CAE在汽车设计制造中的应用.docx

CAE在汽车设计制造中的应用.docx

《CAE在汽车设计制造中的应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《CAE在汽车设计制造中的应用.docx（36页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

CAE在汽车设计制造中的应用

CAE在汽车设计制造中的应用

摘要

本文介绍了CAE的概念、发展及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、汽车结构优化设计几个方面讲述了CAE技术在汽车产品设计制造中的应用。

关键词：

CAE，汽车设计制造，汽车动力学，仿真

CAEinCarDesignandManufacture

ABSTRACT

TheconceptofCAEanddevelopmentandresearchofCAEisintroducedinthisthesis.AnditintroducedtheimportanceofusingCAEindesigntoreduceerrors,shortenthedesigncycleandimproveproductdesignquality.Fromthestructuralstrengthofcar,bodypanelsformingprocessofcomputersimulation,vehiclecrashsafetyanalysis,automotivestructuraloptimizationtootherdesignaspects,thisthesisalsointroducedtheuseofCAEtechnologyinthedesignandmanufactureofautomotiveproducts.

KEYWORDS：

CAE，Automotivedesignandmanufacture，VehicleDynamics，Simulation

1概述

1.1CAE的历史

CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，直到80年代中期的十多年间，CAE软件是处在独立成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算法和软件结构。

1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内引进移植成功，掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。

在国内开发比较成功并拥有较多用户（100家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95、北京大学力学与科学工程系的SAP84、中国农机科学研究院的MAS5.0和杭州自动化技术研究院的MF—EP4.0等。

1985年前后，在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟的、国际上知名的CAE软件有NASTRAN、ANSYS、ASKA、MARC、ADINA、ABAQUS、MODULEF、DYN-3D等。

就软件结构和技术而言，这些CAE软件基本上是用结构化软件设计方法，采用FORTRAN语言开发的结构化软件、其数据管理技术尚存在一定缺陷，它们的运行环境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。

近15年是CAE软件的商品化发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，特别是用户界面和前、后处理能力，进行大幅度扩充；对软件的内部结果和部分软件模块，特别是数据管理和图形处理部分，进行了重大的改造。

新增的软件部分大都采用了面向对象的软件设计方法和C++语言，个别子系统则是完全使用面向对象软件方法开发的软件产品。

这就使得目前市场上知名的CAE软件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当前需求，这些CAE软件可以在超级并行机，分不是为集群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。

近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学与现代计算技术，从低效检验到高效仿真，从线性静力求解到非线性、动力仿真分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。

在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。

而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。

利用CAE软件，可以对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，并对其未来的工作状态和运行行为进行虚拟运行模拟，及早发现设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，软缩短研究开发周期。

它们与CAD/CAM/CAPP/[DM/ERP等软件一起，已经成为支持工程行业和制造企业信息化的主要信息技术之一。

借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司TWR短时间内（15周）完成一个紧凑型家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。

通过使用非线性仿真软件MSC.Dytran和MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。

计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术，越来越受到科技界和工程界的重视。

许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化，计算机模拟分析不仅在科学研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。

事实证明，在设计过程中的早期引入CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。

在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。

事实上，CAE技术是企业实现创新设计的最主要的保障。

企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地，就必须不断保持产品的创新。

衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。

目前，ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多行业得到了应用。

我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节，严重地制约了CAE技术的发展。

仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达5亿美元，并且以每年15%的速度递增。

相比之下，我国自己的CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的市场份额。

1.2CAE的发展

1.2.1CAE在国外的发展

当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：

（1）从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：

从板、壳和实体等连续体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题（所谓“流固耦合”的问题）；

（2）由求解线性工程问题进展到分析非线性问题；

（3）增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；

（4）与CAD软件的无缝集成。

都开发了和著名的CAD软件（例如Pro/ENGINEER、Unigraphics、SolidEdge、IDEAS、Bentley和AutoCAD等）的接口。

同时CAD综合型CAE工具的分析功能正逐渐加强；

（5）改进CAE方法中的优化技术：

引入各种优化技术，优化参数评价。

具备智能的网格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的网格奇化问题；非线性收敛的智能控制技术对非线性优化问题是不可或缺的。

CAE软件对工程和产品的分析模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料所包括的材料特性种类越全，其CAE软件对工程或产品的分析、仿真能力就越强。

而CAE软件的计算效率和计算结果的精度，则主要决定于解法库，先进高效的求解算法可能对计算效率造成几倍、几十倍甚至几百倍的提高。

近几年来国际上先进的软件在单元库、材料库、前后处理，特别是用户界面和数据管理技术等方面都有了巨大发展，已经可以对工程和产品进行静力和拟静力的线性和非线性分析；线性与非线性动力分析；稳态与瞬态热分析；静态和交变态的电磁场和电流分析；流体计算；声场与波的传播计算等。

前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户要求，使通用软件专业化、属地化，并实现与CAD、CAM、CAPP、PDM等软件无缝集成的关键性软件成份。

1.2.2CAE在国内的发展

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）。

NXNASTRAN（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。

NXMOTION模块针对汽车运动学、动力学仿真，集成于UGNX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。

NXFlow和NXThermal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。

NXFlow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。

NXThermal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。

NXFlow和NXThermal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。

UGSCAE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。

1.3CAE的发展趋势

1.3.1扩大仿真分析的范围

未来的产品设计将由产品功能主导产品外形、材料和加工工艺过程，所需的分析模拟范围将远远超出今天的范围。

设计人员必须考虑应力和振动、运动学、流体力学、装配建模、可靠性分析、人的因素和加工工艺及成本等等。

工程师必须能够真实地模拟产品的所有性能，结合贯穿产品生命周期的各种因素，获得对各种设计的模拟结果。

CAE软件也将由单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展。

多物理场耦合分析模拟——任何一个复杂的工程和产品大都是处在多物理场耦合，甚至是多相多态介质耦合状态下工作，其运行行为绝非是多个单一物理场问题，部分可能属于强非线性耦合。

对于这些问题，目前尚没有成熟可靠的理论，还处于基础性前沿研究阶段，但由于其强烈的工业背景，它们已经成为国内外科学家研究的主要目标。

高度集成化——包括两方面的含义。

狭义上的信息集成，即实现CAE与CAD、CAM、CAPP、ERP等各单元信息的集成，减少之间的数据传输与转换。

这主要依靠相同平台的软件、开发一定的数据转换接口程序、基于数据库的信息处理等方式实现。

广义上的“多集成”，即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成。

未来的趋势应该是实现技术、人和管理的集成。

在技术创新上，近年来变量化技术突飞猛进，取得了一系列理论成果，如变量化造型、变量化分析、变量化装配、变量化模架库等，并已在CAD领域取得了成功应用。

将来，必然会扩展到分析领域。

届时，实时的、随意的多方案分析过程将使CAE更加轻松自如。

1.3.2智能化、人性化

CAE作为设计分析人员进行产品研发的工具，必然务求易学好用，得心应手，而未来的大型通用CAD/CAE/CAM软件是一个多学科交叉的，综合性知识密集型产品，如何使用户更方便地使用软件，同时结合多学科多领域的知识经验来促进设计分析过程是一个不容回避的问题。

因此，开发更有效的支持用户使用这些软件的专家系统显得十分必要。

智能化将是发展的一个必然趋势。

同时，软件的工作环境应该尽可能解放使用者的头脑，开拓使用者的思路，让使用者集中精力于设计创作，这使得软件趋向于人性化，除了具备智能化的自动运算、推理判断、协助思考等功能外，还要以符合人们思维习惯的方式去判断、思考、表达与操作，以更强的用户界面提供更强的直观、直感、直觉性，更智能化地适应用户的要求。

1.3.3网络化

随着互联网的普及，宽带通信技术的突破，网络正改变着人们获取信息、共享数据和商品交易的方式，也改变着工程设计人员完成模拟仿真分析的传统方式。

软件供应商们已经认识到，是否提供电子网络销售将决定他们今后的竞争力。

所以软件用户将从现在的购买和安装软件逐步过渡到直接租用放在网上服务器的软件。

如MSC.Software公司已实现网上购买仿真分析软件，还与网络服务商和硬件商合作，通过服务器端大量的MSC.SOFTWREE软件与客户端的用户环境，提供有偿的软件周租或月租服务。

同时，基于网络的远程计算与分析设计将得到进一步发展，异地协同设计、分析、制造将成为现实。

企业的创新需求为CAE技术的发展提供了强大的动力，可以预见，随着科学技术的迅速发展和全球信息化，CAE必将取得更为巨大的成就，并继续对国民经济的发展做出重要贡献。

1.3.4我国CAE技术落后的原因

我国开展CAD/CAM技术应用工作并不算晚，通过引进，不少企业的软、硬件条件与国外相比也相差不大。

但是，为什么国内的汽车CAD/CAM技术应用与国外先进水平相比存在较大的差距呢?

我认为有以下几个原因:

（1）原有计划经济的原因。

在旧的经营模式下，企业领导干好干坏一个样，而采用CAD/CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，导致企业领导不够重视，怕影响正常的生产。

（2）管理上的缺陷。

由于条块分割，重复引进，企业相互之间缺乏必要的交流和协作,影响了CAD/CAM技术效益的发挥。

（3）人才培养的不足。

像福特、通用等汽车公司之所以CAD/CAM技术应用得好,是因为几十年来一直大力开展CAD/CAM应用而积淀下来的宝贵经验和培养出了一支高水平的技术队伍。

有钱可以买到先进的软、硬件，但一支高水平的技术队伍需要若干年的培养。

现在国内既懂计算机软、硬件，又有丰富专业知识的人才奇缺，而这恰是企业最为宝贵的财富。

.

1.3.5CAE今后发展方向及设想

目前，我国汽车行业中的大企业基本上具备了一定的CAE应用能力，但至今这种能力在汽车产品设计中仍未得到充分发挥，大多数产品的设计仍局限在经验上，这主要与CAE的规划、培训以及设计人员对CAE的重视程度、CAE分析周期长等因素有关。

针对这些问题，结合汽车产品的设计水平，应该采取以下措施来加速CAE的发展和促进其应用，使之尽快转变为生产力。

（1）切实重视CAE的发展，并使之与产品设计结合起来，最后达到在产品设计中能使用CAE技术的目的。

（2）制定长期的CAE发展规划，包括阶段研究方向、人员培训提高、计算机软、硬件的更新等。

目前，应集中力量研究CAE能够解决的设计问题，加强CAE模型与测试结果的对比研究，大幅度减少CAE模型的制作时间。

为此，可以考虑具体汽车结构的FEM分析系统，如车身结构分析系统，该系统包括基本的模型数据库、设计评价指标、CAE分析的基本步骤（先作静态刚度，然后进行模型分析、响应分析及灵敏度分析等），利用测试结果建立可靠的CAE模型，使CAE真正成为车身设计的有效工具。

（3）加强CAE的培训工作。

一方面是CAE专业人员能力的提高（可以通过高层次学习，如请人讲学等方式达到；另一方面是CAE专业人员有重点地培训产品设计人员，使现有较成熟的CAE技术尽快应用于设计。

（4）加强汽车行业中各大企业间CAE技术的协作。

在我国CAE发展水平还较低，企业CAE软、硬件的相互封锁，只能阻碍CAE的发展及应用，重复投资，重复劳动，使得本来就不太充足的人员和资金白白浪费掉。

因此,应该定期进行交流，共同提高，互相协作，做好规划，避免重复性投入。

（5）提高使用CAE技术的方便性。

为此，首先应尽快推进便于使用的结构分析程序，如ANSYS、NASTRAN等；其次，CAE专业人员的课题研究应把应用作为目标，把课题结果的规范化与培训设计人员使用CAE技术能力作为课题的重要组成部分。

（6）加强CAE与测试部门的结合，尽量缩短CAE的分析时间，用尽可能多的测试结果验证模型，使模型能最大限度地得以简化。

随着科学技术的迅猛发展，CAD/CAM技术正向集成化、智能化、网络化、标准化、可视化等方向发展。

新的技术正在不断出现，在这新旧交替之际，只要我们抓住机遇，就能跳跃前进，赶上世界科技发展的步伐；反之，如不能把握机会，则将更加落后。

可以相信，中国的汽车CAD/CAM事业前途光明，但需要大家付出艰辛的努力。

2CAE的相关理论

2.1CAE的基本概念

CAE（ComputerAidedEngineering）从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广，可以包括工程和制造业信息化的所有方面。

但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。

从广义上说，计算机辅助工程包括很多，从字面上讲，它可以包括工程和制造业信息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟，及早发现设计缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。

这里主要是指CAE软件。

CAE软件可以分为两类：

针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、预测和优化的软件，称之为专用CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用CAE软件。

CAE软件的主体是有限元分析（FEA，FiniteElementAnalysis）软件。

有限元方法的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，单元之间通过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。

由于单元的数目是有限的，节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。

这种方法灵活性很大，只要改变单元的数目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。

基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。

根据经验，CAE各阶段所用的时间为：

40%～45%用于模型的建立和数据输入，50%～55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占5%左右。

采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此过程为CAE的前处理。

同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、应力、温度、压力等分布的动态显示图。

我们称这一过程为：

CAE的后处理。

针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、装置（整机）乃至生产线、工厂的运动和运行状态。

2.2CAE的基本结构与功能

2.2.1CAE分析的三个步骤

应用这些CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时，一般要经历如图2-1所示步骤：

图2-1CAE一般步骤

（1）前处理－用图形软件首先对工程或产品进行实体建模，进而建立有限元分析模型。

（2）有限元分析－对有限元模型进行单元分析、有限元系统组装、有限元系统求解以及有限元结果生成。

（3）后处理－据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。

2.2.2CAE软件的结构与功能

CAE软件的基本结构其中包含以下模块：

前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入，节点载荷自动生成，有限元模型信息自动生成等。

有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。

大型通用题的物理、力学和数学特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。

一般有如下子系统：

线性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。

后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模