汽車CAE工程分析

1、13/13汽車CAE工程分析汽車公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面要緊有：剛度、強度、NVH分析、機構(gòu)運動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學(xué)分析的精度有進(jìn)一步提高，已投入實際使用，完全能夠用于定性分析和改進(jìn)設(shè)計；虛擬試車場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。汽車公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計、提高質(zhì)量

2、、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面要緊有：剛度、強度（應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析，以實現(xiàn)輕量化設(shè)計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等）、機構(gòu)運動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學(xué)分析的精度有進(jìn)一步提高，已投入實際使用，完全能夠用于定性分析和改進(jìn)設(shè)計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數(shù)；虛擬試車場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。一、剛度和強度分析 有限元法在機械結(jié)構(gòu)強度和剛度分析方面因具有較高的計算精度而到普遍采納，特不是在材料應(yīng)力-應(yīng)變的線性范圍內(nèi)

3、更是如此。另外，當(dāng)考慮機械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時，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，關(guān)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)約材料。另外，就整個汽車而言，當(dāng)車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之降低，從而改善整車的動力性和經(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)動機和傳動系中普遍采納的傳動零件。通過對齒輪齒根彎曲應(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)動機零件

4、的應(yīng)力分析：以發(fā)動機的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣體的作用，還會產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。缸蓋開裂事件時有發(fā)生。假如僅采納在開裂處局部加強的方法加以改進(jìn)，無法從全然上解決問題。有限元法提供了解決這一問題的全然途徑。 二、NVH分析 近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，對汽車提出了更高要求。為此，國際汽車界制定NVH標(biāo)準(zhǔn)，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、平穩(wěn)(Harshness)三項標(biāo)準(zhǔn)，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。對NVH標(biāo)準(zhǔn)的一項試驗表明，用顧客較喜愛的轎車作試驗，在用水泥鋪得較平坦的公路上，轎車以時速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

5、則為75%，韓國轎車為50%。歐洲轎車懸架技術(shù)較高，因此乘坐舒適，日本轎車設(shè)計時將人體工程學(xué)考慮在內(nèi)，對提高乘坐舒適感有專門大關(guān)心。三、機構(gòu)運動分析 機構(gòu)運動分析確實是依照原動件的已知運動規(guī)律，求該機構(gòu)其他構(gòu)件上某些點的位移、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。通過對機構(gòu)進(jìn)行位移或軌跡的分析，能夠確定某機構(gòu)件在運動時所需得空間，推斷當(dāng)機構(gòu)運動時各構(gòu)件之間是否會互相干涉，確定機構(gòu)中從動件的行程，考察構(gòu)件上某一點能否實現(xiàn)預(yù)定的位置或軌跡要求。通過對機構(gòu)進(jìn)行速度分析，能夠了解從動件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求，了解機構(gòu)的受力情況。通過對機構(gòu)進(jìn)行加速度分析，能夠確定各構(gòu)件及構(gòu)

6、件上某些點的加速度，了解機構(gòu)加速度的變化規(guī)律。機構(gòu)運動分析的方法專門多，要緊有圖解法和解析法。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便利與樂趣的同時，也因其引起的交通事故給人類的生命和財產(chǎn)帶來極大的威脅和損害。因此，汽車的安全性是汽車廠商、消費者、政府部門高度關(guān)注的問題。汽車的安全性可劃分為主動安全性和被動安全性。主動安全性是指汽車能夠識不潛在的危險自動減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出現(xiàn)時，能夠在駕駛員的操縱下幸免發(fā)生交通事故的性能；被動安全性是指汽車發(fā)生不可幸免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或行人進(jìn)行愛護(hù)，以免發(fā)生損害或使損害降低到最小程度。交通事故緣故的統(tǒng)計分析表明，以預(yù)防事

7、故發(fā)生的主動安全性只能幸免5的事故，因此提高汽車被動安全性日趨重要。 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，易于實現(xiàn)自動化生產(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)過程中，不管是沖壓工序的制定、工藝參數(shù)的選取，依舊沖壓模具的設(shè)計、制造，都要通過多次修改才能確定。這種反復(fù)的調(diào)試過程造成企業(yè)人力、物力和財力的大量消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期難以保證。 沖壓成型過程數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為改變這種傳統(tǒng)模式提供了強有力的工具。通過對沖壓過程模擬分析得到最佳模具結(jié)構(gòu)和工藝條件，并能通過對板材沖壓過程數(shù)值模擬，在計算機上觀看到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件（如壓邊力

8、、沖壓方向、摩擦潤滑等）和材料性能參數(shù)（如皺曲、破裂）的阻礙，還能夠提供最佳鈑料形狀、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)使試模時刻大大縮短，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)驗公式組成。這些經(jīng)驗公式依照一些理論框架，從材料、零件或結(jié)構(gòu)的疲勞試驗數(shù)據(jù)中擬合而成。驗證產(chǎn)品的疲勞性能一般需要進(jìn)行疲勞試驗。疲勞分析依靠于準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，同時也需要得到試驗驗證。過去，常規(guī)設(shè)計定型樣機疲勞試驗需要幾年甚至更多時刻來發(fā)覺設(shè)計失誤、修改設(shè)計?，F(xiàn)代疲勞壽命設(shè)計技術(shù)是以電子技術(shù)（數(shù)字信息）和計算機技術(shù)（數(shù)字仿真）

9、結(jié)合進(jìn)入機械設(shè)計領(lǐng)域，將機械強度壽命由定性設(shè)計提高到定量設(shè)計。它立足于隨機、動態(tài)，整個受載過程的每一實時信號都參與設(shè)計，而不僅僅是一個最大值?，F(xiàn)代疲勞試驗技術(shù)只需在計算機上用仿真技術(shù)，用載荷譜模擬和加載，預(yù)測壽命和反饋優(yōu)化。這可把試驗時刻壓縮到原來的十分之一、百分之一，大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(fā)周期。 依照疲勞理論，疲勞破壞要緊由循環(huán)載荷引起。從理論上講，假如汽車的輸入載荷相同，那么所引起的疲勞破壞也應(yīng)該一樣。因此，能夠在試車場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?？赡茉谳^短的時刻里完成，因此，能夠達(dá)到試驗加速的目的。七、空氣動力學(xué)

10、分析 汽車空氣動力學(xué)要緊是應(yīng)用流體力學(xué)的知識，研究汽車行駛時，即與空氣產(chǎn)生相對運動時，汽車周圍的空氣流淌情況和空氣對汽車的作用力（稱為空氣動力），以及汽車的各種外部形狀對空氣流淌和空氣動力的阻礙。此外，空氣對汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動機的冷卻、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、甚至刮水器的性能等方面的阻礙。 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)動機罩，后圍與側(cè)圍等地點均采納園滑過渡，發(fā)動機罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采納大曲面玻璃，且與車頂園滑過渡，前風(fēng)窗與水平面

11、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，車底用平坦的蓋板蓋住，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、虛擬試車場整車分析 CAE技術(shù)的飛速進(jìn)展、軟硬件功能的大幅度提高使得整車系統(tǒng)仿真差不多成為可能。美國工程技術(shù)合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺上二次開發(fā)推出的虛擬試驗場技術(shù)（virtual proving ground, VPG）確實是一個對整車系統(tǒng)性能全面仿真有用軟件的代表。VPG技術(shù)是汽車CAE技術(shù)領(lǐng)域中一個專門有代表性的進(jìn)展。 VPG是在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺上二次開發(fā)推出的，以整車系統(tǒng)

12、為分析對象，考慮系統(tǒng)各類非線性，以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷，對整車系統(tǒng)同時進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、權(quán)頻率振動噪聲分析和數(shù)據(jù)處理、以及碰撞歷程仿真，達(dá)到在產(chǎn)品設(shè)計前期即可得到樣車道路實驗結(jié)果的“整車性能預(yù)測”效果的計算機仿真技術(shù)。九、焊裝模擬分析 機器人在車身焊裝工位上的大量應(yīng)用提高了車身的焊接質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)加工時刻。但如何能夠快速而準(zhǔn)確地完成全部焊點的加工，即如何規(guī)劃機器人焊接路徑問題，是目前汽車制造企業(yè)迫切需要解決的問題。 傳統(tǒng)的機器人焊接路徑規(guī)劃方法是依照設(shè)計人員提供的工位上的焊點數(shù)量和焊接順序，由工藝人員依照經(jīng)驗或類似工藝離線編制機器人加工程序，設(shè)計加工工藝。所編寫的程序輸入到相應(yīng)設(shè)備中，在實驗室里預(yù)操作，記錄下每次偏差位置，重新編程、設(shè)計直至滿足生產(chǎn)要求。這不僅耗時、費勁，同時關(guān)于多機器人加工的碰撞問題無法解決。一旦涉及多機器人協(xié)同加工，則往往在實驗室中采納步進(jìn)式逼近方法配合專家經(jīng)驗加以解決，以免發(fā)生碰撞，損壞設(shè)備。 為此，現(xiàn)代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，運用相應(yīng)的優(yōu)化算法對車身焊裝工位的機器人加工路徑進(jìn)行離線規(guī)劃，并通過仿真加工進(jìn)行驗證，從而達(dá)到指導(dǎo)實際生產(chǎn)的目的。