汽車計(jì)算機(jī)輔助工程分析CAE

1、第三篇 汽車計(jì)算機(jī)輔助工程分析 （汽車CAE技術(shù)）CAE 是計(jì)算機(jī)輔助工程(Computer-Aided Engineering)的英文簡(jiǎn)稱，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，企業(yè)可以建立產(chǎn)品的數(shù)字樣機(jī)，并模擬產(chǎn)品及零件的工況，對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行工程校驗(yàn)、有限元分析和計(jì)算機(jī)仿真。在產(chǎn)品開(kāi)發(fā)階段，企業(yè)應(yīng)用CAE能有效地對(duì)零件和產(chǎn)品進(jìn)行仿真檢測(cè)，確定產(chǎn)品和零件的相關(guān)技術(shù)參數(shù)，發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品缺陷、優(yōu)化產(chǎn)品設(shè)計(jì)，并極大降低產(chǎn)品開(kāi)發(fā)成本。在產(chǎn)品維護(hù)檢修階段能分析產(chǎn)品故障原因，分析質(zhì)量因素等。 有限元分析在CAE中運(yùn)用最廣，有限單元法的基本思想是將物體（即連續(xù)的求解域）離散成有限個(gè)簡(jiǎn)單單元的組合，用這些單元的集合來(lái)模擬或逼近原

2、來(lái)的物體，從而將一個(gè)連續(xù)的無(wú)限自由度問(wèn)題簡(jiǎn)化為離散的有限自由度問(wèn)題。物體被離散后，通過(guò)對(duì)其中各個(gè)單元進(jìn)行單元分析，最終得到對(duì)整個(gè)物體的分析結(jié)構(gòu)。隨著單元數(shù)目的增加，解的近似程度將不斷增大和逼近真實(shí)情況。 1、汽車CAE技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)代汽車對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提出了越來(lái)越高的要求，汽車結(jié)構(gòu)分析已不滿足于結(jié)構(gòu)線性彈性分析。實(shí)際上汽車結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中大量存在非線性結(jié)構(gòu)，例如發(fā)動(dòng)機(jī)、駕駛室橡膠支承、懸掛大變形、零部件間連接的能量緩沖等。在產(chǎn)品要求精益設(shè)計(jì)的條件下，只應(yīng)用線性分析普遍感到不足。產(chǎn)品開(kāi)發(fā)要求CAE更多地考慮非線性影響。 其次，汽車零部件結(jié)構(gòu)分析的一個(gè)難點(diǎn)是分析載荷的不定因素，大量零部件結(jié)構(gòu)實(shí)際所受到的載荷到

3、底是多大，往往很難明確給出。對(duì)此過(guò)去往往應(yīng)用對(duì)比分析法，但這越來(lái)越不適應(yīng)越來(lái)越高的設(shè)計(jì)要求。 第三，汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)已進(jìn)入有限壽命設(shè)計(jì)階段，這要求汽車在設(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（例如轎車一般設(shè)計(jì)壽命為八年），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。這也對(duì)CAE分析提出了使用真實(shí)載荷的要求。 汽車整車性能，如舒適性、行駛操縱穩(wěn)定性分析也不僅僅滿足于結(jié)構(gòu)剛性簡(jiǎn)化，還要求考慮結(jié)構(gòu)變形剛度影響，進(jìn)行整車非線性系統(tǒng)分析，以達(dá)到動(dòng)態(tài)參數(shù)設(shè)計(jì)的目標(biāo)。CAE技術(shù)在飛速發(fā)展，非線性軟件功能有了很大的提高，計(jì)算機(jī)硬件也提供了足夠的支持，所以CAE技術(shù)滿足上

4、述汽車現(xiàn)代設(shè)計(jì)要求是可能的。美國(guó)工程技術(shù)合作公司（ETA公司）推出的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)（VIRTUAL PROVING ROUND ，以下簡(jiǎn)稱VPG技術(shù)）即是針對(duì)上述要求發(fā)展的實(shí)用軟件。 汽車駕駛室開(kāi)發(fā)過(guò)程中的CAE應(yīng)用2、CAE在汽車開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用與實(shí)施CAE在汽車等機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用非常廣泛。如采用有限元法（FEM）計(jì)算機(jī)械零件的應(yīng)力和變形進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析；采用多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真分析；采用有限元法進(jìn)行汽車碰撞分析 。采用有限元法和邊界方法（BEM）分析汽車的噪聲等等?？梢哉f(shuō)，CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中所發(fā)揮的作用已經(jīng)無(wú)法被取代。 CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)

5、過(guò)程中的作用集中體現(xiàn)在三方面:1）CAE極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，在建模和分析過(guò)程中采用實(shí)體造型和參數(shù)化，模型和參數(shù)的修改都很方便，最終確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時(shí)間得到大幅度的縮短。2）減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。相對(duì)于道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)而言，利用CAE分析汽車整車及零部件的各種性能所需要的費(fèi)用大幅減少。 3）有利于通過(guò)優(yōu)化等手段開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。譬如通過(guò)優(yōu)化車架和車身的結(jié)構(gòu)參數(shù)減輕整車重量；通過(guò)優(yōu)化行走系和轉(zhuǎn)向系的參數(shù)提高整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性等。當(dāng)然，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，汽車CAE作用的發(fā)揮還依賴于兩個(gè)重要前提: 其一是對(duì)CAE技術(shù)的熟練掌握; 另一個(gè)是要提供最基本的實(shí)

6、驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。 這里所指的基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是指像輪胎特性數(shù)據(jù)、道路特性數(shù)據(jù)、各種材料的力學(xué)特性等。所謂相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)是指企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷積累的、能夠提供結(jié)構(gòu)形式和主要參數(shù)（包括價(jià)格、外協(xié)情況等）的數(shù)據(jù)。CAE 對(duì)汽車擺臂的優(yōu)化設(shè)計(jì)3、國(guó)內(nèi)汽車行業(yè)CAE技術(shù)應(yīng)用水平亟待提高在汽車發(fā)展歷史上，至今還沒(méi)有什么技術(shù)能與CAE技術(shù)相比，為汽車企業(yè)帶來(lái)巨大的回報(bào)。統(tǒng)計(jì)結(jié)果表明，應(yīng)用CAE技術(shù)后，新車開(kāi)發(fā)期的費(fèi)用占開(kāi)發(fā)成本的比例從80%90%下降到8%12%。例如：美國(guó)福特汽車公司2000年應(yīng)用CAE后，其新車型開(kāi)發(fā)周期從36個(gè)月降低到1218個(gè)月；開(kāi)發(fā)后期設(shè)計(jì)修改率減少50%；原型車制造和試

7、驗(yàn)成本減少50%；投資收益提高50%。汽車行業(yè)是一個(gè)高速發(fā)展的行業(yè)，其競(jìng)爭(zhēng)也日趨激烈，在這種情況下，新產(chǎn)品推出的速度也越來(lái)越快，這也對(duì)行業(yè)的CAE應(yīng)用提出了越來(lái)越高的要求。CAE技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價(jià)值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來(lái)巨大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益。 4、CAE應(yīng)用分類 在汽車行業(yè)，包括整車和零部件企業(yè)，哪些部分需要應(yīng)用到CAE技術(shù)呢？籠統(tǒng)地講，每一個(gè)部件都可以做CAE分析，但主要包括以下三大關(guān)鍵部分： 1、整車 2、大總成或者大的子系統(tǒng) 3、零部件和小總成 整車CAE該部分的CAE通常要做運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)仿真，以模擬如車輛行駛的平順性、舒適性和可通過(guò)性。這需要建立整車的虛擬樣

8、機(jī)，以確定整車參數(shù)。通常要確定的整車參數(shù)有：行駛性、操縱穩(wěn)定性、振動(dòng)、噪聲和舒適性；輪胎、懸架的配備；車身的動(dòng)靜剛度、強(qiáng)度、壽命評(píng)價(jià)和車身固有頻率；駕駛室(乘員室)通風(fēng)、隔熱、噪聲；車身外流場(chǎng)特性、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的氣流和熱交換；主動(dòng)安全性與被動(dòng)安全性水平等。 大總成或者大的子系統(tǒng)CAE汽車通常劃分為四大系統(tǒng)：車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)、電子電器系統(tǒng)。整車分析確定的參數(shù)，分解到各個(gè)總成后，需要對(duì)各總成進(jìn)行CAE分析，以確定這些參數(shù)可以在各總成實(shí)現(xiàn)。 零部件和小總成 CAE這部分主要是對(duì)零部件(子總成)做CAE分析，如車門、車門密封條、發(fā)動(dòng)機(jī)缸體、懸架、面板、曲軸活塞、進(jìn)排氣系統(tǒng)、輪胎、輪轂等等，以確定它們的力

9、學(xué)特性是否符合總體設(shè)計(jì)要求，或者優(yōu)化以進(jìn)一步改進(jìn)初始設(shè)計(jì)。 通過(guò)對(duì)這些關(guān)鍵部分的CAE仿真分析，可以在概念設(shè)計(jì)階段就把握好產(chǎn)品的各個(gè)方面的性能，排除問(wèn)題，這對(duì)于汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)極為重要，因?yàn)閱?wèn)題發(fā)現(xiàn)越早，解決問(wèn)題的代價(jià)就越低。 5、國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)CAE應(yīng)用現(xiàn)狀 國(guó)際上一些著名的汽車廠家如通用、福特、豐田、日產(chǎn)等以及大的零部件供應(yīng)商，在整車系統(tǒng)仿真、總成和零部件方面的CAE應(yīng)用水平比較高，有自己的CAE應(yīng)用規(guī)范和分析流程。而且這些企業(yè)長(zhǎng)期與專業(yè)仿真軟件和服務(wù)公司合作，共同發(fā)展、相互促進(jìn)。 CAE在中國(guó)汽車行業(yè)的應(yīng)用起步于二十世紀(jì)80年代中期，歷經(jīng)十幾年的緩慢發(fā)展，到90年代后期開(kāi)始加速，目前已經(jīng)進(jìn)入飛

10、速發(fā)展期。中國(guó)汽車工業(yè)整車廠主要有中外合資、民營(yíng)企業(yè)、國(guó)有企業(yè)、國(guó)內(nèi)資本控股企業(yè)這些形式，零部件企業(yè)有國(guó)有、民營(yíng)、私有、合資、獨(dú)資等。從這些企業(yè)的資本組成形式可以比較清楚地了解這些企業(yè)CAE應(yīng)用的現(xiàn)狀和未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。 中外合資的汽車以及零部件生產(chǎn)企業(yè)的CAE應(yīng)用水平普遍比較低，因?yàn)檫@些合資企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)權(quán)在國(guó)外，他們的CAE應(yīng)用一般停留在工藝更改后的驗(yàn)證層次，談不上汽車關(guān)鍵部件的CAE應(yīng)用，當(dāng)然隨著外國(guó)汽車以及零部件公司逐步在中國(guó)建立研發(fā)中心，他們的CAE的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越好。 CAE 在車架上的應(yīng)用 國(guó)有汽車企業(yè)的CAE應(yīng)用開(kāi)始較早，但是發(fā)展緩慢，CAE人才流失比較多，有的單位CAE仿真技術(shù)應(yīng)用

11、20幾年來(lái)還停留在基本分析階段。民營(yíng)或者國(guó)內(nèi)股份企業(yè)因?yàn)闆](méi)有現(xiàn)成的產(chǎn)品可以生產(chǎn)，開(kāi)始是仿造，現(xiàn)在有的企業(yè)已經(jīng)有自己的設(shè)計(jì)能力。有自己設(shè)計(jì)能力的企業(yè)，CAE應(yīng)用比較好，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層也很重視，而且CAE在關(guān)鍵部件應(yīng)用水平也相對(duì)高。 國(guó)內(nèi)一些自主品牌自主(半自主)開(kāi)發(fā)的車型，對(duì)CAE分析的需求和依賴性較強(qiáng)，部件、子系統(tǒng)、整車運(yùn)動(dòng)與安全都在進(jìn)行CAE分析。有的企業(yè)借助一些曾經(jīng)在國(guó)外大汽車公司工作的“海歸”帶回的經(jīng)驗(yàn)，并結(jié)合本企業(yè)CAE應(yīng)用的經(jīng)驗(yàn)，開(kāi)始在著手建立自己的CAE應(yīng)用規(guī)范和仿真流程。 轎車企業(yè)這方面走的步伐快一些，卡車和客車企業(yè)相對(duì)遲緩。總體來(lái)講，中國(guó)的轎車企業(yè)CAE應(yīng)用水平相對(duì)較高，卡車次之，

12、客車企業(yè)屬于起步階段。 6、解決應(yīng)用難題 中國(guó)汽車工業(yè)高歌猛進(jìn)，自主研發(fā)，自主生產(chǎn)，自主品牌又一次大量見(jiàn)諸媒體。就汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，國(guó)內(nèi)汽車廠家所用到的CAE軟件跟國(guó)外汽車廠家所用的基本一樣，那么國(guó)內(nèi)汽車廠家普遍應(yīng)用水平不高原因在哪里呢？ 首先是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對(duì)CAE的功能還沒(méi)有能夠充分認(rèn)識(shí)，雖然現(xiàn)在汽車企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層普遍認(rèn)識(shí)到CAE非常有用，但是對(duì)CAE應(yīng)用的難度沒(méi)有充分估計(jì)，不少企業(yè)認(rèn)為買回來(lái)CAE軟件就可以發(fā)揮立竿見(jiàn)影的作用，但事實(shí)上如果沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)豐富的CAE人員，很難立刻見(jiàn)到成效。再就是CAE人員的培養(yǎng)問(wèn)題，CAE分析專家既需要比較深厚的理論基礎(chǔ)，也要具有相應(yīng)行業(yè)的工程應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，CAE分析人員的培養(yǎng)非

13、常不容易，周期相對(duì)較長(zhǎng)；還有就是汽車企業(yè)通常缺乏自己的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)或者規(guī)范。 要解決好汽車行業(yè)CAE應(yīng)用的上述問(wèn)題，首先，汽車行業(yè)相關(guān)廠商的領(lǐng)導(dǎo)層要充分認(rèn)識(shí)CAE的作用和難度，特別是后者。軟件可以隨時(shí)購(gòu)買， 但是使用CAE軟件的人從哪里來(lái)？是企業(yè)從頭培養(yǎng)還是從相關(guān)行業(yè)引進(jìn)CAE人才？如果是自己培養(yǎng)，那就要有長(zhǎng)期見(jiàn)效的心理準(zhǔn)備，而且要肯花錢培訓(xùn)CAE人員。當(dāng)然如果企業(yè)想盡快見(jiàn)到成效，可以引進(jìn)經(jīng)驗(yàn)豐富的CAE人才，采取引進(jìn)與自己培養(yǎng)相結(jié)合，這是一 個(gè)較好的途徑。 我國(guó)汽車CAE應(yīng)用最大的問(wèn)題就在于我們的汽車企業(yè)沒(méi)有自己的標(biāo)準(zhǔn)，或者標(biāo)準(zhǔn)不完善，這就導(dǎo)致即使做了CAE分析，也無(wú)法有效地評(píng)價(jià)分析結(jié)果這

14、種現(xiàn)象。因此，當(dāng)企業(yè)有了CAE人員之后，就要努力建立企業(yè)自己的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)。 建立CAE分析標(biāo)準(zhǔn)有兩條途徑，一是企業(yè)通過(guò)試驗(yàn)和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)；二是利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗(yàn)來(lái)輔助建立自己的CAE分析標(biāo)準(zhǔn)。CAE分析標(biāo)準(zhǔn)的建立相當(dāng)不容易，需要做大量的工作，并且要結(jié)合試驗(yàn)結(jié)果，這個(gè)過(guò)程是必須要走的。 7、CAE工程分析在汽車行業(yè)的應(yīng)用汽車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的計(jì)算機(jī)輔助工程分析主要有：1、剛度、強(qiáng)度（應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析，以實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)）；2、NVH分析（各種振動(dòng)、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等） ；3、機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析；4、車輛碰撞模擬分析；5、金屬板件沖壓成型模擬分析；6、疲

15、勞分析；7、空氣動(dòng)力學(xué)分析（氣動(dòng)或流場(chǎng)分析）；8、虛擬試車場(chǎng)整車分析；9、焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。一、剛度和強(qiáng)度分析有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面因具有較高的計(jì)算精度而得到普遍采用，特別是在材料應(yīng)力-應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。另外，當(dāng)考慮機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時(shí)，像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。 （1）車架和車身的強(qiáng)度和剛度分析： 車架和車身是汽車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)雜的部件，對(duì)于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。另外，就整個(gè)汽車而言，當(dāng)車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之

16、降低，從而改善整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。 （2）齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析： 齒輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系中普遍采用的傳動(dòng)零件。通過(guò)對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析，優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高齒輪的承載載力和使用壽命。（3）發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析： 以發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣體的作用，還會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。缸蓋開(kāi)裂事件時(shí)有發(fā)生。如果僅采用在開(kāi)裂處局部加強(qiáng)的辦法加以改進(jìn)，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。有限元法提供了解決這一問(wèn)題的根本途徑。二、NVH分析 近年來(lái)，隨著人們環(huán)保意識(shí)的增強(qiáng)，對(duì)汽車提出了更高要求。為此，國(guó)際汽車界制定NVH標(biāo)準(zhǔn)，即噪音(Noise)、振動(dòng)(Vibrat

17、ion)、平穩(wěn)(Harshness)三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。 對(duì)NVH標(biāo)準(zhǔn)的一項(xiàng)試驗(yàn)表明，用顧客較喜歡的轎車作試驗(yàn)，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%作標(biāo)準(zhǔn)，日本轎車則為75%，韓國(guó)轎車為50%。歐洲轎車懸架技術(shù)較高，所以乘坐舒適，日本轎車設(shè)計(jì)時(shí)將人體工程學(xué)考慮在內(nèi)，對(duì)提高乘坐舒適感有很大幫助。 汽車噪聲和振動(dòng)的來(lái)源可分為四類：1、發(fā)動(dòng)機(jī)或發(fā)動(dòng)機(jī)傳動(dòng)機(jī)組；2、輪胎和行走傳動(dòng)機(jī)構(gòu)；3、汽車快速行駛引起空氣振動(dòng)產(chǎn)生的聲音；4、座艙內(nèi)外設(shè)備產(chǎn)生的聲音。目前將汽車的NVH分析分為部件的NVH分析和整車的NVH分析，并按頻段分為三種

18、：1、低頻NVH（50-80Hz）：分析基礎(chǔ)方法為線性動(dòng)態(tài)分析法（如軟件NASTRAN的頻率響應(yīng)力分析法，輪胎的NVH分析用MARC軟件）；2、中頻NVH（80-250Hz）：這部分噪聲是由結(jié)構(gòu)和空氣產(chǎn)生的。用非線性動(dòng)態(tài)分析軟件如LS-DYNA3D3、高頻NVH（250-5000Hz）：如空氣對(duì)車身產(chǎn)生的高頻。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)件的已知運(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。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行位移或軌跡的分析，可以確定某機(jī)構(gòu)件在運(yùn)動(dòng)時(shí)所需得空間，判斷當(dāng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)各構(gòu)件之間是否會(huì)互相干涉，確定機(jī)構(gòu)中從動(dòng)件的行程，考

19、察構(gòu)件上某一點(diǎn)能否實(shí)現(xiàn)預(yù)定的位置或軌跡要求。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析，可以了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求，了解機(jī)構(gòu)的受力情況。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析，可以確定各構(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。四、車輛碰撞模擬分析 汽車作為現(xiàn)代化交通工具，在給人們的生活帶來(lái)便利與樂(lè)趣的同時(shí)，也因其引起的交通事故給人類的生命和財(cái)產(chǎn)帶來(lái)極大的威脅和傷害。因此，汽車的安全性是汽車廠商、消費(fèi)者、政府部門高度關(guān)注的問(wèn)題。汽車的安全性可劃分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性。主動(dòng)安全性是指汽車能夠識(shí)別潛在的危險(xiǎn)自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出現(xiàn)時(shí)，能夠在駕駛員的

20、操縱下避免發(fā)生交通事故的性能；被動(dòng)安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最小程度。交通事故原因的統(tǒng)計(jì)分析表明，以預(yù)防事故發(fā)生的主動(dòng)安全性只能避免5的事故，因此提高汽車被動(dòng)安全性日趨重要。車輛碰撞標(biāo)準(zhǔn)與使用的計(jì)算機(jī)軟件五、金屬板沖壓成型模擬分析 由于沖壓成型材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，故這一工藝方法在汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)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(guò)多次修改才能確定。這種反復(fù)的調(diào)試過(guò)程造成企業(yè)人力、物力和財(cái)力的大量消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期難以保

21、證。 沖壓成型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為改變這種傳統(tǒng)模式提供了強(qiáng)有力的工具。通過(guò)對(duì)沖壓過(guò)程模擬分析得到最佳模具結(jié)構(gòu)和工藝條件，并能通過(guò)對(duì)板材沖壓過(guò)程數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)上觀察到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件（如壓邊力、沖壓方向、摩擦潤(rùn)滑等）和材料性能參數(shù)（如皺曲、破裂）的影響，還可以提供最佳鈑料形狀、合理的壓料面形狀、最佳沖壓方向、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形狀精度良好的沖壓件。該技術(shù)使試模時(shí)間大大縮短，從而減少制模成本。六、疲勞分析 傳統(tǒng)的疲勞技術(shù)由許多經(jīng)驗(yàn)公式組成。這些經(jīng)驗(yàn)公式根據(jù)一些理論框架，從材料、零件或結(jié)構(gòu)的疲勞試驗(yàn)數(shù)據(jù)中擬合而成。驗(yàn)證產(chǎn)品的疲勞性能一般需要進(jìn)行疲勞

22、試驗(yàn)。疲勞分析依賴于準(zhǔn)確的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，同時(shí)也需要得到試驗(yàn)驗(yàn)證。過(guò)去，常規(guī)設(shè)計(jì)定型樣機(jī)疲勞試驗(yàn)需要幾年甚至更多時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤、修改設(shè)計(jì)。 現(xiàn)代疲勞壽命設(shè)計(jì)技術(shù)是以電子技術(shù)（數(shù)字信息）和計(jì)算機(jī)技術(shù)（數(shù)字仿真）結(jié)合進(jìn)入機(jī)械設(shè)計(jì)領(lǐng)域，將機(jī)械強(qiáng)度壽命由定性設(shè)計(jì)提高到定量設(shè)計(jì)。它立足于隨機(jī)、動(dòng)態(tài)，整個(gè)受載過(guò)程的每一實(shí)時(shí)信號(hào)都參與設(shè)計(jì)，而不僅僅是一個(gè)最大值?，F(xiàn)代疲勞試驗(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)壽命和反饋優(yōu)化。這可把試驗(yàn)時(shí)間壓縮到原來(lái)的十分之一、百分之一，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。 根據(jù)疲勞理論，疲勞破壞主要由循環(huán)載荷引起。從理論上說(shuō)，如果汽車的輸入載荷相同，那么所引

23、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(kāi)門、關(guān)門、剎車等），重現(xiàn)這一載荷輸入。這一載荷重現(xiàn)通?？赡茉谳^短的時(shí)間里完成，因此，可以達(dá)到試驗(yàn)加速的目的。七、空氣動(dòng)力學(xué)分析 汽車空氣動(dòng)力學(xué)主要是應(yīng)用流體力學(xué)的知識(shí)，研究汽車行駛時(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形狀對(duì)空氣流動(dòng)和空氣動(dòng)力的影響。此外，空氣對(duì)汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、車廂里的通風(fēng)換氣、車身外表面的清潔、氣流噪聲、車身表面覆蓋件的振動(dòng)、甚至刮水器的性能等方面的影響。 為了減少空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)代轎車的外形一般用園滑流暢

24、的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。前圍與側(cè)圍、前圍、側(cè)圍與發(fā)動(dòng)機(jī)罩，后圍與側(cè)圍等地方均采用園滑過(guò)渡，發(fā)動(dòng)機(jī)罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃，且與車頂園滑過(guò)渡，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在25度33度之間，側(cè)窗與車身相平，前后燈具、門手把嵌入車體內(nèi)，車身表面盡量光潔平滑，車底用平整的蓋板蓋住，降低整車高度等等，這些措施有助于減少空氣阻力系數(shù)。八、虛擬試車場(chǎng)整車分析 CAE技術(shù)的飛速發(fā)展、軟硬件功能的大幅度提高使得整車系統(tǒng)仿真已經(jīng)成為可能。美國(guó)工程技術(shù)合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)推出的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)（virtual proving ground, VPG）就是一個(gè)對(duì)整車系統(tǒng)性能全面仿真實(shí)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。 VPG是在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)推出的，以整車系統(tǒng)為分析對(duì)象，考