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汽车开发中CAE技术应用的现状和发展 |
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作者：优集系统（中国）有限公司 夏卫华 来源：AI《汽车制造业》 |
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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。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。
汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争日趋激烈。随着新产品推出的速度越来越快， CAE在汽车行业的应用越来越多，水平也在逐步提高。
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12～18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%；投资收益提高50%。
汽车CAE分析概要图
CAE应用分类
笼统地讲，汽车的每一个部件都可以做CAE分析，但主要包括以下3大关键部分：
1、整车
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。通常要确定的主要整车参数有：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。
2、大总成或者大的子系统
汽车通常划分为4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。
3、零部件和小总成
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、进排气系统、轮胎、轮毂等，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。
国内CAE的应用现状
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，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。
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行特定设计产品进行分析时，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；进行什么类型的分析，如：是结构分析还是热、流场分析，是否需要做热－结构耦合分析等，结构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达到多少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验来辅助建立自己的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软件开发与技术服务历史，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服务方案（培训＋咨询）。
NX NASTRAN（MCAE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部分析精度；全球领先的分布式并行计算能力，能够高速度，高精确性地求解工程问题。
NX MOTION模块针对汽车运动学、动力学仿真，集成于UG NX 环境中。该模块内嵌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。
NX Flow和NX 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。NX Flow 提供一个整套的CFD能力用于高精度流体仿真，并完全集成在NX环境中，可以有效地仿真稳态和瞬态流体流动问题。
NX Thermal 提供广泛的热分析和传热分析仿真能力，完全集成在NX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。NX Flow和NX Thermal可以无缝耦合。
车身以及底盘等疲劳耐久性预测，DURABILITY模块能够进行很好的计算，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%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。 (end)
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(7/23/2007) |
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