CAE在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用設(shè)計(jì)

1、vcae在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用摘 要本文介紹了cae的概念、發(fā)展及其研究?jī)?nèi)容，說(shuō)明了在設(shè)計(jì)前期引入cae技術(shù)對(duì)于減少設(shè)計(jì)錯(cuò)誤、縮短設(shè)計(jì)周期、提高產(chǎn)品設(shè)計(jì)質(zhì)量的重要意義，并從汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、車身覆蓋件成形過程的計(jì)算機(jī)仿真、汽車碰撞安全性分析、汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)幾個(gè)方面講述了cae技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：cae，汽車設(shè)計(jì)制造，汽車動(dòng)力學(xué)，仿真cae in car design and manufactureabstractthe concept of cae and development and research of cae is introduced in this the

2、sis. and it introduced the importance of using cae in design to reduce errors, shorten the design cycle and improve product design quality. from the structural strength of car, body panels forming process of computer simulation, vehicle crash safety analysis, automotive structural optimization to ot

3、her design aspects, this thesis also introduced the use of cae technology in the design and manufacture of automotive products.key words：cae，automotive design and manufacture，vehicle dynamics，simulation目 錄摘要iabstractii1 概述11.1 cae的歷史11.2 cae的發(fā)展21.2.1 cae在國(guó)外的發(fā)展21.2.2 cae在國(guó)內(nèi)的發(fā)展31.3 cae的發(fā)展趨勢(shì)51.3.1 擴(kuò)大仿真

4、分析的范圍51.3.2 智能化、人性化51.3.3 網(wǎng)絡(luò)化61.3.4 我國(guó)cae技術(shù)落后的原因61.3.5 cae今后發(fā)展方向及設(shè)想62 cae的相關(guān)理論82.1 cae的基本概念82.2 cae的基本結(jié)構(gòu)與功能82.2.1 cae分析的三個(gè)步驟82.2.2 cae軟件的結(jié)構(gòu)與功能92.3 cae的價(jià)值102.4 cae的應(yīng)用分類122.4.1 整車122.4.2 大總成或者大的子系統(tǒng)122.4.3 零部件和小總成122.5 cae與cadcam133 cae在汽車設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用143.1汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析143.2 車身覆蓋件成型過程的計(jì)算機(jī)仿真143.2.1 cae技術(shù)在汽車翼子板拉延模

5、具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用143.2.2板料成型過程的顯式有限元計(jì)算153.2.3 初始拉延工藝設(shè)計(jì)173.2.4 計(jì)算機(jī)仿真183.2.5 工藝改進(jìn)193.3 汽車碰撞安全性分析203.4汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化254 總結(jié)26致謝27參考文獻(xiàn)28 311 概 述1.1 cae的歷史cae起始于20世紀(jì)50年代中期，而真正的cae軟件誕生于70年代初期，直到80年代中期的十多年間，cae軟件是處在獨(dú)立成長(zhǎng)階段，主要是擴(kuò)充和完善基本功能、算法和軟件結(jié)構(gòu)。1979年美國(guó)的sap5線性結(jié)構(gòu)靜、動(dòng)力分析程序向國(guó)內(nèi)引進(jìn)移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來(lái)分析計(jì)算工程問題的高潮。在國(guó)內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶(100家以上)

6、的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的fifex95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的sap84、中國(guó)農(nóng)機(jī)科學(xué)研究院的mas5.0和杭州自動(dòng)化技術(shù)研究院的mfep4.0等。1985年前后，在可用性、可靠性和計(jì)算效率上已經(jīng)基本成熟的、國(guó)際上知名的cae軟件有nastran、ansys、aska、marc、adina、abaqus、modulef、dyn-3d等。就軟件結(jié)構(gòu)和技術(shù)而言，這些cae軟件基本上是用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計(jì)方法，采用fortran語(yǔ)言開發(fā)的結(jié)構(gòu)化軟件、其數(shù)據(jù)管理技術(shù)尚存在一定缺陷，它們的運(yùn)行環(huán)境僅限于當(dāng)時(shí)的大型計(jì)算機(jī)和高檔工作站。近15年是cae軟件的商品化發(fā)展階段，cae開發(fā)商為滿

7、足市場(chǎng)需求和適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時(shí)，對(duì)軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進(jìn)行大幅度擴(kuò)充；對(duì)軟件的內(nèi)部結(jié)果和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進(jìn)行了重大的改造。新增的軟件部分大都采用了面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計(jì)方法和c+語(yǔ)言，個(gè)別子系統(tǒng)則是完全使用面向?qū)ο筌浖椒ㄩ_發(fā)的軟件產(chǎn)品。這就使得目前市場(chǎng)上知名的cae軟件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求，這些cae軟件可以在超級(jí)并行機(jī)，分不是為集群，大、中、小、微各類計(jì)算機(jī)和各種操作系統(tǒng)平臺(tái)上運(yùn)行。近40年來(lái)，cae技術(shù)結(jié)合迅速發(fā)展中的計(jì)算力學(xué)、

8、計(jì)算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)，從低效檢驗(yàn)到高效仿真，從線性靜力求解到非線性、動(dòng)力仿真分析、多物理場(chǎng)耦合，取得了巨大的發(fā)展與成就。在日趨全球化的市場(chǎng)氛圍中，企業(yè)間的競(jìng)爭(zhēng)將表現(xiàn)為產(chǎn)品性能和制造成本的競(jìng)爭(zhēng)。而cae在產(chǎn)品研發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計(jì)中所顯示出的無(wú)與倫比的優(yōu)越性，使其成為現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)在日趨激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中取勝的重要條件。利用cae軟件，可以對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，并對(duì)其未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行虛擬運(yùn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，實(shí)現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)；在實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的同時(shí)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，軟縮短研究開發(fā)周期。它們與cad/cam/capp/dm/erp等軟件一

9、起，已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主要信息技術(shù)之一。借助cae技術(shù)，一家英國(guó)的汽車業(yè)咨詢公司twr短時(shí)間內(nèi)(15周)完成一個(gè)緊湊型家庭轎車全尺寸模型的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和制造。通過使用非線性仿真軟件msc.dytran和msc.marc重現(xiàn)世貿(mào)大樓倒塌全過程，美國(guó)政府的研究人員們找到了為什么世貿(mào)大樓在僅僅一個(gè)小時(shí)之內(nèi)就坍塌了的原因。 計(jì)算機(jī)輔助工程作為一項(xiàng)跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來(lái)越受到科技界和工程界的重視。許多大型的cae分析軟件已相當(dāng)成熟并已商品化，計(jì)算機(jī)模擬分析不僅在科學(xué)研究中普遍采用，而且在工程上也已達(dá)到了實(shí)用化階段。 事實(shí)證明，在設(shè)計(jì)過程中的早期引入cae來(lái)指導(dǎo)設(shè)計(jì)決策，能解釋因

10、在下游發(fā)現(xiàn)問題時(shí)需重新設(shè)計(jì)而造成的時(shí)間和費(fèi)用的浪費(fèi)，設(shè)計(jì)人員能將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高工程和產(chǎn)品品質(zhì)，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 在現(xiàn)代設(shè)計(jì)流程中，cae是創(chuàng)造價(jià)值的中心環(huán)節(jié)。事實(shí)上，cae技術(shù)是企業(yè)實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最主要的保障。企業(yè)要在激烈的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中立于不敗之地，就必須不斷保持產(chǎn)品的創(chuàng)新。衡量cae技術(shù)水平的重要標(biāo)志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，abaqus、ansys、nastran等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進(jìn)我國(guó)，在汽車、航空、機(jī)械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用。我國(guó)的計(jì)算機(jī)分析軟件開發(fā)是一個(gè)薄弱環(huán)節(jié)，嚴(yán)重地制約了cae技術(shù)的發(fā)展。僅以有限元計(jì)算分析軟件為例，目前的世界年市場(chǎng)份

11、額達(dá)5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國(guó)自己的cae軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場(chǎng)份額。1.2 cae的發(fā)展1.2.1 cae在國(guó)外的發(fā)展當(dāng)今國(guó)際上fea方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢(shì)特征： （1）從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計(jì)算發(fā)展到求解許多物理場(chǎng)問題：從板、殼和實(shí)體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問題的求解計(jì)算，最近又發(fā)展到求解幾個(gè)交叉學(xué)科的問題(所謂“流固耦合”的問題)；（2）由求解線性工程問題進(jìn)展到分析非線性問題；（3）增強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能；（4）與cad軟件的無(wú)縫集成。都開發(fā)了和著名的cad軟件(例如pro/en

12、gineer、unigraph ics、solidedge、ideas、bentley和autocad等)的接口。同時(shí)cad綜合型cae工具的分析功能正逐漸加強(qiáng)； （5）改進(jìn)cae方法中的優(yōu)化技術(shù)：引入各種優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化參數(shù)評(píng)價(jià)。具備智能的網(wǎng)格劃分器，以解決模型在形狀參數(shù)變化劇烈時(shí)出現(xiàn)的網(wǎng)格奇化問題；非線性收斂的智能控制技術(shù)對(duì)非線性優(yōu)化問題是不可或缺的。cae軟件對(duì)工程和產(chǎn)品的分析模擬能力，主要取決于單元庫(kù)和材料庫(kù)的豐富和完善程度，單元庫(kù)所包含的單元類型越多，材料所包括的材料特性種類越全，其cae軟件對(duì)工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力就越強(qiáng)。而cae軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，則主要決定于解法庫(kù)

13、，先進(jìn)高效的求解算法可能對(duì)計(jì)算效率造成幾倍、幾十倍甚至幾百倍的提高。近幾年來(lái)國(guó)際上先進(jìn)的軟件在單元庫(kù)、材料庫(kù)、前后處理，特別是用戶界面和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等方面都有了巨大發(fā)展，已經(jīng)可以對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行靜力和擬靜力的線性和非線性分析；線性與非線性動(dòng)力分析；穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析；靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場(chǎng)和電流分析；流體計(jì)算；聲場(chǎng)與波的傳播計(jì)算等。前后處理是近十多年發(fā)展最快的cae軟件成分，它們是cae軟件滿足用戶要求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實(shí)現(xiàn)與cad、cam、capp、pdm等軟件無(wú)縫集成的關(guān)鍵性軟件成份。1.2.2 cae在國(guó)內(nèi)的發(fā)展cae在中國(guó)汽車行業(yè)的應(yīng)用起步于20世紀(jì)80年代中期，歷經(jīng)十幾年的緩

14、慢發(fā)展，到90年代后期開始加速，目前已經(jīng)進(jìn)入飛速發(fā)展期。中外合資的汽車以及零部件生產(chǎn)企業(yè)的cae應(yīng)用水平普遍比較低，因?yàn)檫@些合資企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)權(quán)在國(guó)外，他們的cae應(yīng)用一般停留在工藝更改后的驗(yàn)證層次，談不上汽車關(guān)鍵部件的cae應(yīng)用。隨著外國(guó)汽車以及零部件公司逐步在中國(guó)建立研發(fā)中心，其cae的應(yīng)用水平也會(huì)逐步提高。國(guó)有汽車企業(yè)的cae應(yīng)用開始較早，但是發(fā)展緩慢，cae人才流失比較多，有的單位cae仿真技術(shù)應(yīng)用20幾年來(lái)還停留在基本分析階段。民營(yíng)或者國(guó)內(nèi)股份企業(yè)因?yàn)闆]有現(xiàn)成的產(chǎn)品可以生產(chǎn)，開始是仿造，現(xiàn)在有的企業(yè)已經(jīng)擁有自己的設(shè)計(jì)能力，且cae在關(guān)鍵部件的應(yīng)用水平還較高。國(guó)內(nèi)一些自主品牌自主（半自

15、主）開發(fā)的車型，對(duì)cae分析的需求和依賴性較強(qiáng)，部件、子系統(tǒng)、整車運(yùn)動(dòng)與安全都在進(jìn)行cae分析。有的企業(yè)借助一些曾經(jīng)在國(guó)外大汽車公司工作的“海歸”帶回的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本企業(yè)cae應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，開始在著手建立自己的cae應(yīng)用規(guī)范和仿真流程?？傮w來(lái)講，中國(guó)的轎車企業(yè)cae應(yīng)用水平相對(duì)高，卡車次之，客車企業(yè)屬于起步階段。如何解決應(yīng)用難題：就汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)汽車廠家所用到的cae軟件跟國(guó)外汽車廠家所用的基本一樣，那么，國(guó)內(nèi)汽車廠家普遍應(yīng)用水平不高的原因在哪里呢？首先是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)cae的功能還沒有能夠充分認(rèn)識(shí)。雖然現(xiàn)在汽車企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層普遍認(rèn)識(shí)到cae的作用，但是對(duì)cae應(yīng)用的難度沒有充分估計(jì)。不少企業(yè)認(rèn)為買

16、回來(lái)cae軟件就可以發(fā)揮立竿見影的作用，但事實(shí)上如果沒有經(jīng)驗(yàn)豐富的cae人員，很難立刻見到成效；再就是cae人員的培養(yǎng)問題，cae分析專家既需要比較深厚的理論基礎(chǔ)，也要具有相應(yīng)行業(yè)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，cae分析人員的培養(yǎng)周期相對(duì)較長(zhǎng)；還有就是汽車企業(yè)通常缺乏自己的cae分析標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。要解決好汽車行業(yè)cae應(yīng)用的上述問題，首先，汽車行業(yè)相關(guān)廠商的領(lǐng)導(dǎo)層要充分認(rèn)識(shí)cae的作用和難度，特別是后者。軟件可以隨時(shí)購(gòu)買，但是使用 cae軟件的人才是企業(yè)從頭培養(yǎng)還是從相關(guān)行業(yè)引進(jìn)？如果是自己培養(yǎng)，那就要有長(zhǎng)期見效的心理準(zhǔn)備，而且要肯花錢培訓(xùn)cae人員。當(dāng)然如果企業(yè)想盡快見到成效，可以引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)豐富的cae人才

17、，采取引進(jìn)與自己培養(yǎng)相結(jié)合，這是一個(gè)較好的途徑。有了cae人員，企業(yè)還要努力建立自己的cae分析標(biāo)準(zhǔn)。目前，我國(guó)汽車cae應(yīng)用中的最大問題就在于我們的企業(yè)沒有自己的標(biāo)準(zhǔn)或者標(biāo)準(zhǔn)不完善，從而會(huì)導(dǎo)致這樣一種現(xiàn)象：就算做了cae分析，也無(wú)法有效地評(píng)價(jià)分析結(jié)果。所謂標(biāo)準(zhǔn)就是具體應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行特定設(shè)計(jì)產(chǎn)品進(jìn)行分析時(shí)，如何簡(jiǎn)化cad模型，如何定義載荷以及邊界條件；工況如何設(shè)置；進(jìn)行什么類型的分析，如：是結(jié)構(gòu)分析還是熱、流場(chǎng)分析，是否需要做熱結(jié)構(gòu)耦合分析等，結(jié)構(gòu)分析是靜力還是動(dòng)力，有沒有非線性問題等；分析完成如何評(píng)價(jià)結(jié)果，譬如：做轎車白車身模態(tài)分析，第一階模態(tài)頻率需要達(dá)到多少hz才算合格呢？標(biāo)準(zhǔn)的解決途

18、徑有兩個(gè)：一是，自己通過試驗(yàn)和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；二是，利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)輔助建立自己的cae分析標(biāo)準(zhǔn)。由此可見，cae分析標(biāo)準(zhǔn)的建立相當(dāng)不易，需要做大量的工作，并且要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果。然而，這個(gè)過程是必須要走的。針對(duì)汽車行業(yè)的全面解決方案：ugs公司作為全球領(lǐng)先的plm廠商，有著40年的cae軟件開發(fā)與技術(shù)服務(wù)歷史，能夠?yàn)槠囆袠I(yè)提供全面的解決方案，包括cae軟件模塊方案和技術(shù)服務(wù)方案（培訓(xùn)咨詢）。nx nastran（mcae工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)）針對(duì)汽車整車、零部件、子總成的強(qiáng)度剛度線性和非線性動(dòng)力、靜力分析。其新增加sol101線性接觸功能，大大提高螺拴等連接部件的局部分析精度

19、；全球領(lǐng)先的分布式并行計(jì)算能力，能夠高速度，高精確性地求解工程問題。nx motion模塊針對(duì)汽車運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，集成于ug nx 環(huán)境中。該模塊內(nèi)嵌adams和recurdyn兩個(gè)世界知名多體求解器，使用非常方便，跟cad軟件一體化。nx flow和nx thermal針對(duì)車身外流場(chǎng)計(jì)算和發(fā)動(dòng)機(jī)（包括進(jìn)、排氣系統(tǒng)）熱分析、汽車電子電器系統(tǒng)冷卻分析，具有很高的性能價(jià)格比。nx flow 提供一個(gè)整套的cfd能力用于高精度流體仿真，并完全集成在nx環(huán)境中，可以有效地仿真穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流體流動(dòng)問題。nx thermal 提供廣泛的熱分析和傳熱分析仿真能力，完全集成在nx環(huán)境中，可提供完整的建模和求

20、解復(fù)雜熱問題的架構(gòu)。該產(chǎn)品可以有效地仿真穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱響應(yīng)問題，可以處理各種熱相關(guān)和光熱相關(guān)材料特性，強(qiáng)大的熱耦合分析很好處理網(wǎng)格脫離的接觸傳熱，且提供高精度的熱輻射，使用半球技術(shù)計(jì)算視角因子。nx flow和nx thermal可以無(wú)縫耦合。車身以及底盤等疲勞耐久性預(yù)測(cè)，durability模塊能夠進(jìn)行很好的計(jì)算，而且還可以集成其它知名疲勞分析軟件。ugs cae 的前后處理器采用先進(jìn)的虛擬拓?fù)渚W(wǎng)格生成技術(shù)，使得劃分出來(lái)的網(wǎng)格能夠100%滿足nastran求解的要求，一鍵式的自動(dòng)批處理網(wǎng)格生成技術(shù)，把cae分析人員從繁重網(wǎng)格劃分中解放出來(lái)，且支持多種cae求解器。1.3 cae的發(fā)展趨勢(shì)1.3

21、.1 擴(kuò)大仿真分析的范圍未來(lái)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)將由產(chǎn)品功能主導(dǎo)產(chǎn)品外形、材料和加工工藝過程，所需的分析模擬范圍將遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出今天的范圍。設(shè)計(jì)人員必須考慮應(yīng)力和振動(dòng)、運(yùn)動(dòng)學(xué)、流體力學(xué)、裝配建模、可靠性分析、人的因素和加工工藝及成本等等。工程師必須能夠真實(shí)地模擬產(chǎn)品的所有性能，結(jié)合貫穿產(chǎn)品生命周期的各種因素，獲得對(duì)各種設(shè)計(jì)的模擬結(jié)果。cae軟件也將由單一零件的虛擬樣機(jī)朝著整機(jī)虛擬樣機(jī)的方向發(fā)展。多物理場(chǎng)耦合分析模擬任何一個(gè)復(fù)雜的工程和產(chǎn)品大都是處在多物理場(chǎng)耦合，甚至是多相多態(tài)介質(zhì)耦合狀態(tài)下工作，其運(yùn)行行為絕非是多個(gè)單一物理場(chǎng)問題，部分可能屬于強(qiáng)非線性耦合。對(duì)于這些問題，目前尚沒有成熟可靠的理論，還處于基礎(chǔ)性前

22、沿研究階段，但由于其強(qiáng)烈的工業(yè)背景，它們已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外科學(xué)家研究的主要目標(biāo)。高度集成化包括兩方面的含義。狹義上的信息集成，即實(shí)現(xiàn)cae與cad、cam、capp、erp等各單元信息的集成，減少之間的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換。這主要依靠相同平臺(tái)的軟件、開發(fā)一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序、基于數(shù)據(jù)庫(kù)的信息處理等方式實(shí)現(xiàn)。廣義上的“多集成”，即信息集成、智能集成、串并行工作機(jī)制集成及人員集成。未來(lái)的趨勢(shì)應(yīng)該是實(shí)現(xiàn)技術(shù)、人和管理的集成。在技術(shù)創(chuàng)新上，近年來(lái)變量化技術(shù)突飛猛進(jìn)，取得了一系列理論成果，如變量化造型、變量化分析、變量化裝配、變量化模架庫(kù)等，并已在cad領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。將來(lái)，必然會(huì)擴(kuò)展到分析領(lǐng)域。屆時(shí)，實(shí)時(shí)

23、的、隨意的多方案分析過程將使cae更加輕松自如。1.3.2 智能化、人性化cae作為設(shè)計(jì)分析人員進(jìn)行產(chǎn)品研發(fā)的工具，必然務(wù)求易學(xué)好用，得心應(yīng)手，而未來(lái)的大型通用cad/cae/cam軟件是一個(gè)多學(xué)科交叉的，綜合性知識(shí)密集型產(chǎn)品，如何使用戶更方便地使用軟件，同時(shí)結(jié)合多學(xué)科多領(lǐng)域的知識(shí)經(jīng)驗(yàn)來(lái)促進(jìn)設(shè)計(jì)分析過程是一個(gè)不容回避的問題。因此，開發(fā)更有效的支持用戶使用這些軟件的專家系統(tǒng)顯得十分必要。智能化將是發(fā)展的一個(gè)必然趨勢(shì)。同時(shí)，軟件的工作環(huán)境應(yīng)該盡可能解放使用者的頭腦，開拓使用者的思路，讓使用者集中精力于設(shè)計(jì)創(chuàng)作，這使得軟件趨向于人性化，除了具備智能化的自動(dòng)運(yùn)算、推理判斷、協(xié)助思考等功能外，還要以符合

24、人們思維習(xí)慣的方式去判斷、思考、表達(dá)與操作，以更強(qiáng)的用戶界面提供更強(qiáng)的直觀、直感、直覺性，更智能化地適應(yīng)用戶的要求。1.3.3 網(wǎng)絡(luò)化隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，寬帶通信技術(shù)的突破，網(wǎng)絡(luò)正改變著人們獲取信息、共享數(shù)據(jù)和商品交易的方式，也改變著工程設(shè)計(jì)人員完成模擬仿真分析的傳統(tǒng)方式。軟件供應(yīng)商們已經(jīng)認(rèn)識(shí)到，是否提供電子網(wǎng)絡(luò)銷售將決定他們今后的競(jìng)爭(zhēng)力。所以軟件用戶將從現(xiàn)在的購(gòu)買和安裝軟件逐步過渡到直接租用放在網(wǎng)上服務(wù)器的軟件。如msc.software公司已實(shí)現(xiàn)網(wǎng)上購(gòu)買仿真分析軟件，還與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商和硬件商合作，通過服務(wù)器端大量的msc.softwree軟件與客戶端的用戶環(huán)境，提供有償?shù)能浖茏饣蛟伦夥?wù)。同

25、時(shí)，基于網(wǎng)絡(luò)的遠(yuǎn)程計(jì)算與分析設(shè)計(jì)將得到進(jìn)一步發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計(jì)、分析、制造將成為現(xiàn)實(shí)。企業(yè)的創(chuàng)新需求為cae技術(shù)的發(fā)展提供了強(qiáng)大的動(dòng)力，可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和全球信息化，cae必將取得更為巨大的成就，并繼續(xù)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展做出重要貢獻(xiàn)。1.3.4 我國(guó)cae技術(shù)落后的原因我國(guó)開展cad/cam技術(shù)應(yīng)用工作并不算晚，通過引進(jìn)，不少企業(yè)的軟、硬件條件與國(guó)外相比也相差不大。但是，為什么國(guó)內(nèi)的汽車cad/cam 技術(shù)應(yīng)用與國(guó)外先進(jìn)水平相比存在較大的差距呢?我認(rèn)為有以下幾個(gè)原因:（1）原有計(jì)劃經(jīng)濟(jì)的原因。在舊的經(jīng)營(yíng)模式下，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)干好干壞一個(gè)樣，而采用 cad/ cam 技術(shù)投資大，有較大風(fēng)

26、險(xiǎn)，效益回報(bào)有一定的滯后期，導(dǎo)致企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)不夠重視，怕影響正常的生產(chǎn)。（2）管理上的缺陷。由于條塊分割，重復(fù)引進(jìn)，企業(yè)相互之間缺乏必要的交流和協(xié)作, 影響了cad/ cam技術(shù)效益的發(fā)揮。（3）人才培養(yǎng)的不足。像福特、通用等汽車公司之所以cad/ cam技術(shù)應(yīng)用得好, 是因?yàn)閹资陙?lái)一直大力開展cad/ cam應(yīng)用而積淀下來(lái)的寶貴經(jīng)驗(yàn)和培養(yǎng)出了一支高水平的技術(shù)隊(duì)伍。有錢可以買到先進(jìn)的軟、硬件，但一支高水平的技術(shù)隊(duì)伍需要若干年的培養(yǎng)?，F(xiàn)在國(guó)內(nèi)既懂計(jì)算機(jī)軟、硬件，又有豐富專業(yè)知識(shí)的人才奇缺，而這恰是企業(yè)最為寶貴的財(cái)富。.1.3.5 cae今后發(fā)展方向及設(shè)想目前，我國(guó)汽車行業(yè)中的大企業(yè)基本上具備了一定

27、的cae應(yīng)用能力，但至今這種能力在汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)中仍未得到充分發(fā)揮，大多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計(jì)仍局限在經(jīng)驗(yàn)上，這主要與cae的規(guī)劃、培訓(xùn)以及設(shè)計(jì)人員對(duì)cae的重視程度、cae分析周期長(zhǎng)等因素有關(guān)。針對(duì)這些問題，結(jié)合汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)水平，應(yīng)該采取以下措施來(lái)加速cae的發(fā)展和促進(jìn)其應(yīng)用，使之盡快轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。（1）切實(shí)重視cae的發(fā)展，并使之與產(chǎn)品設(shè)計(jì)結(jié)合起來(lái)，最后達(dá)到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中能使用cae技術(shù)的目的。（2）制定長(zhǎng)期的cae發(fā)展規(guī)劃，包括階段研究方向、人員培訓(xùn)提高、計(jì)算機(jī)軟、硬件的更新等。目前，應(yīng)集中力量研究cae能夠解決的設(shè)計(jì)問題，加強(qiáng)cae模型與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比研究，大幅度減少cae模型的制作時(shí)間。為此，可

28、以考慮具體汽車結(jié)構(gòu)的fem分析系統(tǒng)，如車身結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基本的模型數(shù)據(jù)庫(kù)、設(shè)計(jì)評(píng)價(jià)指標(biāo)、cae分析的基本步驟（先作靜態(tài)剛度，然后進(jìn)行模型分析、響應(yīng)分析及靈敏度分析等），利用測(cè)試結(jié)果建立可靠的cae模型，使cae真正成為車身設(shè)計(jì)的有效工具。（3）加強(qiáng)cae的培訓(xùn)工作。一方面是 cae專業(yè)人員能力的提高（可以通過高層次學(xué)習(xí)，如請(qǐng)人講學(xué)等方式達(dá)到；另一方面是cae專業(yè)人員有重點(diǎn)地培訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員，使現(xiàn)有較成熟的cae技術(shù)盡快應(yīng)用于設(shè)計(jì)。（4）加強(qiáng)汽車行業(yè)中各大企業(yè)間cae技術(shù)的協(xié)作。在我國(guó)cae發(fā)展水平還較低，企業(yè)cae軟、硬件的相互封鎖，只能阻礙 cae的發(fā)展及應(yīng)用，重復(fù)投資，重復(fù)勞動(dòng)，

29、使得本來(lái)就不太充足的人員和資金白白浪費(fèi)掉。因此, 應(yīng)該定期進(jìn)行交流，共同提高，互相協(xié)作，做好規(guī)劃，避免重復(fù)性投入。（5）提高使用cae技術(shù)的方便性。為此，首先應(yīng)盡快推進(jìn)便于使用的結(jié)構(gòu)分析程序，如ansys、nastran等；其次，cae專業(yè)人員的課題研究應(yīng)把應(yīng)用作為目標(biāo)，把課題結(jié)果的規(guī)范化與培訓(xùn)設(shè)計(jì)人員使用cae技術(shù)能力作為課題的重要組成部分。（6）加強(qiáng)cae與測(cè)試部門的結(jié)合，盡量縮短cae的分析時(shí)間，用盡可能多的測(cè)試結(jié)果驗(yàn)證模型，使模型能最大限度地得以簡(jiǎn)化。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，cad/cam技術(shù)正向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標(biāo)準(zhǔn)化、可視化等方向發(fā)展。新的技術(shù)正在不斷出現(xiàn)，在這新舊交替之際，

30、只要我們抓住機(jī)遇，就能跳躍前進(jìn)，趕上世界科技發(fā)展的步伐；反之，如不能把握機(jī)會(huì)，則將更加落后?？梢韵嘈?，中國(guó)的汽車cad/ cam事業(yè)前途光明，但需要大家付出艱辛的努力。2 cae的相關(guān)理論2.1 cae的基本概念cae（computer aided engineering）從字面上講是計(jì)算機(jī)輔助工程，其概念很廣，可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。但傳統(tǒng)的cae主要是指工程設(shè)計(jì)中的分析計(jì)算和分析仿真，其核心是基于現(xiàn)代計(jì)算力學(xué)的有限單元分析技術(shù)。從廣義上說(shuō)，計(jì)算機(jī)輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的cae主要指用計(jì)算機(jī)對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性

31、分析，對(duì)其未來(lái)的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，并證實(shí)未來(lái)工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指cae軟件。 cae軟件可以分為兩類：針對(duì)特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測(cè)和優(yōu)化的軟件，稱之為專用cae軟件；可以對(duì)多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進(jìn)行分析、模擬和預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用cae軟件。 cae軟件的主體是有限元分析(fea，finite element analysis)軟件。有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個(gè)容易分析的單元來(lái)表示復(fù)雜的對(duì)象，單元之間通過有限個(gè)節(jié)點(diǎn)相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合

32、求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點(diǎn)的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實(shí)情況無(wú)限接近的解?；谟邢拊椒ǖ腸ae系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，cae各階段所用的時(shí)間為：40%45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%55%用于分析結(jié)果的判讀和評(píng)定，而真正的分析計(jì)算時(shí)間只占5%左右。采用cad技術(shù)來(lái)建立cae的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為cae的前處理。同樣，cae的結(jié)果也需要用cad技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，

33、以及隨機(jī)械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動(dòng)態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為：cae的后處理。針對(duì)不同的應(yīng)用，也可用cae仿真模擬零件、部件、裝置(整機(jī))乃至生產(chǎn)線、工廠的運(yùn)動(dòng)和運(yùn)行狀態(tài)。2.2 cae的基本結(jié)構(gòu)與功能2.2.1 cae分析的三個(gè)步驟應(yīng)用這些cae軟件對(duì)工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能分析和模擬時(shí)，一般要經(jīng)歷如圖2-1所示步驟： 圖2-1 cae一般步驟（1）前處理用圖形軟件首先對(duì)工程或產(chǎn)品進(jìn)行實(shí)體建模，進(jìn)而建立有限元分析模型。（2）有限元分析對(duì)有限元模型進(jìn)行單元分析、有限元系統(tǒng)組裝、有限元系統(tǒng)求解以及有限元結(jié)果生成。（3）后處理?yè)?jù)工程或產(chǎn)品模型與設(shè)計(jì)要求，對(duì)有限元分析結(jié)果進(jìn)行

34、用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計(jì)算結(jié)果與設(shè)計(jì)方案的合理性。2.2.2 cae軟件的結(jié)構(gòu)與功能cae軟件的基本結(jié)構(gòu)其中包含以下模塊：前處理模塊-給實(shí)體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運(yùn)算，單元自動(dòng)剖分，節(jié)點(diǎn)自動(dòng)編號(hào)與節(jié)點(diǎn)參數(shù)自動(dòng)生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入，節(jié)點(diǎn)載荷自動(dòng)生成，有限元模型信息自動(dòng)生成等。有限元分析模塊-有限單元庫(kù)，材料庫(kù)及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動(dòng)力、振動(dòng)、線性與非線性解法庫(kù)。大型通用題的物理、力學(xué)和數(shù)學(xué)特征，分解成若干個(gè)子問題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線性靜力分析子系統(tǒng)、動(dòng)力分析子系統(tǒng)、振

35、動(dòng)模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等。 后處理模塊-有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，針對(duì)工程或產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)與工程規(guī)范校核，設(shè)計(jì)優(yōu)化與模型修改等。用戶界面模塊彈出式下拉菜單，對(duì)話框，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出宏命令，以及相關(guān)的gui圖符等。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫(kù)不同的cae軟件所采用的數(shù)據(jù)管理技術(shù)差異較大，有文件管理系統(tǒng)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)及面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫(kù)管理系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)庫(kù)應(yīng)該包括構(gòu)件與模型的圖形和特性數(shù)據(jù)庫(kù)，標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范及有關(guān)知識(shí)庫(kù)等。共享的基礎(chǔ)算法模塊如圖形算法，數(shù)據(jù)平滑算法等。cae軟件對(duì)工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫(kù)和材料庫(kù)的豐富和完善程度，單元庫(kù)所包含的單元

36、類型越多，材料庫(kù)所包括的材料特性種類越全，其cae軟件對(duì)工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強(qiáng)。 一個(gè)cae軟件的計(jì)算效率和計(jì)算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫(kù)。先進(jìn)高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計(jì)算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計(jì)算機(jī)環(huán)境下運(yùn)行。隨著cae軟件開發(fā)商對(duì)單元庫(kù)，材料庫(kù)和求解器的改造，擴(kuò)充和完善，目前國(guó)際上先進(jìn)的cae軟件，已經(jīng)可以對(duì)工程和產(chǎn)品進(jìn)行如下的性能分析，預(yù)報(bào)及運(yùn)行行為模擬：靜力和擬靜力的線性與非線性分析包括對(duì)各種單一和復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的彈性，彈塑性，塑性，蠕變，膨脹，幾何大變形，大應(yīng)變，疲勞，斷裂，損傷，以及多體彈塑性接觸在內(nèi)的變形與應(yīng)力應(yīng)變分析。線性與非

37、線性動(dòng)力分析包括交變荷載，爆炸沖擊荷載，隨機(jī)地震荷載以及各種運(yùn)動(dòng)荷載作用下的動(dòng)力時(shí)程分析，振動(dòng)模態(tài)分析，諧波響應(yīng)分析，隨機(jī)振動(dòng)分析，屈曲與穩(wěn)定性分析等。靜態(tài)與瞬態(tài)熱分析包括傳導(dǎo)，對(duì)流和輻射狀態(tài)下的熱分析，相變分析，以及熱/結(jié)構(gòu)耦合分析。靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場(chǎng)和電流分析包括電磁場(chǎng)分析，電流分析，壓電行為分析以及電磁/結(jié)構(gòu)耦合分析。流體計(jì)算包括常規(guī)的管內(nèi)和外場(chǎng)的層流，端流，熱/流耦合以及流/固耦合分析。 聲場(chǎng)與波的傳播計(jì)算包括靜態(tài)和動(dòng)態(tài)聲場(chǎng)及噪聲計(jì)算，固體，流體和空氣中波的傳播分析等。 前后處理是近十多年發(fā)展最快的cae軟件成分，它們是cae軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實(shí)現(xiàn)cad、

38、cam、capp、pdm等軟件無(wú)縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過增設(shè)cad軟件，例如pro/engineer，ug，solidedge，catia，mdt等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實(shí)現(xiàn)了cad/cae的有效集成。 cae通常指有限元分析和機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線性、非線性、靜態(tài)、動(dòng)態(tài))；場(chǎng)分析(熱場(chǎng)、電場(chǎng)、磁場(chǎng)等)；頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機(jī)構(gòu)分析能完成機(jī)構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計(jì)算，機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)模擬及機(jī)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。2.2.3 cae的作用 （1）增加設(shè)計(jì)功能，借助計(jì)算機(jī)分析計(jì)算，確保產(chǎn)品設(shè)計(jì)的合理性，減少設(shè)計(jì)成本；（2）縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期； （3）

39、cae分析起到的“虛擬樣機(jī)”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計(jì)中資源消耗極大的“物理樣機(jī)驗(yàn)證設(shè)計(jì)”過程，虛擬樣機(jī)作用能預(yù)測(cè)產(chǎn)品在整個(gè)生命周期內(nèi)的可靠性； （4）采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，找出產(chǎn)品設(shè)計(jì)最佳方案，降低材料的消耗或成本；（5）在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； （6）模擬各種試驗(yàn)方案，減少試驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；（7）進(jìn)行機(jī)械事故分析，查找事故原因。 2.3 cae的價(jià)值cae技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒有什么技術(shù)能與cae技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來(lái)巨大的回報(bào)。汽車行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè)，其競(jìng)爭(zhēng)日趨激烈。隨著新產(chǎn)

40、品推出的速度越來(lái)越快， cae在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來(lái)越多，水平也在逐步提高。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，應(yīng)用 cae 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)成本的比例從80%90%下降到 8%12%。例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用cae后，其新車型開發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%；原型車制造和試驗(yàn)成本減少50%；投資收益提高50%。其最大優(yōu)點(diǎn)是可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期, 即圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，通過建立基本的計(jì)算機(jī)分析模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、壽命及特性預(yù)測(cè)，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，使產(chǎn)品設(shè)計(jì)指標(biāo)得到保證，有效地提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性, 縮短設(shè)計(jì)周期。如汽車產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)試驗(yàn)校核的方法，

41、則由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在設(shè)計(jì)過程中往往無(wú)法知道局部及總體強(qiáng)度等是否滿足設(shè)計(jì)要求, 只能靠一輪又一輪的設(shè)計(jì)試驗(yàn)來(lái)改進(jìn)，需要很長(zhǎng)的設(shè)計(jì)周期及很高的設(shè)計(jì)試制費(fèi)用，已很難適應(yīng)市場(chǎng)的需求。而采用cae技術(shù)，在汽車概念設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，隨著設(shè)計(jì)圖紙的一步步完善，汽車結(jié)構(gòu)的有限元模型也進(jìn)一步細(xì)化，使分析計(jì)算的結(jié)果更趨于準(zhǔn)確。這樣，在最終圖紙完備后, 就能使整車的強(qiáng)度、壽命指標(biāo)得到控制，大大地減少了樣車的制作和試驗(yàn)時(shí)間。cae技術(shù)不但對(duì)汽車整車或車身等大型結(jié)構(gòu)的宏觀控制發(fā)揮作用，對(duì)于解決汽車局部強(qiáng)度問題也很有效。在設(shè)計(jì)階段引入cae可以及早發(fā)現(xiàn)錯(cuò)誤，盡快修正錯(cuò)誤的目標(biāo)。圖2-2表示了采用cae技術(shù)

42、與不采用cae技術(shù)的設(shè)計(jì)、制造流程對(duì)比情況。 產(chǎn)品設(shè)計(jì)（cad）發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺點(diǎn)不采用cae技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程產(chǎn)品設(shè)計(jì)（cad）產(chǎn)品分析（cae）產(chǎn)品制造（cam）發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷采用cae技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)、制造流程產(chǎn)品制造（cam）圖2-2 設(shè)計(jì)、制造流程對(duì)比cae技術(shù)的價(jià)值就在于可以在產(chǎn)品設(shè)計(jì)初期，即圖紙?jiān)O(shè)計(jì)階段，通過建立基本的計(jì)算機(jī)分析模型，對(duì)所設(shè)計(jì)的產(chǎn)品進(jìn)行強(qiáng)度、壽命分析，運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，以得到所設(shè)計(jì)產(chǎn)品的各種性能，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，有效地提高設(shè)計(jì)產(chǎn)品的可靠性，縮短設(shè)計(jì)周期。如在汽車產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中采用cae技術(shù)，在汽車概念設(shè)計(jì)的同時(shí)，進(jìn)行靜態(tài)、動(dòng)態(tài)分析，平順性、操縱穩(wěn)定性仿真,在設(shè)計(jì)階段

43、即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷、錯(cuò)誤，及時(shí)地改進(jìn)這些缺陷和錯(cuò)誤，可以大大地減少樣車的制作和試驗(yàn)時(shí)間。2.4 cae的應(yīng)用分類籠統(tǒng)地講，汽車的每一個(gè)部件都可以做cae分析，但主要包括以下3大關(guān)鍵部分：圖2-3 汽車cae分析圖2.4.1 整車該部分的cae通常要做運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，以模擬如車輛行駛的平順性、舒適性和可通過性。這需要建立整車的虛擬樣機(jī)，以確定整車參數(shù)。通常要確定的主要整車參數(shù)有：行駛性、操縱穩(wěn)定性、振動(dòng)、噪聲和舒適性；輪胎、懸架的配備；車身的動(dòng)靜剛度、強(qiáng)度、壽命評(píng)價(jià)和車身固有頻率；駕駛室通風(fēng)、隔熱、噪聲；車身外流場(chǎng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流和熱交換；主動(dòng)安全性與被動(dòng)安全性水平等。2.4.2

44、大總成或者大的子系統(tǒng)汽車通常劃分為4大系統(tǒng)：車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)、電子電器系統(tǒng)。整車分析確定的參數(shù)，分解到各個(gè)總成后，需要對(duì)各總成進(jìn)行cae分析，以確定這些參數(shù)可以在各總成實(shí)現(xiàn)。2.4.3 零部件和小總成這部分主要是對(duì)零部件（子總成）做cae分析，如車門、車門密封條、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、懸架、面板、曲軸活塞、進(jìn)排氣系統(tǒng)、輪胎、輪轂等，以確定它們的力學(xué)特性是否符合總體設(shè)計(jì)要求，或者優(yōu)化以進(jìn)一步改進(jìn)初始設(shè)計(jì)。通過對(duì)這些關(guān)鍵部分的cae仿真分析，可以在概念設(shè)計(jì)階段就把握好產(chǎn)品各個(gè)方面的性能，排除問題。這對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)極為重要，因?yàn)閱栴}發(fā)現(xiàn)越早，解決問題的代價(jià)就越低。2.5 cae與cadcamcad是cae

45、和cam的基礎(chǔ)。在cae中無(wú)論是單個(gè)零件、還是整機(jī)的有限元分析及機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析，都需要cad為其造型、裝配；在cam中，則需要cad進(jìn)行曲面設(shè)計(jì)、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計(jì)。在cad中對(duì)零件及部件所做的任何改變，都會(huì)在cae和cam中有所反應(yīng)。cad/cam技術(shù)是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵手段，而cae技術(shù)就是實(shí)現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最主要技術(shù)保障。 目前眾多的設(shè)計(jì)單位將“cad”與“cae分析”截然分開，由不同的人或部門來(lái)完成設(shè)計(jì)與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評(píng)判等過程，造成了整個(gè)設(shè)計(jì)流程的不暢通。事實(shí)上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計(jì)過程中，cae應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段和環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)分析一體化。3 cae在汽車

46、設(shè)計(jì)制造中的應(yīng)用3.1汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析 汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標(biāo)。因此汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析也是cae技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。汽車結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析一般都是應(yīng)用有限元法對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算。由于汽車是一個(gè)非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的分析計(jì)算都是針對(duì)汽車的某些重要的部件或總成（例如車架、懸架、傳動(dòng)系等）。進(jìn)行分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動(dòng)力分析。 通過靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況。通過這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠、結(jié)構(gòu)的哪些部位會(huì)產(chǎn)生應(yīng)力集中、哪些部位強(qiáng)度不夠。以便對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)。 通過特征值分析可以求得結(jié)構(gòu)的固有頻

47、率以及相應(yīng)的振型。根據(jù)固有頻率和陣型，可以幫助設(shè)計(jì)人員分析、查找引起結(jié)構(gòu)振動(dòng)的原因、并進(jìn)而通過改進(jìn)結(jié)構(gòu)、避免發(fā)生共振。 通過瞬態(tài)動(dòng)力分析可以計(jì)算汽車結(jié)構(gòu)在動(dòng)載荷作用下的應(yīng)力、位移等物理量的影響情況。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時(shí)的應(yīng)力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用是的應(yīng)力、位移以及這些量隨時(shí)間和載荷變化的情況。3.2 車身覆蓋件成型過程的計(jì)算機(jī)仿真汽車覆蓋件主要是指覆蓋汽車發(fā)動(dòng)機(jī)、底部、駕駛室和車身的用金屬薄板沖壓成的表面零件和內(nèi)部零件。與一般沖壓件相比，形狀復(fù)雜（多為空間曲面），外輪廓尺寸大，材料相對(duì)厚度小，表面質(zhì)量要求高。工藝和模具設(shè)計(jì)流程可以歸納為：（1）收集工藝和模具設(shè)計(jì)必需

48、的原始產(chǎn)品資料；（2）產(chǎn)品可成形性分析；（3）確定合理的工藝方案、工序數(shù)和順序；（4）建立工序件模型；（5）工藝缺陷的預(yù)測(cè)和工藝方案的優(yōu)化；（6）確定模具工作型面、壓邊力、毛坯形狀和沖模行程等幾何和工藝參數(shù)，并選擇合適的壓力機(jī)和模具結(jié)構(gòu)；（7）編寫工藝文件；（8）模具可制造性評(píng)估；（9）模具結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)。覆蓋件工藝和模具設(shè)計(jì)的復(fù)雜性決定了上述流程是一個(gè)多次反復(fù)、不斷完善的過程。實(shí)踐證明，采用先進(jìn)的 cad/ cae/ cam 技術(shù)可以提高設(shè)計(jì)的效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)的周期，減少開發(fā)的成本。3.2.1 cae技術(shù)在汽車翼子板拉延模具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用薄板沖壓成型在汽車制造中是一種十分重要的制造技術(shù)。汽車

49、覆蓋件大都采用薄板沖壓而成,其模具制造周期影響汽車的制造成本以及新產(chǎn)品開發(fā)的周期。目前，國(guó)外汽車界提出了3r戰(zhàn)略，即：縮短產(chǎn)品的市場(chǎng)化周期、降低產(chǎn)品開發(fā)費(fèi)用和減輕汽車的質(zhì)量，其中一個(gè)重要環(huán)節(jié)就是降低車身覆蓋件模具的制造費(fèi)用和減少生產(chǎn)周期。沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)是薄板沖壓成型技術(shù)的關(guān)鍵，由于沖壓成型過程是一個(gè)非常復(fù)雜的物理過程，涉及力學(xué)中的三大非線性問題。幾何非線性(沖壓中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動(dòng)和大變形)；物理非線性(又稱材料非線性，指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形)；邊界非線性(指模具與板料產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系)。這些非線性的綜合，加上不規(guī)則的工件形狀，使得沖壓成型過程的計(jì)算相當(dāng)復(fù)雜，是傳

50、統(tǒng)方法無(wú)法解決的。傳統(tǒng)的模具與工藝設(shè)計(jì)只能以許多簡(jiǎn)化和假設(shè)為基礎(chǔ)進(jìn)行初步設(shè)計(jì)計(jì)算，然后大量地依靠經(jīng)驗(yàn)與反復(fù)試模、修模來(lái)保證零件的品質(zhì)。這樣的方法用于象汽車覆蓋件一類的要求精度高、成型性好的大型復(fù)雜零件的工藝與模具設(shè)計(jì)，不僅時(shí)間長(zhǎng)、費(fèi)用高，還往往難以保證零件的品質(zhì)。隨著非線性理論、有限元方法和計(jì)算機(jī)軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設(shè)計(jì)中發(fā)揮越來(lái)越大的作用。沖壓成型過程的計(jì)算機(jī)仿真實(shí)質(zhì)上是利用數(shù)字模擬技術(shù)，分析給定模具與工藝條件的所沖壓的板料變形的全過程，從而判斷模具和工藝方案的合理性。每次仿真就相當(dāng)于一次試模過程。因此成熟的仿真技術(shù)不僅可以減少試模次數(shù)，

51、在一定條件下還可使模具和工藝設(shè)計(jì)一次合格從而避免修模。這就可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。 3.2.2板料成型過程的顯式有限元計(jì)算板料成型的cae軟件是基于彈塑性有限變形理論開發(fā)的，根據(jù)算法的不同分為顯式和隱式兩大類，它們各有優(yōu)缺點(diǎn)。文中cadem軟件是采用顯式算法。采用4節(jié)點(diǎn)殼單元在每個(gè)單元的中面定義隨動(dòng)坐標(biāo)系如下。 s12te4t3圖3-1 隨動(dòng)坐標(biāo)系式中rij=rj-ri,ri為節(jié)點(diǎn)i的位置矢量，如圖3-1所示。該坐標(biāo)系與單元一起運(yùn)動(dòng)，所有物理量在隨動(dòng)坐標(biāo)系中定義。經(jīng)等參插值，得單元中的速度為 v=ntvi (3-1)式中vi為節(jié)點(diǎn)速度矢量；n為插值函數(shù)

52、，可表達(dá)為n(,)=+xbx+yby+ (3-2)=14as-(stx)b-(sty)by (3-3)bx=14a(ty)-(ty) (3-4)by=14a(tx)+(tx) (3-5)a=14a(tx)(ty)-(ty)(tx) (3-6)=14h-(htx)bx-(hty)by (3-7)式中t=-1,1,1,-1t=-1,-1,1,1=1,1,1,1,=1,-1,1,-1式中x、y為節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)矢量，速度梯度為 v=bv (3-8)板料成型系統(tǒng)必須滿足hu washizu變分原理，經(jīng)簡(jiǎn)化得 ut( btd+m¨u-fext-fc)+t(b-b)vd=0 (3-9)式中fext為外力

53、矢量，fc為接觸力矢量,m為質(zhì)量矩陣，為cauchy應(yīng)力張量，為假定的應(yīng)力場(chǎng)，b為應(yīng)變-位移矩陣， b為假定應(yīng)變場(chǎng)的應(yīng)變-位移矩陣, u為節(jié)點(diǎn)速度矢量，¨u為節(jié)點(diǎn)加速度矢量，為邊界域。選擇應(yīng)力場(chǎng)滿足(b-b)vd=0 (3-10)則控制方程為m¨u=fext+fc-fint (3-11)式中內(nèi)力為 fint= btd (3-12)在顯式算法中，式(3-13)求解如下un=m-1n(fextn+fcn-fintn) (3-13)un+12= un-12+t¨un (3-14)un+1=un+t un+12 (3-15)確定對(duì)角質(zhì)量矩陣mn后無(wú)須求解聯(lián)立方程組，即可由

54、式(3-13)得到n時(shí)刻的加速度¨un，再由式(3-14)、式(3-15)得n+1時(shí)刻的位移矢量un+1。接觸搜尋采用級(jí)域法，它是針對(duì)多物體接觸體系提出的，避免了主從面法處理多物體接觸的不便，并提高接觸搜尋效率。接觸力用防御節(jié)點(diǎn)法計(jì)算，防御節(jié)點(diǎn)法是一種既能精確計(jì)算接觸力，又能避免求解聯(lián)方方程組的算法。在防御節(jié)點(diǎn)法中，每個(gè)接觸對(duì)中都增加了一個(gè)虛擬的接觸節(jié)點(diǎn)即防御節(jié)點(diǎn)。盡管它是虛擬節(jié)點(diǎn)，但它具有一個(gè)普通有限元節(jié)點(diǎn)具有的所有屬性，如速度、加速度和力等。板料與模具間的摩擦力采用非經(jīng)典的非線性摩擦定律計(jì)算，彌補(bǔ)了庫(kù)侖摩擦定律沒有考慮摩擦力與相對(duì)滑移量之間關(guān)系的不足。翼子板屬于汽車外覆蓋件，要經(jīng)

55、過拉延、修邊沖孔、整形、翻邊等工序。由于外覆蓋件對(duì)幾何精度、強(qiáng)度、表面光潔度要求較高，所以在全套模具設(shè)計(jì)中拉延工序最為重要，也是難度最大的。工藝設(shè)計(jì)不當(dāng)常常會(huì)產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷，給模具調(diào)試造成較大的難度。應(yīng)用仿真軟件cadem可以模擬板料成型的全過程，及時(shí)預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的拉裂、起皺缺陷，為完善模面設(shè)計(jì)方案或修模提供依據(jù)。3.2.3 初始拉延工藝設(shè)計(jì)圖3-2 型面幾何模型初始型面設(shè)計(jì)主要依靠工藝設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)完成。如圖3-2是用ug軟件完成的幾何模型，它包括產(chǎn)品面、補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋。產(chǎn)品面是由零件的幾何形狀所決定的；補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋則是為使產(chǎn)品面達(dá)到成型要求而需增加的。因此設(shè)計(jì)合理的補(bǔ)充面、壓料面和拉延筋是獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的關(guān)鍵，工藝設(shè)計(jì)中通常主要考慮以下幾方面。壓料面：拉延深度的大小在很大程度上決定了產(chǎn)品的成型性。對(duì)于外覆蓋件來(lái)說(shuō)，衡量成型性好壞，不僅要看產(chǎn)品部分是否有充分的塑性變形，而且要看變形的分布是否均勻。成型性越好，則產(chǎn)品件剛性越好，且回彈小，有利于后序整形獲得精度較高的產(chǎn)品零件。壓料面的位置是根據(jù)適當(dāng)?shù)睦由疃却_定的。初步計(jì)算翼子板的拉延深度為5070mm。補(bǔ)充面：做補(bǔ)充面前要去掉產(chǎn)品面中的翻邊部分，如有后序整形，可以適當(dāng)放大產(chǎn)品部分的圓角和降低補(bǔ)充面的斜度。補(bǔ)充面是指從產(chǎn)品面邊緣延伸出來(lái)到壓料面的過渡面，補(bǔ)充面的設(shè)計(jì)要使拉延面盡可