汽车设计开发中的CAE技术 - 文章

汽车设计开发中的CAE技术

作者：吉利汽车研究院有限公司徐志刚来源：汽车制造业

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汽车开发和制造技术涵盖了当代诸多基础学科和技术前沿，如何实现汽车结构和部件总成的正向设计与制造技术、缩短汽车开发周期、降低成本、减少汽车产品开发风险等因素直接体现了企业的自主创新能力。CAE技术可以极大地缩短设计制造周期，使重量、用料、结构、成本达到最优化。

CAE技术的应用范围极其广泛，包括零部件和总成的线性与非线性结构、振动、屈曲、疲劳寿命、动力响应分析和优化设计；水箱、风扇等热交换性能分析；进排气系统、车身空气动力学性能分析；冲压、锻造、铸造等工艺过程仿真和工艺设备设计。CAE技术在汽车设计阶段成功地解决了新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，使得设计质量大幅度提高。其广泛应用可以帮助企业建立真正的产品开发能力，打造汽车车身造型、设计、制造一体化的技术平台。本文就吉利汽车产品设计的三个阶段分别介绍CAE技术在其中发挥的作用。

概念设计阶段

概念设计是汽车设计中最重要的阶段，许多整车参数都在此阶段确定。这些参数决定了整车结构尺寸的详细设计。由于整个系统的复杂性，仅依靠设计者的经验无法准确地给出这些数据。基于CAE技术及大量经验和试验数据的整车数字化仿真体系可以模拟整车在不同路况下的实际响应，为各零部件的精确CAE分析提供载荷条件，从而进行复杂的非线性动力学分析、关键部件疲劳寿命分析、整车NVH分析。图1为概念车身的气动外形分析图，通过该分析来确定阻力、升力、尾流等外形参数与特征。

图1 概念车身的气动外形分析

概念设计（图2）阶段确定整个汽车产品的目标定位，确定整车、各大总成（例如车身、发动机、底盘、控制系统等）的性能参数（图3 概念阶段的虚拟样机仿真分析，确定底盘参数及动态性能），制定各大总成设计任务书，规定设计控制数据，完成可行性研究报告。仅依靠经验和样车试验，无法形成完整科学的设计控制指标。使用CAE分析驱动车身结构设计的方法,在详细CAD设计过程之前介入对各种方案的粗略分析，定量地分配强度、刚度、质量等设计控制指标，并设置碰撞安全性目标和NVH性能目标，明确车辆动态性能的目标。概念设计阶段决定了车辆整体结构性能，要求设计者具有丰富的设计和制造工艺经验。图4为基于概念车身的关键点刚度设计，确定连接刚度、断面形状。

图4 基于概念车身的关键点刚度设计

以CAE分析驱动的设计方法较将CAE工作放在CAD设计之后的传统设计方法有以下优势：在设计初期基于简易的CAE模型可以进行结构性能的优化；通过CAE分析中力的传递形式可以在设计初期确定适当的结构材料以满足性能要求，一旦在设计过程中主要的断面尺寸和载荷路径被确定，设计师就比较容易使用概念结构的模板建立详细的CAD模型，有助于缩短开发周期。

详细设计阶段

详细设计阶段的CAE技术具有传统的应用，支持产品设计，保证设计满足强度、刚度、疲劳寿命、振动噪声要求和设计质量控制目标，达到优化设计的目的。这一阶段的工作取决于汽车的性能目标，关键在于建立完善的分析方法和评价策略，主要包括以下分析内容：

1、碰撞分析的目的在于提高产品的被动安全性能，通过正面、侧面、后面、翻滚等各种实车安全性能方面的模拟分析，在产品设计阶段及时发现产品被动安全性能方面的缺陷，提出改进措施，确保产品及时通过国家规定的各种被动安全性能方面的法规，避免产品投入市场后出现不良的反映及其带来的各种严重后果。如何提高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题。抗碰撞性能直接影响到产品最终能否投向市场。为了提高抗碰撞性能同时考虑到轻量化的要求，当前汽车产品越来越多地使用超高强度钢板和轻质合金材料，如铝、镁合金。图5为车身安全架构，是车身上主要承载结构。图6表示在侧碰过程中对B柱的变形要求。图7为整车碰撞仿真。

2、NVH性能是评价车辆舒适性的重要指标，直接关系到产品的市场形象。NVH分析有助于匹配产品结构中各子系统的振动频率特性，合理分布各子系统的振动频率和振型，以消除振动过程中的耦合现象，从而改善产品的振动特性，降低产品的噪音，提高产品的舒适性能。噪音、振动分析包括动力总成的刚体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW动态稳定性，整车各子系统的刚度频率匹配等。目前国内在该方面的研究能力仍较薄弱，主要原因在于试验手段的缺乏和数据积累的不足，尚未形成系统的分析规范。自主品牌的汽车和国外知名品牌的汽车竞争，NVH性能是关键的衡量指标之一。图8表示不同频率下不同板件的声学贡献量。

3、在工程样车试制之前，基于多柔体系统理论，解决汽车机械系统设计和动态性能的优化设计问题，将车辆作为一个完整的控制系统进行分析研究，可以建立整车动力学模型，并针对操纵稳定性、平顺性和制动性等性能进行虚拟试验场动态仿真分析，并输出标志整车动态性能的特征参数，制定优化策略。它可让设计人员掌握部件结构参数和整车性能的关系本质规律，并对其性能进行预测、可行性研究和优化设计。车辆多体分析内容包括悬架振动、车辆操稳性能和舒适性能等。图9表示整车操纵性能仿真，图10表示悬架系统分析。

4、流体分析在汽车工业中主要考虑车外流场对汽车的阻力和升力、车内空调系统通风口的设计、发动机舱的散热、制动系统的散热等，考察整车外形是否流畅，空调系统是否可以快速调节车内所有地点温度，发动机舱和制动片是否散热良好等。在产品设计阶段就可以预测产品的空气动力学特性，确保产品制造出来后符合设计时的空气动力学的要求。通过流体动力学分析验证和改进流体及热传导对产品性能的影响。图11是空气滤清器的流体分析。

5、产品疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。它有助于提早发现产品结构的强度及疲劳耐久性方面的问题，对高应力区域提供优化解决方案。通过合理地分配结构中的各种载荷，从而改善其疲劳耐久性能，提高产品的可靠性能。疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境。疲劳耐久性分析包括悬挂组件强度、车门强度、引擎盖强度、行李箱盖强度等。随着市场竞争的日趋激烈，产品的寿命成为树立产品品牌形象的重要指标。图12是地板疲劳耐久性分析。

6、冲压成形仿真有助于确定产品的可制造性，优化冲压方向，工艺补充，坯料估算和排样。它可以在设计阶段预测产品冲压成形中可能出现的质量缺陷(如起皱、开裂等), 进而对产品设计进行优化, 以消除成形缺陷。由于此时还处于产品设计阶段, 产品的修改代价最小。此部分成熟的应用软件有ETA公司的DYNAFORM 和LSTC公司的LS-DYNA。由于汽车车身上金属覆盖件占的比例最高，钣金件的模具成本是整个制造过程中最大的成本之一。工艺过程仿真是降低废品率压缩生产成本的有效方法。图13是板料成形厚度减薄图。

工程样车验证阶段

在产品定型之前工程样车可用来验证整车性能是否达到设计目标，继而进一步制定整改方案。采用CAE技术有助于汽车轻量化及制造成本的控制，并大量减少整改次数，降低试验成本。通过标定后的CAE模型可寻找影响特定性能的关键敏感因素，并针对具体问题提出切实有效的解决方案。图14 为工程样车的物理试验。

结论

目前，CAE技术在国外汽车工业中的应用已经非常广泛和成熟，在新车开发过程中发挥着越来越重要的作用。据统计，采用CAE技术可以使车身模具开发周期缩短近50%，大大加快了新车研发进度。安全、环保、节能是当代汽车设计的三大主题。我国新的汽车产业政策明确提出：鼓励自主研发技术积累及新型节能环保汽车研发。这就需要汽车企业必须具备较强的自主研发能力。吉利汽车CAE技术的应用面向整车开发的全过程，在汽车开发过程（概念设计-详细设计-样机验证-定型生产）中实现全过程、整车级虚拟样机仿真，减少原型车试验次数，降低生产成本、缩短新车研发周期。随着CAE应用深度及广度的提高，实现CAE工作的规范化和制度化是提升企业的技术能力和市场竞争力的有力保证。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (7/24/2008)


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