CAE技術(shù)及其在車輛設(shè)計開發(fā)中的應(yīng)用

如今，CAE技術(shù)在車輛設(shè)計和開發(fā)領(lǐng)域已經(jīng)得到了越來越廣泛的應(yīng)用。本文首先介紹了CAE技術(shù)對于車輛設(shè)計和開發(fā)的意義，然后從車身構(gòu)造分析、車輛NVH分析、車輛被動安全分析、發(fā)動機構(gòu)造CAE分析、變速器CAE分析這幾個方面，研究了CAE技術(shù)在車輛設(shè)計和開發(fā)階段的應(yīng)用。

【關(guān)鍵詞】CAE技術(shù) 車輛 設(shè)計 開發(fā) 應(yīng)用

當(dāng)前汽車行業(yè)的競爭愈演愈烈，汽車生產(chǎn)企業(yè)也必須要進行創(chuàng)新和改良，提高自己產(chǎn)品的安全性、實用性、美觀性、經(jīng)濟性等，從而保證企業(yè)生產(chǎn)的汽車能夠在市場上占據(jù)一定的地位。在設(shè)計與開發(fā)汽車產(chǎn)品時，CAE技術(shù)和相關(guān)軟件可以起到十分強大的輔助作用，成為了車輛設(shè)計開發(fā)必不可少的工具。

1 CAE技術(shù)對于車輛設(shè)計和開發(fā)的意義

1.1 提升車輛設(shè)計功效，縮短車輛開發(fā)時間

在設(shè)計產(chǎn)品時，利用CAE技術(shù)展開應(yīng)力解析、動力學(xué)仿真解析、安全性研究以及震動噪音分析等，都可以使相關(guān)問題在設(shè)計時期就充分暴露出來。這樣一來，工作人員就能夠針對這些問題對汽車產(chǎn)品進行改良與完善，從而極大地提高了車輛性能，減少了參數(shù)指定所耗費的時間。

1.2 運用模擬樣機降低開發(fā)及研究的成本

如果在計算機中樹立起模擬汽車形態(tài)，工程師與設(shè)計人員就可以根據(jù)這些模型展開各式各樣的分析，并改良設(shè)計方案，以數(shù)字化的手段代替原始的實物樣機測試。模擬樣機屬于系統(tǒng)方面的解析系統(tǒng)，所以對設(shè)計方案以及生產(chǎn)過程會產(chǎn)生極大的影響。妥善應(yīng)用模擬樣機技術(shù)，能夠在很大程度上降低汽車產(chǎn)品的開發(fā)難度，縮減生產(chǎn)時間，提升車輛產(chǎn)品質(zhì)量與性能。

1.3 利用多學(xué)科系統(tǒng)，制造出性能優(yōu)秀的整車

當(dāng)前，車輛設(shè)計開發(fā)領(lǐng)域中有許多CAE技術(shù)是以單學(xué)科仿真為基礎(chǔ)而進行的。這樣很可能導(dǎo)致計算結(jié)果比較片面，使得數(shù)據(jù)出現(xiàn)偏差。如果構(gòu)建起科學(xué)、統(tǒng)一的多學(xué)科仿真平臺，就能夠同時展開各種不同學(xué)科的CAE分析與研究，并針對單一模型進行全方位考慮，結(jié)合各個學(xué)科之間的相互影響及作用，生動而形象地模擬出車輛運作的過程、形態(tài)，提高車輛產(chǎn)品的制作精度與可靠性。

2 CAE技術(shù)在車輛設(shè)計和開發(fā)階段的應(yīng)用

2.1 車身構(gòu)造分析

汽車構(gòu)造大部分都是由負(fù)載骨架、覆蓋件以及多種加固筋而形成。從有限元分析角度看，車輛構(gòu)造可以拆分成多個元素，比如板塊、實體等部件構(gòu)成的整體。這些元素都能夠起到一定的負(fù)載作用，或是可以傳播外界負(fù)載，確保車輛能正常運作。構(gòu)造中的每個元素都有著自己的特點，且結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一部分結(jié)構(gòu)件運作條件不佳，長期處于振動或沖擊之下，要提升車輛產(chǎn)品的工作性能，就要找到適當(dāng)?shù)姆治龇椒āτ谲囕v構(gòu)造分析而言，有限元法可以較好地處理形態(tài)復(fù)雜的力學(xué)相關(guān)難題。幾乎所有的車身構(gòu)建都能夠運用有限元法展開靜態(tài)分析或動態(tài)分析，以及固有特點分析，同時還能夠依據(jù)原本的工程構(gòu)造特征實施非線性分析。

2.2 車輛NVH分析

噪音污染已經(jīng)排在了全球三大污染源之一，而振動與噪音的產(chǎn)生又存在不可分割的聯(lián)系。所以，相關(guān)人員應(yīng)當(dāng)結(jié)合車輛本身在運行過程中產(chǎn)生的振動、噪音、舒適度與高速行駛帶來的噪音展開研究探索，盡力改良并優(yōu)化整車構(gòu)造，降低噪音。

2.3 車輛被動安全分析

現(xiàn)階段，車輛的被動安全問題已成了全球各國共同關(guān)注的問題之一，大多數(shù)國家都制訂出了相關(guān)法律法規(guī)及NCAP評估制度和程序，提倡對汽車產(chǎn)品進行碰撞測試。這種測試能夠推動CAE技術(shù)的發(fā)展，讓汽車響應(yīng)模擬碰撞環(huán)境帶來的影響，并虛擬出安全氣囊打開的全部過程，為設(shè)計師提供強有力的參照根據(jù)，并在車輛發(fā)生碰撞事故時盡可能地維護乘客的人身安全。

2.4 發(fā)動機構(gòu)造CAE分析

對于汽車來講，發(fā)動機是一切動力的根源，也是汽車運行所必備的設(shè)施。當(dāng)前新型汽車飛速發(fā)展，人們對發(fā)動機的要求也日益提高。汽車發(fā)動機所需要的零件較為復(fù)雜，有的問題甚至無法運用力學(xué)處理。有限元法則打破了傳統(tǒng)理論的束縛，能夠用于處理繁瑣的場分布運算等相關(guān)問題。其主要功能是：

（1）進行發(fā)動機曲軸、機體等零部件的結(jié)構(gòu)剛度解析；

（2）能對缸蓋、機體與活塞連桿組的熱度進行分析；

（3）可以對曲軸、活塞連桿組與活塞環(huán)等部件的使用情況進行分析，還可以做出模態(tài)分析及屈曲分析；

（4）能夠?qū)M氣口、燃燒室和排氣管的流場進行分析，并對動力響應(yīng)與聲場作出分析等。

圖1里展示的即是某企業(yè)設(shè)計師做成的發(fā)動機曲軸分析，這一分析利用了Pro/Engineer軟件進行模型建造，并采用Pro/Mechanism軟件對曲軸實施構(gòu)造分析，通過構(gòu)造分析更精確地獲得了結(jié)構(gòu)剛度分析的邊緣條件，最后再經(jīng)由Pro/Mechanica軟件得出了曲軸準(zhǔn)確的應(yīng)力應(yīng)變情況。

3 結(jié)束語

從眾多實踐結(jié)果可以看出，全球汽車工業(yè)的發(fā)展趨勢已經(jīng)說明了CAE技術(shù)的成功。CAE仿真技術(shù)的運用與仿真流程的普及能夠在很大程度上減少汽車產(chǎn)品的研究與開發(fā)時間，從而提高生產(chǎn)效率，促進汽車行業(yè)快速發(fā)展，而汽車行業(yè)的發(fā)展也將進一步帶動CAE技術(shù)的改良。所以，有效利用CAE技術(shù)可以使汽車行業(yè)步入一個良性循環(huán)過程。

參考文獻

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作者簡介

傅家豪（1993-），四川省達州市人。現(xiàn)在供職于西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院，主要從事車輛設(shè)計和大學(xué)生成長成才研究。

作者單位

西華大學(xué)汽車與交通學(xué)院 四川省成都市 610039