1、第三篇 汽车计算机辅助工程分析 （汽车CAE技术）,CAE 是计算机辅助工程(Computer-Aided Engineering)的英文简称，随着计算技术的发展，企业可以建立产品的数字样机，并模拟产品及零件的工况，对零件和产品进行工程校验、有限元分析和计算机仿真。 在产品开发阶段，企业应用CAE能有效地对零件和产品进行仿真检测，确定产品和零件的相关技术参数，发现产品缺陷、优化产品设计，并极大降低产品开发成本。在产品维护检修阶段能分析产品故障原因，分析质量因素等。,有限元分析在CAE中运用最广，有限单元法的基本思想是将物体（即连续的求解域）离散成有限个简单单元的组合，用这些单元的集合来模拟或逼
2、近原来的物体，从而将一个连续的无限自由度问题简化为离散的有限自由度问题。,物体被离散后，通过对其中各个单元进行单元分析，最终得到对整个物体的分析结构。随着单元数目的增加，解的近似程度将不断增大和逼近真实情况。,1、汽车CAE技术的发展,现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构分析已不满足于结构线性弹性分析。实际上汽车结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室橡胶支承、悬挂大变形、零部件间连接的能量缓冲等。在产品要求精益设计的条件下，只应用线性分析普遍感到不足。产品开发要求CAE更多地考虑非线性影响。,其次，汽车零部件结构分析的一个难点是分析载荷的不定因素，大量零部件结构实际所受到
3、的载荷到底是多大，往往很难明确给出。对此过去往往应用对比分析法，但这越来越不适应越来越高的设计要求。,第三，汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，这要求汽车在设计的使用期内，整车和零部件完好，不产生疲劳破坏，而达到使用期后（例如轿车一般设计寿命为八年），零部件尽可能多地达到损伤，以求产品轻量化，节约材料和节省能源。这也对CAE分析提出了使用真实载荷的要求。,汽车整车性能，如舒适性、行驶操纵稳定性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标。,CAE技术在飞速发展，非线性软件功能有了很大的提高，计算机硬件也提供了足够的支持，所以CAE
4、技术满足上述汽车现代设计要求是可能的。美国工程技术合作公司（ETA公司）推出的虚拟试验场技术（VIRTUAL PROVING ROUND ，以下简称VPG技术）即是针对上述要求发展的实用软件。,汽车驾驶室开发过程中的CAE应用,2、CAE在汽车开发中的应用与实施,CAE在汽车等机械产品的开发中应用非常广泛。如采用有限元法（FEM）计算机械零件的应力和变形进行强度和刚度分析；采用多体动力学方法进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分析；采用有限元法进行汽车碰撞分析 。,采用有限元法和边界方法（BEM）分析汽车的噪声等等。可以说，CAE在汽车产品开发过程中所发挥的作用已经无法被取代。,CA
5、E在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面: 1）CAE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。,譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳定性和行驶平顺性等。 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
6、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，是指像轮胎特性数据、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（包括价格、外协情况等）的数据。,CAE 对汽车摆臂的优化设计,3、国内汽车行业CAE技术应用 水平亟待提高,在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%90%下降到8%12%。,例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到1218个月；开发后期设计修
7、改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。,汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争也日趋激烈，在这种情况下，新产品推出的速度也越来越快，这也对行业的CAE应用提出了越来越高的要求。CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。,4、CAE应用分类,在汽车行业，包括整车和零部件企业，哪些部分需要应用到CAE技术呢？笼统地讲，每一个部件都可以做CAE分析，但主要包括以下三大关键部分： 1、整车 2、大总成或者大的子系统 3、零部件和小总成,整车CAE,该部分的CAE通常要做运动学、动力学仿真，以模拟如车辆行驶的平顺性、舒适性
8、和可通过性。这需要建立整车的虚拟样机，以确定整车参数。通常要确定的整车参数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性；轮胎、悬架的配备；车身的动静刚度、强度、寿命评价和车身固有频率；驾驶室(乘员室)通风、隔热、噪声；车身外流场特性、发动机舱的气流和热交换；主动安全性与被动安全性水平等。,大总成或者大的子系统CAE,汽车通常划分为四大系统：车身、底盘、发动机、电子电器系统。整车分析确定的参数，分解到各个总成后，需要对各总成进行CAE分析，以确定这些参数可以在各总成实现。,零部件和小总成 CAE,这部分主要是对零部件(子总成)做CAE分析，如车门、车门密封条、发动机缸体、悬架、面板、曲轴活塞、进排
9、气系统、轮胎、轮毂等等，以确定它们的力学特性是否符合总体设计要求，或者优化以进一步改进初始设计。,通过对这些关键部分的CAE仿真分析，可以在概念设计阶段就把握好产品的各个方面的性能，排除问题，这对于汽车行业来说极为重要，因为问题发现越早，解决问题的代价就越低。,5、国内汽车企业CAE应用现状,国际上一些著名的汽车厂家如通用、福特、丰田、日产等以及大的零部件供应商，在整车系统仿真、总成和零部件方面的CAE应用水平比较高，有自己的CAE应用规范和分析流程。而且这些企业长期与专业仿真软件和服务公司合作，共同发展、相互促进。,CAE在中国汽车行业的应用起步于二十世纪80年代中期，历经十几年的缓慢发展，
10、到90年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展期。中国汽车工业整车厂主要有中外合资、民营企业、国有企业、国内资本控股企业这些形式，零部件企业有国有、民营、私有、合资、独资等。从这些企业的资本组成形式可以比较清楚地了解这些企业CAE应用的现状和未来发展趋势。,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，当然随着外国汽车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心，他们的CAE的应用会越来越好。,CAE 在车架上的应用,国有汽车企业的CAE应用开始较早，但是发展缓慢，CAE人才
11、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，现在有的企业已经有自己的设计能力。有自己设计能力的企业，CAE应用比较好，企业领导层也很重视，而且CAE在关键部件应用水平也相对高。,国内一些自主品牌自主(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。,轿车企业这方面走的步伐快一些，卡车和客车企业相对迟缓。总体来讲，中国的轿车
12、企业CAE应用水平相对较高，卡车次之，客车企业属于起步阶段。,6、解决应用难题,中国汽车工业高歌猛进，自主研发，自主生产，自主品牌又一次大量见诸媒体。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非常有用，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
13、业的工程应用经验，CAE分析人员的培养非常不容易，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。软件可以随时购买， 但是使用CAE软件的人从哪里来？是企业从头培养还是从相关行业引进CAE人才？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，可以引进经验丰富的CAE人才，采取引进与自己培养相结合，这是一 个较好的途径。,我国汽车CAE应用最大的问题就在于我们的汽车企业没有自己的标准，或者标准不完善，这就导致即使
14、做了CAE分析，也无法有效地评价分析结果这种现象。因此，当企业有了CAE人员之后，就要努力建立企业自己的CAE分析标准。,建立CAE分析标准有两条途径，一是企业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验来辅助建立自己的CAE分析标准。CAE分析标准的建立相当不容易，需要做大量的工作，并且要结合试验结果，这个过程是必须要走的。,7、CAE工程分析在汽车行业的应用,汽车开发过程中的计算机辅助工程分析主要有： 1、刚度、强度（应用于整车、大小总成与零部件分析，以实现轻量化设计）； 2、NVH分析（各种振动、噪声，包括摩擦噪声、风噪声等） ； 3、机构运动分析；,4、车
15、辆碰撞模拟分析； 5、金属板件冲压成型模拟分析； 6、疲劳分析； 7、空气动力学分析（气动或流场分析）； 8、虚拟试车场整车分析； 9、焊装模拟分析、喷涂模拟分析等。,一、刚度和强度分析,有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而得到普遍采用，特别是在材料应力-应变的线性范围内更是如此。另外，当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。,（1）车架和车身的强度和刚度分析：车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对于全承载式的客车车身更是如此。车架和车身有限元分析的目的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节省材
16、料。另外，就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。,（2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析：齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。,（3）发动机零件的应力分析：以发动机的缸盖为例，其工作工程中不仅受到气缸内高压气体的作用，还会产生复杂的热应力。缸盖开裂事件时有发生。如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进，无法从根本上解决问题。有限元法提供了解决这一问题的根本途径。,二、NVH分析,近年来，随着人们环保意识的增强，对汽车提出了更高要求。为此，国
17、际汽车界制定NVH标准，即噪音(Noise)、振动(Vibration)、平稳(Harshness)三项标准，通俗称为乘坐轿车的“舒适感”。,对NVH标准的一项试验表明，用顾客较喜欢的轿车作试验，在用水泥铺得较平坦的公路上，轿车以时速40公里的速度行驶，如将欧洲产轿车的NVH以100%作标准，日本轿车则为75%，韩国轿车为50%。欧洲轿车悬架技术较高，所以乘坐舒适，日本轿车设计时将人体工程学考虑在内，对提高乘坐舒适感有很大帮助。,汽车噪声和振动的来源可分为四类： 1、发动机或发动机传动机组； 2、轮胎和行走传动机构； 3、汽车快速行驶引起空气振动产生的声音； 4、座舱内外设备产生的声音。,目前
18、将汽车的NVH分析分为部件的NVH分析和整车的NVH分析，并按频段分为三种： 1、低频NVH（50-80Hz）：分析基础方法为线性动态分析法（如软件NASTRAN的频率响应力分析法，轮胎的NVH分析用MARC软件）； 2、中频NVH（80-250Hz）：这部分噪声是由结构和空气产生的。用非线性动态分析软件如LS-DYNA3D 3、高频NVH（250-5000Hz）：如空气对车身产生的高频。,三、机构运动分析,机构运动分析就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。通过对机构进行位移或轨迹的分析，可以确定某机构件在运动
19、时所需得空间，判断当机构运动时各构件之间是否会互相干涉，确定机构中从动件的行程，考察构件上某一点能否实现预定的位置或轨迹要求。,通过对机构进行速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，了解机构的受力情况。通过对机构进行加速度分析，可以确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速度的变化规律。机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。,四、车辆碰撞模拟分析,汽车作为现代化交通工具，在给人们的生活带来便利与乐趣的同时，也因其引起的交通事故给人类的生命和财产带来极大的威胁和伤害。因此，汽车的安全性是汽车厂商、消费者、政府部门高度关注的问题。汽车的安全性可划分为主动安全性和被动安全
20、性。,主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。交通事故原因的统计分析表明，以预防事故发生的主动安全性只能避免5的事故，因此提高汽车被动安全性日趋重要。,车辆碰撞标准与使用的计算机软件,五、金属板冲压成型模拟分析,由于冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产，故这一工艺方法在汽车生产中得到广泛应用。在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才
21、能确定。这种反复的调试过程造成企业人力、物力和财力的大量消耗，导致生产成本高，生产周期难以保证。,冲压成型过程数值模拟技术的出现为改变这种传统模式提供了强有力的工具。通过对冲压过程模拟分析得到最佳模具结构和工艺条件，并能通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如皱曲、破裂）的影响，还可以提供最佳钣料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。,六、疲劳分析,传统的疲劳技术由许多经验公式组成。这些经验公式根
22、据一些理论框架，从材料、零件或结构的疲劳试验数据中拟合而成。验证产品的疲劳性能一般需要进行疲劳试验。疲劳分析依赖于准确的试验数据，同时也需要得到试验验证。过去，常规设计定型样机疲劳试验需要几年甚至更多时间来发现设计失误、修改设计。,现代疲劳寿命设计技术是以电子技术（数字信息）和计算机技术（数字仿真）结合进入机械设计领域，将机械强度寿命由定性设计提高到定量设计。它立足于随机、动态，整个受载过程的每一实时信号都参与设计，而不仅仅是一个最大值。,现代疲劳试验技术只需在计算机上用仿真技术，用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化。这可把试验时间压缩到原来的十分之一、百分之一，大大降低了开发成本，缩短了开
23、发周期。,根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样。因此，可以在试车场上按一定的比例混合各种路面及各种事件（如开门、关门、刹车等），重现这一载荷输入。这一载荷重现通常可能在较短的时间里完成，因此，可以达到试验加速的目的。,七、空气动力学分析,汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表
24、面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面的影响。,为了减少空气阻力系数，现代轿车的外形一般用园滑流畅的曲线去消隐车身上的转折线。前围与侧围、前围、侧围与发动机罩，后围与侧围等地方均采用园滑过渡，发动机罩向前下倾，车尾后箱盖短而高翘，后冀子板向后收缩，挡风玻璃采用大曲面玻璃，且与车顶园滑过渡，前风窗与水平面的夹角一般在25度33度之间，侧窗与车身相平，前后灯具、门手把嵌入车体内，车身表面尽量光洁平滑，车底用平整的盖板盖住，降低整车高度等等，这些措施有助于减少空气阻力系数。,八、虚拟试车场整车分析,CAE技术的飞速发展、软硬件功能的大幅度提高使得整车系统仿真已经成为可能。美国工程技术合作公司（ETA
25、）在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术（virtual proving ground, VPG）就是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。,VPG是在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的，以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性，以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、权频率振动噪声分析和数据处理、以及碰撞历程仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果的计算机仿真技术。,九、焊装模拟分析,机器人在车身焊装工位上的大量应用提高了车身的焊接质量，缩短了生产加
26、工时间。但如何能够快速而准确地完成全部焊点的加工，即如何规划机器人焊接路径问题，是目前汽车制造企业迫切需要解决的问题。,传统的机器人焊接路径规划方法是根据设计人员提供的工位上的焊点数量和焊接顺序，由工艺人员根据经验或类似工艺离线编制机器人加工程序，设计加工工艺。所编写的程序输入到相应设备中，在实验室里预操作，记录下每次偏差位置，重新编程、设计直至满足生产要求。,缺点:这不仅耗时、费力，同时对于多机器人加工的碰撞问题无法解决。一旦涉及多机器人协同加工，则往往在实验室中采用步进式逼近方法配合专家经验加以解决，以免发生碰撞，损坏设备。,为此，现代车身焊装模拟分析结合虚拟制造技术，在仿真环境下，运用相
27、应的优化算法对车身焊装工位的机器人加工路径进行离线规划，并通过仿真加工进行验证，从而达到指导实际生产的目的。虚拟制造的基础是采用计算机支持的技术，应用数字建模和仿真技术、虚拟现实技术等来模拟生产、加工和装配等过程，在计算机上将产品“制造”出来，实现将工艺过程转为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。,优点:通过建立生产加工的仿真模型研究制造活动，使用户在设计阶段能够了解产品未来制造过程，实现对生产系统性能有效的预测与评价。在仿真环境下的试运行，有利于进行多工艺方案比较，更有利于多机器人焊接轨迹的选取与优化。,汽车CAE流行的分析软件：,有限元分析软件： ANSYS, Hyperworks, Nastran, Marc, Abaqus等 动态仿真软件： ADAMS, Matlab, simulink, SIMPACK等 CAE软件调查分析,
