計(jì)算機(jī)輔助工程CAE在汽車工程中的應(yīng)用ppt課件

1、CAE在汽車工程中的運(yùn)用.何謂CAE技術(shù)？CAE Computer Aided Engineering為計(jì)算機(jī)輔助工程的英文縮寫。采用虛擬分析方法對(duì)構(gòu)造場(chǎng)的性能進(jìn)展模擬仿真，預(yù)測(cè)構(gòu)造場(chǎng)的性能，優(yōu)化構(gòu)造場(chǎng)的設(shè)計(jì)，為產(chǎn)品研發(fā)提供指南，為處理實(shí)踐工程問題提供根據(jù)。.何謂CAE技術(shù)？涉及的知識(shí)面比較廣，如計(jì)算力學(xué)、計(jì)算數(shù)學(xué)、工程管理學(xué)、計(jì)算機(jī)圖形學(xué)、現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)等。利用CAE軟件可對(duì)產(chǎn)品進(jìn)展物理、力學(xué)性能分析、模擬、預(yù)測(cè)、評(píng)價(jià)和優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的技術(shù)創(chuàng)新。. CAE技術(shù)開展歷程 CAE的運(yùn)用首先是從有限元分析開場(chǎng)的。 20世紀(jì)50年代，在航空構(gòu)造設(shè)計(jì)中首先提出有限元法有限元法第一個(gè)勝利的嘗試是將剛架位

2、移法推行運(yùn)用于彈性力學(xué)平面問題。Turner、Clough等人在分析飛機(jī)構(gòu)造時(shí)采用三角形單元求出了平面應(yīng)力問題的正確解。.CAE技術(shù)開展歷程60年代后期，美國(guó)的大型通用有限元軟件MSC.NASTRAN首先運(yùn)用于航空航天。經(jīng)過數(shù)十年開展，其實(shí)際和運(yùn)用得到迅速開展、完善彈性力學(xué)平面問題擴(kuò)展到空間問題、板殼問題，靜力平衡問題擴(kuò)展到穩(wěn)定問題、動(dòng)力問題和動(dòng)搖問題.CAE技術(shù)開展歷程從彈性資料擴(kuò)展到塑性、粘彈性、粘塑性和復(fù)合資料等從固膂力學(xué)擴(kuò)展到流膂力學(xué)、傳熱學(xué)等延續(xù)介質(zhì)力學(xué)領(lǐng)域。從分析和校核擴(kuò)展到優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓補(bǔ)優(yōu)化設(shè)計(jì)等。.CAE技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)添加設(shè)計(jì)功能，減少設(shè)計(jì)本錢；縮短設(shè)計(jì)和分析的循環(huán)周期；添加產(chǎn)品和

3、工程的可靠性；采用優(yōu)化設(shè)計(jì)，降低資料的耗費(fèi)或本錢；在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題；模擬各種實(shí)驗(yàn)方案，減少實(shí)驗(yàn)時(shí)間和經(jīng)費(fèi)；進(jìn)展機(jī)械事故分析，查找事故緣由。.CAE技術(shù)的優(yōu)點(diǎn) 在汽車開展歷史上，至今還沒有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來宏大的報(bào)答。 統(tǒng)計(jì)結(jié)果闡明，運(yùn)用 CAE 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費(fèi)用占開發(fā)本錢的比例從80%90%下降到 8%12%。例如：美國(guó)福特汽車公司2000年運(yùn)用CAE后，其新車型開發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開發(fā)后期設(shè)計(jì)修正率減少50%；原型車制造和實(shí)驗(yàn)本錢減少50%；投資收益提高50%。 .有限元分析流程案例分析1、選擇CAD軟件和FEM軟件2

4、、建立物理模型3、前處置幾何清理及修補(bǔ)、劃分網(wǎng)格、施加約束及載荷4、求解5、后處置：計(jì)算結(jié)果的描畫和解釋.有限元分析流程案例分析1、選擇CAD軟件和FEM軟件常用的CAD建模軟件有：CATIA、UG、PRO/E、I-DEAS、SOLIDWORKS等常用的FEM軟件：前處置軟件：HYPERMESH、MSC.PATRAN、TRIG、ANSYS、ABAQUS(CAE)等求解軟件：MSC公司的系列軟件、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、FLUENT等后處置軟件：HYPERVIEW、ENSIGHT、ANSYS POST1/POST26、 ABAQUS(VIEWER)等.有限元分析流程案例分析 在

5、做有限元分析時(shí)，需根據(jù)不同的分析目的選擇不同的分析軟件，詳細(xì)如下：運(yùn)動(dòng)學(xué)/動(dòng)力學(xué)分析：MSC.ADAMS等線性分析如強(qiáng)度、剛度、位移等： MSC.NASTRAN、ABAQUSstandard模塊、ANSYS非線性分析：MARC耦合場(chǎng)分析如剛?cè)狁詈?、流固耦合、熱固耦合等?ANSYS金屬成形分析：DEFORM、DYNAFORM、LS-DYNA、ABAQUS(explicit)、MSC.MARC、MOLDFLOW、PAM-STAMP等碰撞分析： LSDYNA、PAM-CRASH、MADYMO等流場(chǎng)分析：FLUENT、STAR-CD、MSC.EASY等疲勞壽命分析：MSC.FATIGUE、FE.FA

6、TIGUE等振動(dòng)噪聲NVH分析:LMS軟件等系統(tǒng)過程集成及優(yōu)化分析軟件：OPTIMUS、ISIGHT等.有限元分析流程案例分析2、建立物理模型物理模型應(yīng)該在最大程度上與實(shí)物一致，否那么，會(huì)導(dǎo)致分析結(jié)果失真。建模軟件有：CATIA、UG、PRO/E、I-DEAS、SOLIDWORKS等原那么上由客戶提供物理模型以下圖是采用UG建立的發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的物理模型.有限元分析流程案例分析3、前處置幾何清理及修補(bǔ)將物理模型經(jīng)過IGS、STEP等格式導(dǎo)入到前處置軟件中會(huì)存在幾何信息如面、線等喪失問題，因此，需求對(duì)物理模型進(jìn)展修補(bǔ)，以確保物理模型不失真。網(wǎng)格劃分時(shí)，需求去掉小倒角、小孔等對(duì)分析結(jié)果影響較小的幾何特

7、征，以改善網(wǎng)格質(zhì)量。劃分網(wǎng)格 網(wǎng)格劃分綜合思索如下要素：分析目的線性或非線性、計(jì)算機(jī)軟硬件、計(jì)算精度、計(jì)算時(shí)間等。施加約束及載荷.CAE分析時(shí)應(yīng)留意的問題 將實(shí)踐工程問題轉(zhuǎn)化為力學(xué)問題要正確。分析對(duì)象的選取、載荷工況和施加載荷確實(shí)定、邊境條件位移約束條件確實(shí)定、構(gòu)造的剛度和質(zhì)量、載荷傳送途徑和應(yīng)力集中等問題的處置是CAE分析的關(guān)鍵。CAE模型的建立是在對(duì)分析對(duì)象進(jìn)展力學(xué)定性分析之后進(jìn)展的。.CAE分析時(shí)應(yīng)留意的問題 將實(shí)踐工程問題轉(zhuǎn)化為力學(xué)問題要正確。分析對(duì)象的選取、載荷工況和施加載荷確實(shí)定、邊境條件位移約束條件確實(shí)定、構(gòu)造的剛度和質(zhì)量、載荷傳送途徑和應(yīng)力集中等問題的處置是CAE分析的關(guān)鍵。C

8、AE模型的建立是在對(duì)分析對(duì)象進(jìn)展力學(xué)定性分析之后進(jìn)展的。.CAE分析時(shí)應(yīng)留意的問題 在處理實(shí)踐工程問題時(shí)要區(qū)分靜強(qiáng)度破壞、疲勞破壞和振動(dòng)耦合破壞。由于構(gòu)造破壞的緣由不同，處理問題的方法也不同。建立的有限元模型與分析目的有關(guān)。根據(jù)分析目的建立的公用有限元模型不宜提供分析目的以外的準(zhǔn)確信息。 .CAE分析時(shí)應(yīng)留意的問題 建立CAE分析指南對(duì)CAE分析非常重要。CAE分析模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的合理性必需用力學(xué)分析、分析閱歷、實(shí)驗(yàn)分析和實(shí)踐運(yùn)用情況進(jìn)展判別。CAE 分析的主要目的是優(yōu)化設(shè)計(jì)、經(jīng)過多方案比較和設(shè)計(jì)優(yōu)化分析選擇較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在普通情況下，不用CAE的計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)構(gòu)造“行還是“不行。.C

9、AE分析時(shí)應(yīng)留意的問題 關(guān)于實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證問題，應(yīng)認(rèn)識(shí)到實(shí)驗(yàn)分析和CAE分析都存在誤差，二者是相互驗(yàn)證的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)分析的結(jié)果和CAE分析的結(jié)果至少在規(guī)律方面應(yīng)該根本一樣，不能有顯著差別，數(shù)值誤差應(yīng)在允許的范圍之內(nèi)。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用一、剛度和強(qiáng)度分析1車架和車身的強(qiáng)度和剛度分析：提高其承載才干和抗變形才干、減輕其本身分量并節(jié)省資料。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用2齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析 經(jīng)過對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析，優(yōu)化齒輪構(gòu)造參數(shù)，提高齒輪的承載載力和運(yùn)用壽命。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用3發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用二、NVH分析 噪音(Noise)、振動(dòng)(Vib

10、ration)、平穩(wěn)(Harshness) 三項(xiàng)規(guī)范，通俗稱為乘坐 “溫馨感。 NVH規(guī)范的實(shí)驗(yàn)闡明，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% 作規(guī)范，日本轎車那么為75%，韓國(guó)轎車為50%。歐洲轎車懸架技術(shù)較高，所以乘坐溫馨，日本轎車設(shè)計(jì)時(shí)將人體工程學(xué)思索在內(nèi)，對(duì)提高乘坐溫馨感有很大協(xié)助。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用三、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。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 經(jīng)過對(duì)機(jī)構(gòu)

11、 進(jìn)展位移或軌跡的分析，可以確定某機(jī)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)所需得空間，判別當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件之間能否會(huì)相互關(guān)涉，確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的行程，調(diào)查構(gòu)件上某一點(diǎn)能否 實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置或軌跡要求。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 經(jīng)過對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)展速度分析，了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律能否滿足任務(wù)要求，了解機(jī)構(gòu)的受力情況。 經(jīng)過對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)展加速度分析，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。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用四、車輛碰撞模擬分析 汽車平安性分:自動(dòng)平安性和被動(dòng)平安性 自動(dòng)平安性是指汽車可以識(shí)別潛在的危險(xiǎn)自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的要素出 現(xiàn)時(shí)

12、，可以在駕駛員的支配下防止發(fā)生交通事故的性能. 被動(dòng)平安性是指汽車發(fā)生不可防止的交通事故后，可以對(duì)車內(nèi)乘員或行人進(jìn)展維護(hù)，以免發(fā)生損傷或使損傷 降低到最小程度。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用五、金屬板沖壓成型模擬分析 沖壓成型資料利用率高，產(chǎn)質(zhì)量量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化消費(fèi)-廣泛運(yùn)用。 在傳統(tǒng)的沖壓消費(fèi)過程中，無論是沖壓工序的制 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)過多次修正才干確定-導(dǎo)致消費(fèi)本錢高，消費(fèi)周期難以保證。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 沖壓成型過程數(shù)值模擬技術(shù)經(jīng)過對(duì)板材沖壓過程數(shù)值 模擬，在計(jì)算機(jī)上察看到模具構(gòu)造、沖壓工藝條件如壓邊力、沖壓方向、摩擦光滑

13、等和資料性能參數(shù)如皺曲、破裂的影響，提供最正確鈑料外形、合理的壓料面外形、最正確沖壓方向、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外形精度良好的沖壓件。該技術(shù)使試模時(shí)間大大縮短，從而減少制模本錢。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用六、疲勞分析 常規(guī)設(shè)計(jì)定型樣機(jī)疲勞實(shí)驗(yàn)需求幾年甚至更多時(shí)間來發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤、修正設(shè)計(jì)。 現(xiàn)代疲勞實(shí)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)壽命和反響優(yōu)化。這可把實(shí)驗(yàn)時(shí)間緊縮到原來的非常之一、百分之一，大大降低了開發(fā)本錢，縮短了開發(fā)周期。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 根據(jù)疲勞實(shí)際，疲勞破壞主要由循環(huán)載荷引起。從實(shí)際上說，假設(shè)汽車

14、的輸入載荷一樣，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)通常能夠在較短的時(shí)間里完成，因此，可以到達(dá)實(shí)驗(yàn)加速的目的。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用七、空氣動(dòng)力學(xué)分析 汽車空氣動(dòng)力學(xué)主要是運(yùn)用流膂力學(xué)的知識(shí)， 研討汽車行駛時(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外形對(duì)空氣流動(dòng)和空氣動(dòng)力的 影響。此外，空氣對(duì)汽車的作用還表如今汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、車廂里的通風(fēng)換氣、車身外外表的清潔、氣流噪聲、車身外表覆蓋件的振動(dòng)、甚至刮水器

15、的性能等方面 的影響。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用八、虛擬試車場(chǎng)整車分析 CAE技術(shù)的飛速開展、軟硬件功能的大幅度提高使得整車系統(tǒng)仿真曾經(jīng)成為能夠。美國(guó)工程技術(shù)協(xié)作公司ETA在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺(tái)上二次開發(fā)推出的虛擬實(shí)驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)virtual proving ground, VPG就是一個(gè)對(duì)整車系統(tǒng)性能全面仿真適用軟件的代表。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。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 VPG是在ANSYS/LS-DYAN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，思索系統(tǒng)各類非線性，以規(guī)范路面和車速為負(fù)荷，對(duì)整車系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)展構(gòu)造疲勞、

16、權(quán)頻率振動(dòng)噪聲分析和數(shù)據(jù)處置、以及碰撞歷程仿真，到達(dá)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)。 .CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用九、焊裝模擬分析 傳統(tǒng)的機(jī)器人焊接途徑規(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，由工藝人員根據(jù)閱歷或類似工藝離線編制機(jī)器人加工程序，設(shè)計(jì)加工工藝。所編寫的程序輸入到相應(yīng)設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)室里預(yù)操作，記錄下每次偏向位置，重新編程、設(shè)計(jì)直至滿足消費(fèi)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 題無法處理。一旦涉及多機(jī)器人協(xié)同加工，那么往往在實(shí)驗(yàn)室中采用步進(jìn)式逼近方法配合專家閱歷加以

17、處理，以免發(fā)生碰撞，損壞設(shè)備。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 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)器人加工途徑進(jìn)展離線規(guī)劃，并經(jīng)過仿真加工進(jìn)展驗(yàn)證，到達(dá)指點(diǎn)實(shí)踐消費(fèi)的目的。 虛擬制造的根底是采用計(jì)算機(jī)支持的技術(shù)，運(yùn)用數(shù)字建模和 仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等來模擬消費(fèi)、加工和裝配等過程，在計(jì)算機(jī)上將產(chǎn)品“制造出來，實(shí)現(xiàn)將工藝過程轉(zhuǎn)為數(shù)字化操作，再由數(shù)字化操作指點(diǎn)實(shí)踐消費(fèi)。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用 經(jīng)過建立消費(fèi)加工的仿真模型研討制造活動(dòng)，運(yùn)用戶在設(shè)計(jì)階段可以了解產(chǎn)品未來制造過程，實(shí)現(xiàn)對(duì)消費(fèi)系統(tǒng)性能有效的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。在仿真環(huán)境下的試運(yùn)轉(zhuǎn)，有利于進(jìn)展多工藝方案比較

18、，更有利于多機(jī)器人焊接軌跡的選取與優(yōu)化。.CAE在汽車行業(yè)的運(yùn)用. CAE技術(shù)的開展方向與CAD軟件的無縫集成 在用CAD軟件完成構(gòu)造設(shè)計(jì)后，自動(dòng)生成有限元網(wǎng)格并進(jìn)展計(jì)算，假設(shè)分析的結(jié)果不符合設(shè)計(jì)要求那么重新進(jìn)展構(gòu)造和計(jì)算，直到稱心為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)程度和效率。. CAE技術(shù)的開展方向加強(qiáng)可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處置功能 早期研討重點(diǎn)在于推導(dǎo)新的高效率求解方法和高精度的單元。 隨著數(shù)值分析方法的逐漸完善及計(jì)算機(jī)運(yùn)算速度的飛速開展，整個(gè)計(jì)算系統(tǒng)用于求解運(yùn)算的時(shí)間越來越少，而數(shù)據(jù)預(yù)備和運(yùn)算結(jié)果的表現(xiàn)問題卻日益突出。 因此，開發(fā)對(duì)用戶友好的前置建模和后置數(shù)據(jù)處置模塊對(duì)提高任務(wù)效率非常重要。. CAE技術(shù)的開展方向由求解線性問題開展到非線性問題 工程分析中涉及到的大變形、大位移、接觸等，僅靠線性計(jì)算實(shí)際難以獲得稱心的結(jié)果，只需采用非線性數(shù)值算法才干處理。而非線性的數(shù)值計(jì)算比較復(fù)雜，涉及到很多專門的數(shù)學(xué)問題和運(yùn)算技巧，很難為普通工程技術(shù)人員所掌握。 因此，需求開發(fā)高效的非線性求解器以及豐富和適用的非線性資料庫。. CAE技術(shù)的開展方向從單純的構(gòu)造力學(xué)計(jì)算開展到求解許多物理場(chǎng)問題 數(shù)值模擬分析從構(gòu)造化矩陣分析逐漸推行到板、殼和實(shí)體等延續(xù)體固膂力學(xué)分析，進(jìn)而開展到流膂力學(xué)、溫度場(chǎng)、電傳導(dǎo)、磁場(chǎng)、滲流和聲場(chǎng)等問題的求解計(jì)算，