汽車工業(yè)CAE解決方案

1、汽車工業(yè)CAE解決方案摘 要：本文介紹了CAE在汽車工業(yè)中的重要作用和地位，同時(shí)對(duì)汽車研究設(shè)計(jì)的具體內(nèi)容和相關(guān)CAE軟件的對(duì)應(yīng)關(guān)系進(jìn)行了具體分析。針對(duì)目前幾種典型的應(yīng)用需求，本文給出了曙光相應(yīng)的解決方案，并列舉了之前的一些成功案例供參考。關(guān)鍵詞：CAE、汽車、高性能計(jì)算1. CAE簡介CAE（Computer Aided Engineering）即計(jì)算機(jī)輔助工程，廣義的CAE應(yīng)該包括計(jì)算機(jī)輔助于工程和產(chǎn)品研發(fā)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)品的功能、性能與安全可靠性進(jìn)行計(jì)算分析；進(jìn)而擴(kuò)充到對(duì)未來產(chǎn)品的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬仿真，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)缺陷，改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，證實(shí)

2、未來工程和產(chǎn)品的可用性與可靠性；并對(duì)工程的施工過程和產(chǎn)品的加工、成型過程進(jìn)行模擬仿真，優(yōu)化工藝流程，提高工程或產(chǎn)品的質(zhì)量和生產(chǎn)效率。CAE起源于20世紀(jì)50年代中期。實(shí)用的CAE軟件誕生于20世紀(jì)70年代初期。從1970年到1985年的15年間，是CAE軟件的功能和算法的擴(kuò)充和完善期，到了20世紀(jì)80年代中期，國際上逐步形成了數(shù)十個(gè)商品化的通用和專用的CAE軟件。CAE是工程科學(xué)家進(jìn)行科學(xué)和技術(shù)研究的三大手段之一，可以幫助科學(xué)家揭示用物質(zhì)實(shí)驗(yàn)手段尚不能揭示或很難揭示的科學(xué)奧秘和科學(xué)規(guī)律；同時(shí)也是支持工程師進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì)的最重要的工具和手段，其應(yīng)用領(lǐng)域越來越大，已廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車、土木、機(jī)

3、械、材料分析等諸多領(lǐng)域，成為結(jié)構(gòu)性能分析與仿真的一種非常有效的手段，也是現(xiàn)代設(shè)計(jì)方法中的一個(gè)重要領(lǐng)域。 2. 汽車工業(yè)與CAE汽車工業(yè)代表著一個(gè)國家制造業(yè)發(fā)展的水平，它不僅是帶動(dòng)面最廣泛的工業(yè)，而且是高新技術(shù)的最大載體，一般航空、航天領(lǐng)域的高精尖技術(shù)只有通過汽車工業(yè)才能轉(zhuǎn)化為規(guī)模產(chǎn)業(yè)，所以汽車工業(yè)是或曾是幾乎所有發(fā)達(dá)國家的支柱產(chǎn)業(yè)。作為制造業(yè)的中堅(jiān)，汽車工業(yè)一直是CAE應(yīng)用的先鋒。CAE技術(shù)的應(yīng)用，有效地推動(dòng)了汽車制造業(yè)的前進(jìn)；汽車業(yè)的需求也極大地帶動(dòng)了CAE。多年來，汽車業(yè)的選型趨向一直是CAE技術(shù)發(fā)展的晴雨表，也是業(yè)內(nèi)人士關(guān)注的焦點(diǎn)。在汽車產(chǎn)品的研發(fā)過程中，CAE已經(jīng)成為設(shè)計(jì)鏈中必須的條件

4、，沒有CAE分析的設(shè)計(jì)就不能進(jìn)入下一個(gè)技術(shù)流程。新產(chǎn)品開涉及到的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問題，可成熟地在設(shè)計(jì)階段解決，這樣就可以大幅度提高設(shè)計(jì)質(zhì)量，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，節(jié)省大量開發(fā)費(fèi)用。2.1. 汽車工業(yè)CAE應(yīng)用分類CAE分析貫穿了汽車開發(fā)的全過程，小到螺栓預(yù)緊力分析，大到整車碰撞模擬和整車NVH（噪聲、振動(dòng)和聲振粗糙度）分析，CAE分析都發(fā)揮了無可替代的優(yōu)勢(shì)和作用。CAE分析范圍覆蓋了結(jié)構(gòu)、流體力學(xué)、多體動(dòng)力學(xué)、被動(dòng)安全、工藝、整機(jī)合整車性能等方方面面。概括起來，目前汽車開發(fā)過程中的CAE分析主要包括： 1. 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。汽車結(jié)構(gòu)有限元分析的應(yīng)用體現(xiàn)于：

5、 一是在汽車設(shè)計(jì)中對(duì)所有的結(jié)構(gòu)件、主要機(jī)械零部件的剛度、強(qiáng)度和穩(wěn)定性進(jìn)行分析； 二是在汽車的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和優(yōu)化設(shè)計(jì)中，用有限元法作為結(jié)構(gòu)分析的工具； 三是在汽車結(jié)構(gòu)分析中普遍采用有限元法來進(jìn)行各構(gòu)件的模態(tài)分析，同時(shí)在計(jì)算機(jī)屏幕上直觀形象地再現(xiàn)各構(gòu)件的振動(dòng)模態(tài)，進(jìn)一步計(jì)算出各構(gòu)件的動(dòng)態(tài)響應(yīng)，較真實(shí)地描繪出動(dòng)態(tài)過程，為結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)了提供方便。 2. 噪聲、振動(dòng)與不平順性(NVH)分析。有限元法除了廣泛應(yīng)用于汽車結(jié)構(gòu)分析外，還可應(yīng)用于車身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)，通過車身內(nèi)聲模態(tài)與整機(jī)模態(tài)的耦合，評(píng)價(jià)乘員感受的噪聲，并進(jìn)行噪聲控制。 3. 疲勞壽命與可靠性分析。汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)已進(jìn)入有限壽命設(shè)計(jì)階段，要求汽車在

6、設(shè)計(jì)的使用期內(nèi)整車和零部件完好，不產(chǎn)生疲勞破壞； 而達(dá)到使用期后，零部件盡可能多地達(dá)到損傷。以求產(chǎn)品輕量化，節(jié)約材料和節(jié)省能源。 4. 碰撞與安全性分析。汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動(dòng)安全性能。對(duì)于汽車被動(dòng)安全性能的要求，一是在碰撞時(shí)，車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量，緩和沖擊； 二是發(fā)生事故時(shí)，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對(duì)乘員的保護(hù)功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進(jìn)行車外救助和脫險(xiǎn)。 5. 氣動(dòng)或流場分析。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的飛速發(fā)展， 應(yīng)用計(jì)算流體力學(xué)(CFD)方法來預(yù)測汽車車身外部流場已成為可能。CFD 在汽車領(lǐng)域中的絕大部分應(yīng)用都集中于進(jìn)行汽車外流場

7、的數(shù)值模擬。在內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，CFD 已經(jīng)被作為一種重要而有效的工具加以利用。 6. 汽車的可操縱性分析。車輛的可操縱性分析是指利用整車多體動(dòng)力學(xué)模型，在駕駛?cè)藛T采用不同駕駛方法的情況下，對(duì)車輛的側(cè)傾穩(wěn)定性進(jìn)行仿真研究，還可以預(yù)測車輛在各種極限條件下的性能。 7. 整車性能的分析評(píng)價(jià)與預(yù)測。從整體的角度對(duì)汽車的各種性能進(jìn)行分析和預(yù)測，包括汽車的空氣動(dòng)力學(xué)特性、聲學(xué)特性、振動(dòng)特性、操縱穩(wěn)定性、乘坐舒適性、碰撞安全性等。 2.2. 汽車工業(yè)常用CAE軟件目前，國內(nèi)汽車工業(yè)進(jìn)行CAE分析以使用國外成熟的商業(yè)軟件為主，也有少量自編程軟件。常用的CAE軟件如下：l 前后處理Hyperworks，

8、Patranl 碰撞分析LSDyna，PamCrash、Radiossl 機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真Adamsl 非線性分析Ansys，Abaqus，Marcl 疲勞分析Fatiguel 流體分析Fluent ，Star-cd，AVL-Firel 鍛壓過程仿真SuperForgel 汽車內(nèi)噪音預(yù)測分析Akusmodl 多學(xué)科智能優(yōu)化iSightl 汽車自動(dòng)化建模SOFYl 發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析GT-Powerl 整車性能分析GT-Drivel 3. 曙光的汽車CAE解決方案由于受到計(jì)算機(jī)硬件價(jià)格和技術(shù)的制約，早期的汽車CAE軟件大多運(yùn)行在工作站甚至是配置較高的個(gè)人PC機(jī)上。然而，隨著汽車設(shè)計(jì)對(duì)CAE計(jì)算精度要

9、求的日益提高，CAE的計(jì)算規(guī)模和復(fù)雜程度迅速增長，個(gè)人PC機(jī)早已不能滿足應(yīng)用需求，目前大部分的汽車CAE軟件都在高性能服務(wù)器上進(jìn)行。針對(duì)不同的汽車CAE軟件和不同的計(jì)算規(guī)模，曙光公司給出了以下幾種典型方案供用戶參考：3.1. 方案一l 個(gè)人工作站節(jié)點(diǎn)型號(hào)A440r-F（1臺(tái)）基本配置CPU：2*AMD Opteron 2000內(nèi)存：816G硬盤：4*SATA (Raid 0)OS：Windows XP 64bit 專業(yè)圖卡：Nvidia Qudro FX 1500-5500（256MB-1GB）適用范圍小規(guī)模汽車CAE模擬適用軟件Hyperworks、Patran、Fluent、Star-cd

10、、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss等3.2. 方案二l 工作組服務(wù)器SMP節(jié)點(diǎn)型號(hào)A950r-F（1臺(tái)）基本配置CPU：8*AMD Opteron 8000內(nèi)存：3264G硬盤：4*SCSI/SAS (Raid 0)OS：RedHat / SuSe / WCCS適用范圍隱式結(jié)構(gòu)分析軟件的中、大規(guī)模計(jì)算適用軟件Ansys、Abaqus、Marc、Nastran等3.3. 方案三l 工作組服務(wù)器-Cluster節(jié)點(diǎn)型號(hào)A950r-F(1臺(tái))+820r-F(4臺(tái))lll基本配置A950r-F：CPU：8*AMD Opteron 8000內(nèi)存：3264G硬盤：4*

11、SCSI/SAS (Raid 0)A820r-F：CPU： 4*AMD Opteron 8000內(nèi)存：1632G硬盤：1*SCSIOS：RedHat / SuSe / WCCS網(wǎng)絡(luò)：GigaE / Infiniband適用范圍隱式結(jié)構(gòu)分析軟件的超大規(guī)模計(jì)算適用軟件Ansys、Abaqus、Marc、Nastran等說明主節(jié)點(diǎn)（A950）的特殊性：除了參與計(jì)算外，還負(fù)責(zé)讀入數(shù)據(jù)、分配計(jì)算單元、控制計(jì)算流程和收集計(jì)算結(jié)果3.4. 方案四l 工作組服務(wù)器-Blade節(jié)點(diǎn)型號(hào)TC2600(14臺(tái))基本配置CPU：2*AMD Opteron 2000內(nèi)存：48G（主節(jié)點(diǎn)內(nèi)存加倍）硬盤：1*SASOS：R

12、edHat / SuSe / WCCS網(wǎng)絡(luò)：GigaE / Infiniband適用范圍CFD軟件和顯示結(jié)構(gòu)分析軟件的中小規(guī)模（1臺(tái)）、大規(guī)模（22臺(tái)）和超大規(guī)模（24臺(tái)）計(jì)算適用軟件Fluent、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss等4. 曙光服務(wù)器在汽車行業(yè)的CAE應(yīng)用案例4.1. 案例一用戶單位長春一汽服務(wù)器配置4臺(tái)R4380A，用千兆以太網(wǎng)連接，每臺(tái)R4380A配置四路雙核CPU，整套服務(wù)器共計(jì)32CPU實(shí)施日期2006年9月使用情況用戶使用FORTRAN編譯器ABSOFT 9.0(STARCD版)、商業(yè)Fluent軟件和STAR-CD

13、軟件，模擬汽車行駛過程中車體所受風(fēng)載以及發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)部的復(fù)雜流場。幾個(gè)月的使用結(jié)果表明以上軟件在曙光機(jī)群上運(yùn)行穩(wěn)定，且具有較高的計(jì)算效率，大量的計(jì)算結(jié)果為汽車設(shè)計(jì)提供了強(qiáng)有力的理論支持，大大縮短了設(shè)計(jì)周期，節(jié)省了研發(fā)經(jīng)費(fèi)。4.2. 案例二用戶單位清華大學(xué)汽車系服務(wù)器配置8臺(tái)雙路AMD Opteron節(jié)點(diǎn)機(jī)集群；實(shí)施日期2004年使用情況用戶使用商業(yè)Fire、Fluent、STAR-CD軟件， 對(duì)汽車的外流場和發(fā)動(dòng)機(jī)的內(nèi)流場進(jìn)行模擬。三年多的使用結(jié)果表明，曙光機(jī)群對(duì)上述軟件的并行能夠很好的支持，且具有較高的并行效率。尤其是全流場模擬和精細(xì)網(wǎng)格流場模擬，這類在以前的計(jì)算機(jī)硬件條件下根本無法實(shí)施的大規(guī)模計(jì)算，在曙光機(jī)群上能夠順利完成。4.3. 案例三用戶單位上海超級(jí)計(jì)算機(jī)中心服務(wù)器配置512臺(tái)R4280節(jié)點(diǎn)機(jī)集群，myrinet高速計(jì)算網(wǎng)，每個(gè)節(jié)點(diǎn)4路單核AMD CPU，整個(gè)機(jī)群共2048顆CPU實(shí)施日期2003年使用情況上海大眾等國內(nèi)多個(gè)汽車研究機(jī)構(gòu)在上海超級(jí)計(jì)算中心機(jī)型汽車CAE輔助設(shè)計(jì)，運(yùn)行的軟件包括Fluent、StarCD、LS-Dyna和PamCrash等5.