汽車CAE分析概述

1、汽車公司建立高性能的計(jì)算機(jī)輔助工程分析系統(tǒng)， 其專業(yè) CAE 隊(duì)伍 與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛 開展 CAE 應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計(jì)、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著 的作用。 CAE 應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：剛度、強(qiáng)度（應(yīng)用于整車、大小總成 與零部件分析，以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)） 、NVH 分析（各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲 等）、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析等；而車 輛碰撞模擬分析、 金屬板件沖壓成型模擬分析、 疲勞分析和空 氣動(dòng)力學(xué)分析的精度有進(jìn)一步提高，已投入實(shí)際使用，完全可以用于定性分析和改進(jìn)設(shè)計(jì)， 大大減少了這些費(fèi)用高、 周期長(zhǎng)的試驗(yàn)次數(shù)； 虛擬試車場(chǎng)整車分析正在著手研究， 此

2、外還有 焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。一、剛度和強(qiáng)度分析有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面因具有較高的計(jì)算精度而到普遍采用，特別是 在材料應(yīng)力 - 應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。另外，當(dāng)考慮機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時(shí)，像 ANSYS 、NASTRAN 等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。（1）車架和車身的強(qiáng)度和剛度分析：車架和車身是汽車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)雜的部件，對(duì) 于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高 其承載能力和抗 變形能力、 減輕其自身重量并節(jié)省材料。 另外， 就整個(gè)汽車而言， 當(dāng)車架和車身重量減輕后， 整車重量也隨之降低，從而改善整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。（

3、2）齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析： 齒輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系中普遍采用的傳動(dòng)零件。 通過(guò)對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析， 優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)， 提高齒輪的承載載力 和使用壽命。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析：以發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣 體的作用， 還會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。 缸蓋開裂事件時(shí)有發(fā)生。 如果僅采用在開裂處局部加強(qiáng) 的辦法加以改進(jìn)，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。有限元法提供了解決這一問(wèn)題的根本途徑。二、NVH 分析近年來(lái)， 隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)， 對(duì)汽車提出了更高要求。 為此，國(guó)際汽車界制定 NVH標(biāo)準(zhǔn)，即噪音（Noise）、振動(dòng)（Vibration）、平穩(wěn)（Har

4、shness）三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，通俗稱為乘坐轎車的舒適感 ”。對(duì) NVH 標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)試驗(yàn)表明，用顧客較喜歡的轎車作試驗(yàn)，在用水泥鋪得較平坦的公路 上，轎車以時(shí)速 40 公里的速度行駛， 如將歐洲產(chǎn)轎車的 NVH 以 100%作標(biāo)準(zhǔn)， 日本轎車則 為 75%，韓國(guó)轎車為 50% 。歐洲轎車懸架技術(shù)較高，所以乘坐舒適，日本轎車設(shè)計(jì)時(shí)將人 體工程學(xué)考慮在內(nèi)，對(duì)提高乘坐舒適感有很大幫助。三、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析就是根據(jù)原動(dòng)件的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求該機(jī)構(gòu)其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、軌 跡、速度和加速度， 以及這些構(gòu)件的角位移、 角速度和角加速度。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移或軌 跡的分析， 可以確定某機(jī)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)所需得空

5、間， 判斷當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件之間是否會(huì)互 相干涉，確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的行程，考察構(gòu)件上某一點(diǎn)能否 實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置或軌跡要求。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析， 可以了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求， 了解機(jī)構(gòu)的 受力情況。 通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析， 可以確定各構(gòu)件及構(gòu)件上某些點(diǎn)的加速度， 了解機(jī) 構(gòu)加速度的變化規(guī)律。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。四、車輛碰撞模擬分析汽車作為現(xiàn)代化交通工具，在給人們的生活帶來(lái)便利與樂(lè)趣的同時(shí)，也因其引起的交通 事故給人類的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅和傷害。 因此，汽車的安全性是汽車廠商、 消費(fèi)者、 政府部門高度關(guān)注的問(wèn)題。 汽車的安全性可劃分為主動(dòng)

6、安全性和被動(dòng)安全性。 主動(dòng)安全性是 指汽車能夠識(shí)別潛在的危險(xiǎn)自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出 現(xiàn)時(shí)，能夠在駕駛員的操縱下避 免發(fā)生交通事故的性能； 被動(dòng)安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后， 能夠?qū)噧?nèi)乘員 或行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最小程度。交通事故原因的統(tǒng)計(jì)分析表明， 以預(yù)防事故發(fā)生的主動(dòng)安全性只能避免5的事故，因此提高汽車被動(dòng)安全性日趨重要。五、金屬板沖壓成型模擬分析由于沖壓成型材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，故這一工藝方法在 汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。 在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)過(guò)程中， 無(wú)論是沖壓工序的制定、 工藝參數(shù)的 選取， 還是沖壓模具的設(shè)計(jì)、制造， 都要經(jīng)過(guò)多

7、次修改才能確定。 這種反復(fù)的調(diào)試過(guò)程造成 企業(yè)人力、物力和財(cái)力的大量消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生 產(chǎn)周期難以保證。沖壓成型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為改變這種傳統(tǒng)模式提供了強(qiáng)有力的工具。通過(guò)對(duì)沖 壓過(guò)程模擬分析得到最佳模具結(jié)構(gòu)和工藝條件， 并能通過(guò)對(duì)板材沖壓過(guò)程數(shù)值模擬， 在計(jì)算 機(jī)上觀察到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件（如壓邊力、沖壓方向、摩擦潤(rùn)滑等）和材料性能參數(shù) （如皺曲、破裂）的影響，還可以提供最佳鈑料形狀、合理 的壓料面形狀、最佳沖壓方向、 以及分析卸載和切邊后的回彈量， 并補(bǔ)償模具尺寸以得到尺寸和形狀精度良好的沖壓件。 該 技術(shù)使試模時(shí)間大大縮短，從而減少制模成本。六、疲勞分析傳統(tǒng)的疲勞技術(shù)由許多

8、經(jīng)驗(yàn)公式組成。這些經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)一些理論框架，從材料、零件 或結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中擬合而成。 驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞性能一般需要進(jìn)行疲勞試驗(yàn)。 疲勞分析 依賴于準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)， 同時(shí)也需要得到試驗(yàn)驗(yàn)證。 過(guò)去， 常規(guī)設(shè)計(jì)定型樣機(jī)疲勞試驗(yàn)需要 幾年甚至更多時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤、修改設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代疲勞壽 命設(shè)計(jì)技術(shù)是以電子技術(shù)（數(shù) 字信息）和計(jì)算機(jī)技術(shù)（數(shù)字仿真） 結(jié)合進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域， 將機(jī)械強(qiáng)度壽命由定性設(shè)計(jì)提 高到定量設(shè)計(jì)。 它立足于隨機(jī)、 動(dòng)態(tài)，整個(gè)受載過(guò)程的每一實(shí)時(shí)信號(hào)都參與設(shè)計(jì)， 而不僅僅 是一個(gè)最大值。 現(xiàn)代疲勞試驗(yàn)技術(shù)只需在計(jì)算機(jī)上用仿真技術(shù)， 用載荷譜模擬和加載， 預(yù)測(cè) 壽命和反饋優(yōu)化。這可把

9、試驗(yàn)時(shí)間壓縮到原來(lái)的十分之一、百分之一，大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。根據(jù)疲勞理論， 疲勞破壞主要由循環(huán)載荷引起。 從理論上說(shuō)， 如果汽車的輸入載荷相同， 那么所引起的疲勞破壞也應(yīng)該一樣。 因此， 可以在試車場(chǎng)上按一定的比例混合各種路面及各 種事件（如開門、關(guān)門、剎車等） ，重現(xiàn)這一載荷輸入。這一載荷重現(xiàn)通?？赡茉谳^短的時(shí) 間里完成，因此，可以達(dá)到試驗(yàn)加速的目的。七、空氣動(dòng)力學(xué)分析汽車空氣動(dòng)力學(xué)主要是應(yīng)用流體力學(xué)的知識(shí)，研究汽車行駛時(shí)，即與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng) 時(shí)，汽車周圍的空氣流動(dòng)情況和空氣對(duì)汽車的作用力（稱為空氣動(dòng)力） ，以及汽車的各種外 部形狀對(duì)空氣流動(dòng)和空氣動(dòng)力的影響。 此外，空氣對(duì)

10、汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、 車廂里的通風(fēng)換氣、車身外表面的清潔、氣流噪聲、車身 表面覆蓋件的振動(dòng)、甚至刮水器 的性能等方面的影響。為了減少空氣阻力系數(shù)， 現(xiàn)代轎車的外形一般用園滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。 前圍與側(cè)圍、前圍、 側(cè)圍與發(fā)動(dòng)機(jī)罩，后圍與側(cè)圍等地方均采用園滑過(guò)渡， 發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前下 傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃， 且與車頂園滑過(guò) 渡，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在 25 度 33 度之間， 側(cè)窗與車身相平，前后燈具、門手 把嵌入車體內(nèi)， 車身表面盡量光潔平滑， 車底用平整的蓋板蓋住， 降低整車高度等等， 這些 措施有助于減少空氣阻力系數(shù)。

11、八、虛擬試車場(chǎng)整車分析CAE 技術(shù)的飛速發(fā)展、軟硬件功能的大幅度提高使得整車系統(tǒng)仿真已經(jīng)成為可能。美國(guó) 工程技術(shù)合作公司（ ETA ）在 ANSYS/LS-DYAN 軟件平臺(tái)上二次開發(fā)推出的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技 術(shù)（ virtual proving ground, VPG ）就是一個(gè)對(duì)整車系統(tǒng)性能全面仿真實(shí)用軟件的代表。VPG技術(shù)是汽車 CAE 技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)很有代表性的進(jìn)展。VPG 是在 NASYS/LS-DY AN 軟件平臺(tái)上二次開發(fā)推出的，以整車系統(tǒng)為分析對(duì)象，考 慮系統(tǒng)各類非線性， 以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷， 對(duì)整車系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、 權(quán)頻率振動(dòng) 噪聲分析和數(shù)據(jù)處理、 以及碰撞歷程仿真， 達(dá)

12、到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期即可得到樣車道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果 的“整車性能預(yù)測(cè) ”效果的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。九、焊裝模擬分析機(jī)器人在車身焊裝工位上的大量應(yīng)用提高了車身的焊接質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)加工時(shí)間。但 如何能夠快速而準(zhǔn)確地完成全部焊點(diǎn)的加工， 即如何規(guī)劃?rùn)C(jī)器人焊接路徑問(wèn)題， 是目前汽車 制造企業(yè)迫切需要解決的問(wèn)題。傳統(tǒng)的機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃方法是根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的工位上的焊點(diǎn)數(shù)量和焊接順序,設(shè)計(jì)加工工藝。所編寫的程序輸重新編程、設(shè)計(jì)直至滿足生產(chǎn)題無(wú)法解決。一旦涉及多機(jī)器由工藝人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或類似工藝離線編制機(jī)器人加工程序， 入到相應(yīng)設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)室里預(yù)操作，記錄下每次偏差位置, 要求。這不僅耗時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)對(duì)于多機(jī)器人加工的碰撞問(wèn)人協(xié)同加工，則往往在實(shí)驗(yàn)室中采用步進(jìn)式逼近方法配合專家經(jīng)驗(yàn)加以解決，以免發(fā)生碰撞, 損壞設(shè)備。為此，現(xiàn)代車身焊裝模擬分析結(jié)合虛擬制造技術(shù)，在仿真環(huán)境下，運(yùn)用相應(yīng)的優(yōu)化算法 對(duì)車身焊裝工位的機(jī)器人加工路徑進(jìn)行離線規(guī)劃，并通過(guò)仿真加工進(jìn)行驗(yàn)證， 從而達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的目的。虛擬制造的