CAE技术及其在汽车行业中的应用

一、CAE技术简介

1、CAE技术及CAE软件

    计算机辅助设计、计算机辅助制造技术已经在一些大中型企业里得到应用，并取得比较好的成绩。计算机辅助制造技术包括：1、CAD——计算机辅助没计2、CAM——计算机辅助制造3、CAE——计算机工程分析。以上三种计算机辅助制造技术并不完全是独立的制造辅助技术，他们通过各种软件进行交叉分析，力图实现设计与分析的一体化，以简化设计过程，从而提升产品的品质，改善产品的性能。例如，CAD软件重在制作二维和三维的图形，以表现事物的主要特征。对于物体的内部特征，CAD软件往往用剖视图对模型进行剖视。但是这种表示方法并不能直观的体现复杂机构的内部构成，不利于机械的设计与进一步的改进。这时就要建立物体的三维模型，对物体图形直接进行CAE分析。此时，CAD/CAE技术就很好的解决了工程设计与计算相脱节的问题，对实现并进行工程设计提供了技术基础。在互相结合交叉发展的同时，CAD,CAM,CAE又分别在自己的领域进行突破性的发展。在这三者之中，CAE软件的主要功能是借助计算机，实现在产品生产以前对设计方案进行精确试验、分析和论证——即利用CAE技术进行真实模拟。作为CAE技术的载体，CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术，而形成的综合性、知识密集型信息产品。

    总之，CAE技术就是一个以收集数据进行工程分析、数据管理、试验、仿真和制造为基本，以三维实体建模为基础，从产品的设计阶段开始，按实际条件进行仿真和结构分析，并按性能要求进行设计和综合评价，从而以达到实现产品的设计优化为目的综合性软件。

2、CAE技术相关理论

    汽车计算机工程分析涉及的理论主要包括以下方面（资料）：计算力学、振动上程与控制、计算数学、软件技术、强度理论、疲劳理论、塑性成形的理论、柔体和多刚体动力学、计算机图形学等。

    CAE技术主要应用有限元法、仿真技术、优化设计：

    (1)有限元法：主要对象是汽车零部件及整体的结构分析，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容，可缩短开发周期、降低开发费用和提高设计质量。

    下面以车架为例进行有限元法的说明：

    首先建立有限元模型，即建立车架的几何造型设计，几何模型建立后进行单元网格划分，进一步求解，进行前置处理。对进行过前置处理的初步车架模型进行简化处理，如翻边、倒角等；进行连接处理，如焊接，螺接等；进行单元质量控制，对于网格的形状，主要控制歪斜、翘曲、长宽比、单元最大内角、单元最小内角、雅克比行列式值，这些质量控制因素直接影响计算的精度和收敛性。

    以上过程均以不同的CAE软件为基础，如MSC．Nastran求解器、CATIA、Hypermesh、ABAQUS、ANSYS、NASTRAN等。

    (2)仿真技术：主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容，用以构造系统模型，进行进一步分析，进行仿真。

    首先进行可行性研究，收集整车参数，进行概念设计。主要参数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性、轮胎、悬挂的配备、NVH分析的ISO2631评价水平、车身的刚度、强度、寿命评价和车身自然频率、轿厢通风、隔热、噪声、车身的空气动力学特性、发动机舱的气流和热交换、主动安全性（相应标准）和被动安全性（法规）水平等。在原参数的基础上，改变修整一些参数，应用CAE技术对“原型车”和“开发车”系统进行仿真。

    (3)优化设计：主要对象是结构设计参数，进行产品设计，对于重要的零件进行重点分析，如交叉节结构的连接方法等。车身开发的产品设计主要是产生包括所有部件的设计图纸，例如：前围、地板、保险杠、顶盖、车门、发动机和行李仓盖板等分总成以及门框的A、B和C柱、边梁、副车架、车后部钣金、行李仓等的设计，这些都需要应用CAE进行分析。

二、CAE技术在汽车上的应用

1、CAE技术在汽车业的发展及影响

    随着计算机技术和数值分析理论的发展，CAE技术的应用几乎贯穿了汽车设计的全过程，在现代汽车产品设计中扮演的角色着越来越重要。轿车产品开发一般分四个阶段——筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段，CAE技术的应用在产品开发的后三个阶段起着十分重要的作用。在传统的产品开发、设计中，有很多问题在设计阶段不能够被精确地分析，所以在确认阶段必然需要进行“设计→试制→试验→修改→再试制→再试验”的反复，浪费了大量资金和研发时间。然而，CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术，计算机代替了很大一部分的人力资源，经济效益是相当可观的。“统计结果表明，应用CAE技术后，开发期的费用占开发成本的比例从80%～90%下降到8%～12%。举例来说，美国福特汽车公司2000年应用CAE技术取得的成果是：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%。”

    一方面，CAE技术的应用使许多过去受条件限制无法分析的，尤其是非线性的复杂问题，通过计算机数值类比，进行仿真，得到满意的解答；另一方面，计算机辅助分析使大量繁杂的工程分析问题简单化，使复杂的过程层次化，节省了大量时间，避免了低水平重复的工作，使工程分析更快、更准确。

2、CAE技术在车辆中的应用

    现代汽车对结构设计提出了越来越高的要求，汽车结构分析已不满足于结构线性弹性分析。这就对CAE分析提出了使用真实载荷与动态参数设计的要求。

    实际上汽车结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室橡胶支承、悬挂大变形、零部件间连接的能量缓冲等。这就要求CAE更多地考虑非线性的影响。过去往往应用对比分析法（通过实际数与基数的对比来提示实际数与基数之间的差异，借以了解经济活动的成绩和问题的一种分析方法。）但是由于汽车零部件结构分析载荷的不定因素，大量零部件结构实际所受到的载荷到底是多大，往往很难明确给出，因此这种分析法不再适应越来越高的设计要求。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段（汽车在设计的使用期内，整车和零部件完好，不产生疲劳破坏），达到使用期后，零部件多受到损伤，以求产品轻量化，达到节约材料和节省能源的目的。这也对CAE分析提出了使用真实载荷仿真的要求。汽车整车性能，如舒适性、行驶操纵稳定性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到用动态参数设计的目标。

    “现在CAE应用于汽车上成熟的方面主要有：刚度和强度计算(应用于整车、大小总成和零部件分析以实现轻量化设计)、NVH分析(各种振动、噪音，包括摩擦噪音、风噪声等)、机构运动学分析。而车辆碰撞模拟分析、金属板件冲压成型模拟分析、疲劳分析和空气动力学分析。”这些分析的精度也有了进一步的提高，已经投入了实际的使用，完全可以用于定性分析和改进设计，大大减少了这些费用高、周期长的试验次数。国外大汽车公司经过几十年时间的经验积累，形成了实用的结构没计数据库、没计改变记录和设计规范(设计指导书)，日益广泛应用的CAE技术，有效地帮助和指导企业中的设计师进行汽车结构没计、耐撞性没计、耐疲劳以及轻量化没计。

3、应用在汽车上的CAE新技术：VPG技术

    VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。

   1．分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车身FEM模型、悬挂系（弹簧、减振器、动力控制臂）、转向梯形、车轮轮胎等整车非线性系统模型。这样，车身和悬挂系统与转向系统间难以明确的作用力关系已包含在分析模型之内。如图1所示。

图1 整车的分析模型

    2．分析模型数据库化。众所周知，计算模型建模工作量是很大的。但是，除车身模型是车型分析时必须建立的模型，悬挂结构、转向机构和轮胎是完全可以实现数据库化的。这是因为，这些结构对轿车来说，结构形式基本可以归纳成几种基本类型和数量有限的几个参数来描述。用户只需选择结构类型，给出参数即可产生计算模型。当然用户自行建立模型也是完全可以的。同时软件数据库可以增加用户模型数据，随着用户应用面的增多，数据库会更加丰富。当前悬挂数据库保存有McPherson液压减振器Strut、长短臂Short-long Arm、Hotchkiss渐变叶片弹簧(Leaf Spring)、后拖臂Trailing Arm、五连杆5-link、四连杆Quadra link和扭杆Twist Beam等十种结构数据库。另外，VPG还提供对Adams接口，导入兼容的Adams悬架模型。

图2 轮胎数字化模型

图3 路面数字化模型

    轮胎模型分为用于车身疲劳和寿命分析的轮胎模型；用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型和用于动力学分析的轮胎模型三种类性。疲劳分析轮胎模型，可以由内部函数构造产生、也可以从轮胎数据库中直接选择模型，许可用户直接输入试验数据，可选择SAE971100论文《用于车辆动力学分析及整车实时试验的轮胎模型的有效性》所述的模型。

    用于评价振动噪声NVH研究中应用的轮胎模型有更加详细的轮胎结构，模型使用非线性材料，可以选择B.G.KAO等人研究成果：《轮胎瞬态分析与显式有限元程序》论文——《轮胎科学与技术》所应用的模型。

    用于动力学分析的轮胎模型能反映三维自由和强迫振动，可适应高频谐波和随机激励的自由振动和接触振动模态。用户可以根据分析目的选择不同的轮胎模型，一般给出轮胎型号很快即可完成轮胎建模工作。

图4 碰撞计算研究用假人模型

图5 碰撞计算障碍物模型

    模型数据库还有碰撞计算研究用的假人模型、碰撞计算障碍物模型等可供用户引用。

    可见，应用VPG软件最大限度地方便用户建模，简化了计算数据准备工作，同时保证模型的质量和可比性。

    3．提供了全面的路面载荷。VPG软件提供了标准典型的路面模型，是通常整车试验标准考核路面，例如：交替摆动路面(Alternate Roll)、槽形路(Pothole Tracks)、鹅卵石路(Cobblestone Tracks)、大扭曲路(Body Twist Lane)、波纹路(Ripple Tracks)、搓板路(Washboards)以及比利时石块(Belgian Block)等。

    用户可以输入和保存自己的路面数据，也可以用任意三维数据构造特定的路面。VPG软件当前提供了美国MGA汽车试验场数字化数据库，并且准备录用中国海南汽车试验场路面数据。

图6 构造特定的路面

    4．从分析内容方面讲，VPG计算技术分析内容是多样化的。一个分析模型可以进行疲劳寿命计算、振动噪声分析计算、车辆碰撞历程仿真、碰撞时乘员安全保护等多种结构非线性分析。同时还可以进行整车非线性运动学和动力学计算，用来进行整车舒适性、高速行驶性能和操纵稳定性研究。

    疲劳分析可以根据计算结果整理出疲劳曲线进行寿命预测。

    振动噪声计算结果可以进行富利叶变换，进行NVH评价。

    碰撞仿真结果用于结构碰撞性能研究和依据FMVSS法规对乘员的安全作出评价。

图7 碰撞仿真模拟

    运动学和动力学计算可输出内外轮角（Ackerman Angle）、转动半径（Turn Radius）、内倾刚度（Roll Stiffness）、回转半径（Scrnb Radius）、前束角（Toe Angle）、内倾（Kingpin Inclination）、刹车点头和加速沉尾（Anti-dive/Anti-lift）、外倾角（Camber Angle）、后倾角（Caster Angle）和纵向摆动（Front/Rear Roll）等参数，进行整车性能评价。

    5．求解器是基于高度非线性软件LS－DYNA进行整车系统非线性分析。从这个角度看，VPG技术是一个高度非线性分析软件的一个汽车专用接口软件和支持它的数据库。

    6．计算结果后处理完全基于现代计算机图式化平台上，可以产生实时动画、疲劳预测、应力应变图、数据信号变换、绘制数据曲线图形等。

    从以上所述内容不难看出，VPG技术和传统CAE技术比有很大的特点和进步，分析使用方法也大为简化和方便了。

    例如：（1）在整车分析中，避免了传统CAE分析部件间受力关系难以确定的困难，如在车身随机响应疲劳分析中，避免了分析者必须通过样车试验确定悬挂支点对车身作用力谱，再对这些作用力谱滤波、强化、数字化和对车身支点施加谱载荷谱表等一系列复杂工作（对车身谱分析而言）。对悬挂转向系统运动学和动力学分析而言，不必将车身简化为刚体，车身对悬挂转向系统的弹性和非线性变形影响可真实计入计算分析中，从而提高了分析精度。

    （2）以整车为分析对象，边界条件只有路面和车速。这样分析载荷实现了规范化、标准化，使计算结果更加真实准确，可比性提高。因为路面载荷数据库是全面和权威的（如美国独立的汽车试验场MGA路面库），也可以是本公司使用的自行考核试验路面，分析结果更加真实可信。

    （3）计算是高度非线性分析，分析中包含了结构非线性因素、车身支撑和发动机支撑等橡胶连接件的非线性因素、悬挂转向系统连接和缓冲件的非线性因素、车轮轮胎的非线性因素、轮胎和地面接触条件等。因此分析结果中几乎排除了传统CAE技术分析时常使用的人为假定，大幅度提高计算精度。

图8 频率模态

    （4）在振动噪声分析中，由于模型有非常大的自由度，析出的振动频率可不受限制，完全可以得到NVH分析要求的250赫兹内的频率模态。NVH分析评价更加全面。

    （5）整车高速行驶性能、转向稳定性能计算也不再受制于传统计算方法中自由度数量，可同时考虑车身结构变形影响，使计算结果精度提高。

三、结语

    我国CAE技术应用已全面展开，单一计算模型和计算水平已达到国外同期水平。已经应用CAE软件于汽车产品开发的用户其实大多开发了多种专业接口，其内容和上文所述大同小异，有些接口软件还将ANSYS内部评价数据库编入软件中，但这些汽车公司开发的软件，目的是自行使用，对外是不公开的。VPG技术开发者ETA公司作为工程技术合作公司，长期为美国各大汽车公司服务，具有丰富的技术经验和软件开发能力，由于不是汽车产品制造公司，因此不存在软件开发后保密自用的问题，软件是比较开放的。因此可以说，VPG技术是当前汽车行业CAE应用的一个新进展