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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、开展及其研究容，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，并从汽车构造强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞平安性分析、汽车构造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1.1 CAE在国外的开展当今国际上FEA方法和软件开展呈现出以下一些趋势特征： 1从单纯的构造力学计算开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，开展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又开展到
2、求解几个穿插学科的问题(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/ENGINEER、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改良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
3、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开展，已经可以对工程和产品进展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开展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户要求
4、，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 CAE在国的开展CAE在中国汽车行业的应用起步于20世纪80年代中期，历经十几年的缓慢开展，到90年代后期开场加速，目前已经进入飞速开展期。中外合资的汽车以及零部件生产企业的CAE应用水平普遍比拟低，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应用开场较早，但是开展缓慢，CAE人才流失比拟多，有的单位CAE仿真技术应
5、用20几年来还停留在根本分析阶段。民营或者国股份企业因为没有现成的产品可以生产，开场是仿造，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。国一些自主品牌自主半自主开发的车型，对CAE分析的需求和依赖性较强，部件、子系统、整车运动与平安都在进展CAE分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽车公司工作的“海归带回的经历，并结合本企业CAE应用的经历，开场在着手建立自己的CAE应用规和仿真流程。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，国汽车厂家所用到的CAE软件跟国外汽车厂家所用的根本一样，则，国汽车厂家普
6、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历丰富的CAE人员，很难立刻见到成效；再就是CAE人员的培养问题，CAE分析专家既需要比拟深厚的理论根底，也要具有相应行业的工程应用经历，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。要解决好汽车行业CAE应用的上述问题，首先，汽车行业相关厂商的领导层要充分认识CAE的作用和难度，特别是后者。软件可以随时购置，但是使用 CAE
7、软件的人才是企业从头培养还是从相关行业引进？如果是自己培养，那就要有长期见效的心理准备，而且要肯花钱培训CAE人员。当然如果企业想尽快见到成效，可以引进经历丰富的CAE人才，采取引进与自己培养相结合，这是一个较好的途径。有了CAE人员，企业还要努力建立自己的CAE分析标准。目前，我国汽车CAE应用中的最大问题就在于我们的企业没有自己的标准或者标准不完善，从而会导致这样一种现象：就算做了CAE分析，也无法有效地评价分析结果。所谓标准就是具体应用有限元软件进展特定设计产品进展分析时，如何简化CAD模型，如何定义载荷以及边界条件；工况如何设置；进展什么类型的分析，如：是构造分析还是热、流场分析，是否
8、需要做热构造耦合分析等，构造分析是静力还是动力，有没有非线性问题等；分析完成如何评价结果，譬如：做轿车白车身模态分析，第一阶模态频率需要到达多少Hz才算合格呢？标准的解决途径有两个：一是，自己通过试验和仿真相互校核，建立相关产品的评价标准；二是，利用相关行业已有的经历来辅助建立自己的CAE分析标准。由此可见，CAE分析标准的建立相当不易，需要做大量的工作，并且要结合试验结果。然而，这个过程是必须要走的。针对汽车行业的全面解决方案：UGS公司作为全球领先的PLM厂商，有着40年的CAE软件开发与技术效劳历史，能够为汽车行业提供全面的解决方案，包括CAE软件模块方案和技术效劳方案培训咨询。N* N
9、ASTRANMCAE工业标准针对汽车整车、零部件、子总成的强度刚度线性和非线性动力、静力分析。其新增加SOL101线性接触功能，大大提高螺拴等连接部件的局局部析精度；全球领先的分布式并行计算能力，能够高速度，高准确性地求解工程问题。N* MOTION模块针对汽车运动学、动力学仿真，集成于UG N* 环境中。该模块嵌ADAMS和RecurDyn两个世界知名多体求解器，使用非常方便，跟CAD软件一体化。N* Flow和N* Thermal针对车身外流场计算和发动机包括进、排气系统热分析、汽车电子电器系统冷却分析，具有很高的性能价格比。N* Flow 提供一个整套的CFD能力用于高精度流体仿真，并完
10、全集成在N*环境中，可以有效地仿真稳态和瞬态流体流动问题。N* Thermal 提供广泛的热分析和传热分析仿真能力，完全集成在N*环境中，可提供完整的建模和求解复杂热问题的架构。该产品可以有效地仿真稳态和瞬态热响应问题，可以处理各种热相关和光热相关材料特性，强大的热耦合分析很好处理网格脱离的接触传热，且提供高精度的热辐射，使用半球技术计算视角因子。N* Flow和N* Thermal可以无缝耦合。车身以及底盘等疲劳耐久性预测，DURABILITY模块能够进展很好的计算，而且还可以集成其它知名疲劳分析软件。UGS CAE 的前后处理器采用先进的虚拟拓扑网格生成技术，使得划分出来的网格能够100%
11、满足NASTRAN求解的要求，一键式的自动批处理网格生成技术，把CAE分析人员从繁重网格划分中解放出来，且支持多种CAE求解器。2 CAE的相关理论2.1 CAE的根本概念CAEputer Aided Engineering从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。从广义上说，计算机辅助工程包括很多，从字面上讲，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进展性能与平安可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进展模拟，及早发
12、现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。这里主要是指CAE软件。 CAE软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进展分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。 CAE软件的主体是有限元分析(FEA，Finite Element Analysis)软件。有限元方法的根本思想是将构造离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的
13、，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的准确度改变，得到与真实情况无限接近的解。基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是构造的离散化。根据经历，CAE各阶段所用的时间为：40%45%用于模型的建立和数据输入，50%55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、
14、压力等分布的动态显示图。我们称这一过程为：CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。2.2 CAE的根本构造与功能2.2.1 CAE分析的三个步骤应用这些CAE软件对工程或产品进展性能分析和模拟时，一般要经历如图2-1所示步骤： 图2-1 CAE一般步骤1前处理用图形软件首先对工程或产品进展实体建模，进而建立有限元分析模型。2有限元分析对有限元模型进展单元分析、有限元系统组装、有限元系统求解以及有限元结果生成。3后处理据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进展用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供应用户，辅助用户判定计
15、算结果与设计方案的合理性。2.2.2 CAE软件的构造与功能CAE软件的根本构造其中包含以下模块：前处理模块-给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。有限元分析模块-有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成假设干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统：线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。 后处理模块-有限元分析结果的
16、数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规校核，设计优化与模型修改等。用户界面模块弹出式下拉菜单，对话框，数据导入与导出宏命令，以及相关的GUI图符等。数据管理系统与数据库不同的CAE软件所采用的数据管理技术差异较大，有文件管理系统，关系型数据库管理系统及面向对象的工程数据库管理系统。其数据库应该包括构件与模型的图形和特性数据库，标准规及有关知识库等。共享的根底算法模块如图形算法，数据平滑算法等。CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定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，材料库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、仿真能力越强。 一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高
