汽车开发中CAE技术的应用热点

作者：北汽福田汽车股份有限公司 郭九大

欢迎访问e展厅 展厅 4 汽车与公路设备展厅 乘用车/客车, 电动/混合动力汽车, 卡车/货车, 专用车, 交通安全设备, ... 自20世纪60年代末CAE技术开始在汽车研发领域应用以来，随着计算技术的发展，目前CAE技术已经在汽车研发、产品开发过程中得到了广泛而深入的应用，并已成为世界各大汽车主机厂及零部件供应商在激烈竞争的市场环境中保持产品领先地位的重要手段。 回顾汽车研发技术的发展，从汽车诞生开始，随着技术的进步，汽车研发经历了由道路试验验证、实验室试验验证，到今天主要以CAE作为研发工具、以试验为辅的发展道路。 在这个发展过程中，CAE技术的应用已可以部分甚至完全取代实物试验，并由此减少了大量零部件及整车实物的制造，降低了开发成本，缩短了从概念到市场的开发时间，同时，它还突破了试验的局限性，可以模拟极限工况，优化系统性能，从而提高产品质量、降低整车质量，并提高燃油经济性。 CAE技术的应用热点 目前，国内外CAE技术的应用都主要集中在几个方面，但国内应用水平与国外相比仍有较大差距，不过近几年发展速度也非常快，在很多领域中已有突破性进展。 以下主要介绍目前CAE技术的一些应用热点： 1. 动力学操纵稳定性 汽车的操纵稳定性是指汽车的可控性能，表现在转弯行驶时跟踪车道的稳定性，改变行驶车道时的灵敏性，直线行驶时的方向保持性，制动时的方向稳定性，以及泊车时的灵敏性和轻便性。操纵稳定性与整车的质量分布，前后悬架结构、弹性及阻尼参数，轮胎结构及转向系统形式及布置，以及制动系统的设计参数有密切关系。应用多体系统动力学分析软件（MBS）建立整车模型，计算不同使用工况下的系统响应特性评价指标，并应用多目标参数优化方法，确定各自系统优化设计参数，是动力学计算仿真的主要内容。国际通用的软件为ADAMS及CarSim。 2. NVH性能 NVH 是噪声、振动和舒适性的缩写(Noise, Vibration and Harshness)。根据振动频率的不同，可以将NVH性能研发划分为低频振动和高频噪声。25Hz以下的为低频振动，其中低于5Hz的簧载质量的刚体振动属于传统的乘坐舒适性研发范畴，要求振动频率避开人体器官的自然频率，一般将其设计在人体行走时的振动频率；5～25Hz范围内的振动主要是指底盘零部件、转向系统及发动机刚体的振动。25Hz以上的振动及噪声，要解决的是车身的局部共振，制动器制动时产生的不稳定噪音，以及整车在路面(Road Noise)、传动系（Powertrain Noise），及高速驾驶时的风流 (Wind Noise)激励下的共振现象，从而避免激励起乘员空腔的声学模态。 3. 疲劳耐久性能 疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。传统的试验方法是驾驶样车在试车场代表用户使用环境的典型路段上循环行驶，记录样车主要结构部件失效时的行驶里程。为了缩短开发时间，目前各大主机厂普遍采用的方法是加速疲劳设计验证方法(Accelerated Damage Road Test)。在试车场建设加速疲劳破坏环路，样车制造出来后，在疲劳耐久环路上采集载荷路谱，将所采集载荷在实验室再现，由大功率液压系统驱动做功器，对样车进行昼夜循环试验。各大主机厂都有自己的加速疲劳试验循环次数标准，一定的循环次数对应一定的使用里程。在实验室的循环试验，称之为道路模拟试验(Road Test Simulation)。 目前采用的CAE方法是利用所采集的载荷，计算车身及关键部件连接处载荷的时间历程，用有限元方法（FEM）计算单位载荷作用下的应力应变，结合材料的疲劳破坏试验曲线，计算车身及其他关键部件的疲劳寿命，从而减少道路模拟试验。 4. 碰撞安全性 碰撞安全性是指汽车发生碰撞，结构发生塑性变形后，能够保持乘员具有足够的安全空间，同时碰撞能量在车体前端得到最大吸收，从而使传递给乘员约束系统的能量减少到最低；车内乘员约束系统能够有效约束乘员的运动，避免乘员被抛出车外，以及不与内饰件发生二次碰撞。 整车结构碰撞由以LSDYNA为代表的显式有限元软件来模拟，碰撞的边界条件设定为国家及其他非官方认证测试机构在进行整车碰撞测试时的碰撞形式及车速，计算结构的碰撞变形及碰撞减速度。乘员约束系统仿真以结构碰撞得到的减速度波形为输入，建立碰撞假人的多体系统动力学模型，计算假人在安全带、安全气囊的约束下，头部胸部及大腿等处的伤害值，优化约束系统的设计参数，使得乘员的伤害最低。乘员约束仿真的通用软件为MADYMO。车辆与行人的碰撞也越来越受到官方认证机构的重视，这方面的法规正在完善，开展车辆与行人的碰撞仿真模拟，以使产品具有良好的行人保护性能，越来越受到各大主机厂的重视。 5. 流场分析及热管理 流场分析是基于计算流体力学（CFD）的分析方法。在汽车开发过程中的应用主要集中在汽车外流分析，以得到较低的空气阻力系数；发动机舱的流场分析，使得发动机舱有畅通的流场分布，将发动机产生的热量高效地带出发动机舱，使得周围部件及驾驶室不至于过热；车内乘员空间的冷热舒适及除霜除雾分析；发动机燃烧及排放分析；以及发动机进排气及水套流场分析。 有待解决的问题 在以上CAE的主要应用领域中，目前CAE技术尚有一些待进一步研究解决的问题，主要有以下几个方面： 1. 数据管理 在CAE分析过程中，大量的文本、图表及动画数据产生，如何有效地管理这些数据，并使之能根据设计的改进自动更新是一个难题。这其实是一个如何将CAE模型及计算计算结果数据库与CAD数据库有效链接起来的问题，目前尚没有一个好的解决方案。 2. 过程自动化 如何减少分析过程中工程人员的参与，把工程师从重复的模型构建及任务提交中解放出来，使其将有效的时间利用在创新方法的研究及工程问题的分析，以及方案的制定上，是提高CAE应用效率的关键。将程式化的流程自动化是必经之路。 3. 计算分析方法 以轮胎数学模型为例，其建立涉及到处理接触、超弹性、多重材料、气固耦合、摩擦和热产生及传导等问题，模型异常复杂。加之要将如此复杂的模型应用到时域内的动力学仿真过程中，其困难不言而喻。这也正是制约通过虚拟道路模拟计算疲劳载荷，从而完全替代道路载荷测试，在样车制造之前进行疲劳寿命计算的关键所在。 同样，精确模拟内燃机喷雾燃烧过程，建立复杂的物理化学变化模型，也一直是制约CAE技术进一步在内燃机开发应用的难题。 总之，汽车开发过程是一个多性能相互冲突调和的过程，进行多目标优化，在设计成本允许的设计空间实现最优的设计参数组合，是CAE技术的另一个难点。 结语 可以预言，随着计算技术的发展，以及汽车主机厂在CAE分析验证方面经验的不断积累，CAE分析可以完全取代试验，使整个汽车研发在虚拟环境下完成成为可能。公开信息表明，Fiat公司为适应市场对低油耗小型车的需要，在短短18个月的时间内完成了新车Bravo从设计到批量生产的整个过程，其工程开发过程几乎是在虚拟环境下由CAE完成的。我们期待着这一天的到来！ (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (11/14/2008)