CAE在汽车设计制造中的应用.docx
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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CAES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
1.1CAE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/ENGINEERUnigraphics、SolidEdge、IDEASBentley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
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CADCAMCAPPPDM等软件无缝集成的关键性软
件成份。
1.2CAE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CAES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莫型，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）。
NXNASTRANMCAE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。
NXMOTIOI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ADAM和RecurDyn两个世界知名多体求解器，使用非常方便，跟CA［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NASTRA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。
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%g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：
J前处理
1
—
右限元分折
1T后处理；
图2-1CAE—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，设计优化与模型修改等。
用户界面模块——弹出式下拉菜单，对话框，数据导入与导出宏命令，以及相关的GUI图符等。
数据管理系统与数据库一一不同的CAE软件所采用的数据管理技术差异较大，有文件管理系统，关系型数据库管理系统及面向对象的工程数据库管理系统。
其数据库应该包括构件与模型的图形和特性数据库，标准规范及有关知识库等。
共享的基础
算法模块一一如图形算法，数据平滑算法等。
CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定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，材料库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、仿真能力越强。
一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。
先进高效的求解算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异，特别是在并行计算机环境下运行。
随着CAE软件开发商对单元库，材料库和求解器的改造，扩充和完善，目前国际上先进的CAE软件，已经可以对工程和产品进行如下的性能分析，预报及运行行为模拟：
静力和拟静力的线性与非线性分析一一包括对各种单一和复杂组合结构的弹性，弹塑性，塑性，蠕变，膨胀，几何大变形，大应变，疲劳，断裂，损伤，以及多体弹塑性接触在内的变形与应力应变分析。
线性与非线性动力分析一一包括交变荷载，爆炸冲击荷载，随机地震荷载以及各种
运动荷载作用下的动力时程分析，振动模态分析，谐波响应分析，随机振动分析，屈曲与稳定性分析等。
静态与瞬态热分析——包括传导，对流和辐射状态下的热分析，相变分析，以及热
/结构耦合分析。
静态和交变态的电磁场和电流分析——包括电磁场分析，电流分析，压电行为分析
以及电磁/结构耦合分析。
流体计算一一包括常规的管内和外场的层流，端流，热/流耦合以及流/固耦合分析。
声场与波的传播计算一一包括静态和动态声场及噪声计算，固体，流体和空气中波
的传播分析等。
前后处理是近十多年发展最快的CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户需求，使通用软件专业化、属地化，并实现CADCAMCAPPPDM等软件无缝集成的关键性软件成分。
它们是通过增设CAD软件，例如Pro/Engineer，UGSolidedge，CATIAMDT等软件的接口数据模块，实现了CAD/CAE的有效集成。
CAE通常指有限元分析和机构的运动学及动力学分析。
有限元分析可完成力学分析（线性、非线性、静态、动态）；场分析（热场、电场、磁场等）；频率响应和结构优化等。
机构分析能完成机构内零部件的位移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机构参数的优化。
2.2.3CAE的作用
（1）增加设计功能，借助计算机分析计算，确保产品设计的合理性，减少设计成本；
（2）缩短设计和分析的循环周期；
（3）CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极大的“物理样机验证设计”过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；
（4）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；
（5）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；
（6）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；
（7）进行机械事故分析，查找事故原因。
2.3CAE的价值
CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为企业带来巨大的技术经济效益。
在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比,
为汽车企业带来巨大的回报。
汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争日趋激烈。
随着
新产品推出的速度越来越快，CAE在汽车行业的应用越来越多，水平也在逐步提咼。
统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%-90%下
降到8%〜12%例如：
美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到12〜18个月；开发后期设计修改率减少50%原型车制造和试验成本减少50%投资收益提高50%
其最大优点是可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命及特性预测，从而指导产品设计，使产品设计指标得到保证，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。
如汽车产品采用传统的经验设计一试验校核的方法，则由于结构的复杂性，在设计过程中往往无法知道局部及总体强度等是否满足设计要求，只能靠一轮又一轮的设计试验来改进，需要很长的设计周期及很高的设计试制费用，已很难适应市场的需求。
而采用CAE技术，在汽车概念设计的同时，进行静态、动态分析，随着设计图纸的一步步完善，汽车结构的有限元模型也进一步细化，使分析计算的结果更趋于准确。
这样，在最终图纸完备后，就能使整车的
强度、寿命指标得到控制，大大地减少了样车的制作和试验时间。
CAE技术不但对汽车
整车或车身等大型结构的宏观控制发挥作用，对于解决汽车局部强度问题也很有效。
在设计阶段引入CAE可以及早发现错误，尽快修正错误的目标。
图2-2表示了采用CAE技术与不采用CAE技术的设计、制造流程对比情况。
不采用CAE技术的产品设计、制造流程
采用CAE技术的产品设计、制造流程
图2-2设计、制造流程对比
CAE技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、动力学仿真，以得到所设计产品的各种性能，从而指导产品设计，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周
期。
如在汽车产品的设计中采用CAE技术，在汽车概念设计的同时，进行静态、动态分析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地
改进这些缺陷和错误，可以大大地减少样车的制作和试验时间。
3CAE在汽车设计制造中的应用
3.1汽车结构强度分析
汽车结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标。
因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。
汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对汽车的结构进行数值计算。
由于汽车是一个非常复杂的结构。
大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要的部件或总成（例如车架、悬架、传动系等）。
进行分析的内容主要
包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。
通过静力分析可以得到结构的应力、位移分布情况。
通过这些分布情况可以判断结构在工作载荷作用下是否安全、可靠、结构的哪些部位会产生应力集中、哪些部位强度不够。
以便对结构进行改进设计。
通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型。
根据固有频率和阵型，可以帮助设计人员分析、查找引起结构振动的原因、并进而通过改进结构、避免发生共振。
通过瞬态动力分析可以计算汽车结构在动载荷作用下的应力、位移等物理量的影响
情况。
例如汽车在以一定速度通过颠簸不平的道路时的应力、位移；汽车在受到冲击载荷作用是的应力、位移以及这些量随时间和载荷变化的情况。
3.2车身覆盖件成型过程的计算机仿真
汽车覆盖件主要是指覆盖汽车发动机、底部、驾驶室和车身的用金属薄板冲压成的表面零件和内部零件。
与一般冲压件相比，形状复杂（多为空间曲面），外轮廓尺寸大，
材料相对厚度小，表面质量要求高。
工艺和模具设计流程可以归纳为：
（1）收集工艺和
模具设计必需的原始产品资料；
（2）产品可成形性分析；（3）确定合理的工艺方案、工序数和顺序；（4）建立工序件模型；（5）工艺缺陷的预测和工艺方案的优化；（6）确定模具工作型面、压边力、毛坯形状和冲模行程等几何和工艺参数，并选择合适的压力机和模具结构；（7）编写工艺文件；（8）模具可制造性评估；（9）模具结构详细设计。
覆盖件工艺和模具设计的复杂性决定了上述流程是一个多次反复、不断完善的过程。
实践
证明，采用先进的CAD/CAE/CAM技术可以提高设计的效率和质量，缩短开发的周期，减少开发的成本。
3.2.1CAE技术在汽车翼子板拉延模具设计中的应用
薄板冲压成型在汽车制造中是一种十分重要的制造技术。
汽车覆盖件大都采用薄板冲压而成，其模具制造周期影响汽车的制造成本以及新产品开发的周期。
目前，国外汽车界提出了3R战略，即：
缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车的质量，其中一个重要环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和减少生产周期。
冲压工艺与模具设计是薄板冲压成型技术的关键，由于冲压成型过程是一个非常复杂的物理过程，涉及力学中的三大非线性问题。
①几何非线性（冲压中板料产生大位移、大
转动和大变形）；②物理非线性（又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形）；③边界非线性（指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系）。
这些非线性的综合，加上不规则的工件形状，使得冲压成型过程的计算相当复杂，是传统方法无法解决的。
传统的模具与工艺设计只能以许多简化和假设为基础进行初步设计计算，然后大量地依
靠经验与反复试模、修模来保证零件的品质。
这样的方法用于象汽车覆盖件一类的要求精度高、成型性好的大型复杂零件的工艺与模具设计，不仅时间长、费用高，还往往难以保证零件的品质。
随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，薄板冲压成型的计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥越来越大的作用。
冲压成型过程的计算机仿真实质上是利用数字模拟技术，分析给定模具与工艺条件的所
冲压的板料变形的全过程，从而判断模具和工艺方案的合理性。
每次仿真就相当于一次试模过程。
因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和工艺设计一次合格从而避免修模。
这就可大大缩短新产品开发周期，降低开发成本，提高产品品质和市场竞争力。
323初始拉延工艺设计
图3-2型面几何模型
初始型面设计主要依靠工艺设计人员的经验完成。
如图3-2是用UG软件完成的几
何模型，它包括产品面、补充面、压料面和拉延筋。
产品面是由零件的几何形状所决定的；补充面、压料面和拉延筋则是为使产品面达到成型要求而需增加的。
因此设计合理的补充面、压料面和拉延筋是获得高品质产品的关键，工艺设计中通常主要考虑以下几
方面。
压料面：
拉延深度的大小在很大程度上决定了产品的成型性。
对于外覆盖件来说，衡量成型性好坏，不仅要看产品部分是否有充分的塑性变形，而且要看变形的分布是否均匀。
成型性越好，则产品件刚性越好，且回弹小，有利于后序整形获得精度较高的产品零件。
压料面的位置是根据适当的拉延深度确定的。
初步计算翼子板的拉延深度为
50〜70mm
补充面：
做补充面前要去掉产品面中的翻边部分，如有后序整形，可以适当放大产品部分的圆角和降低补充面的斜度。
补充面是指从产品面边缘延伸出来到压料面的过渡面，补充面的设计要使拉延面尽可能圆滑，有利于材料的流动。
有时为了改善材料的流
动状况而增加一些突起等结构。
凹模圆角：
依据经验初步设计凹模圆角半径为10mm
拉延筋：
拉延筋是用来控制和改善材料流动状况的。
初步设计拉延筋圆角半径为6mm筋高5mm为保证成型件的成型性，并便于调整，采用双拉延筋。
因为翼子板是外覆盖件，对产品的表面质量要求很高，布置拉延筋的位置时，要避免产品部分出现啮痕线。
324计算机仿真
仿真软件CADE采用的是等效拉延筋模型，这对于修改工艺参数是有利的。
因为修改拉延筋的形状和尺寸，是修模的主要手段之一。
在初始型面数模中可以不画出拉延筋，通过仿真计算确定合理的拉延筋的尺寸和位置后，再在几何模型中增加拉延筋供加工。
图3-3为凹模的有限元模型，凸模、压边圈的有限元模型是由凹模型面上相应的部分偏置板料厚度的110%R生而成。
按初设工艺条件进行仿真计算，板料厚度0.8mm材料为日本标准的SPCE摩擦系数取0.12，计算结果如图3-4所示。
从图中可以看出翼子板整体成型性比较好，只是角部颜色较深处会拉裂。
图3-3凹模有限元模型
图3-4初始工艺条件的仿真结果
325工艺改进
为消除翼子板角部可能出现的拉裂现象，采取如下改进措施。
（1）将拉裂的角上部圆角稍稍加大。
该圆角为非产品部
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