的软件产品。这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，这些CAE软件可以在超级并行机，分不是为集群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数
8、学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，软缩短研究开发周期。它们与CAD/CAM/CAPP/DM/ERP等软件一起，已
9、经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内(15周)完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。 计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。 事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游
10、发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。 在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5
11、亿美元，并且以每年15%的速度递增。相比之下，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。1.2 CAE的发展1.2.1 CAE在国外的发展当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征： （1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：从板、壳和实体等连续体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题(所谓“流固耦合”的问题)；（2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题；（3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；（4）与CAD软件的无缝集成。都开发了和著名的CAD软件(例如Pro/ENGIN
12、EER、Unigraph ics、SolidEdge、IDEAS、Bentley和AutoCAD等)的接口。同时CAD综合型CAE工具的分析功能正逐渐加强； （5）改进CAE方法中的优化技术：引入各种优化技术，优化参数评价。具备智能的网格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的网格奇化问题；非线性收敛的智能控制技术对非线性优化问题是不可或缺的。CAE软件对工程和产品的分析模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力就越强。而CAE软件的计算效率和计算结果的精度，则主要决定于解法库，先进
13、高效的求解算法可能对计算效率造成几倍、几十倍甚至几百倍的提高。近几年来国际上先进的软件在单元库、材料库、前后处理，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大发展，已经可以对工程和产品进行静力和拟静力的线性和非线性分析；线性与非线性动力分析；稳态与瞬态热分析；静态和交变态的电磁场和电流分析；流体计算；声场与波的传播计算等。前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户要求，使通用软件专业化、属地化，并实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成份。1.2.2 CAE在国内的发展CAE在中国汽车行业的应用起步于20世纪80年代中期，历经十几年的缓慢发展
14、，到90年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展期。中外合资的汽车以及零部件生产企业的CAE应用水平普遍比较低，因为这些合资企业的产品设计权在国外，他们的CAE应用一般停留在工艺更改后的验证层次，谈不上汽车关键部件的CAE应用。随着外国汽车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心，其CAE的应用水平也会逐步提高。国有汽车企业的CAE应用开始较早，但是发展缓慢，CAE人才流失比较多，有的单位CAE仿真技术应用20几年来还停留在基本分析阶段。民营或者国内股份企业因为没有现成的产品可以生产，开始是仿造，现在有的企业已经拥有自己的设计能力，且CAE在关键部件的应用水平还较高。国内一些自主品牌自主（半自主）开
15、发的车型，对CAE分析的需求和依赖性较强，部件、子系统、整车运动与安全都在进行CAE分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽车公司工作的“海归”带回的经验，并结合本企业CAE应用的经验，开始在着手建立自己的CAE应用规范和仿真流程。总体来讲，中国的轿车企业CAE应用水平相对高，卡车次之，客车企业属于起步阶段。如何解决应用难题：就汽车行业来说，国内汽车厂家所用到的CAE软件跟国外汽车厂家所用的基本一样，那么，国内汽车厂家普遍应用水平不高的原因在哪里呢？首先是企业领导对CAE的功能还没有能够充分认识。虽然现在汽车企业领导层普遍认识到CAE的作用，但是对CAE应用的难度没有充分估计。不少企业认为买回来CAE软件就可以发挥立竿见影的作用，但事实上如果没有经验丰富的CAE人员，很难立刻见到成效；再就是CAE人员的培养问题，CAE分析专家既需要比较深厚的理论基础，也要具有相应行业的工程应用经验，CAE分析人员的培养周期相对较长；还有就是汽车企业通常缺乏自己的CAE分析标准或者规范。要解决好汽车行业C
