CAE技術(shù)在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用探究

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

CAE技術(shù)在車輛設(shè)計(jì)開發(fā)中的應(yīng)用探究

王金剛，李春玉

（河北工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，天津 300131）

為有效解決車輛設(shè)計(jì)中的傳統(tǒng)問題，也就是在設(shè)計(jì)的時候往往對產(chǎn)品性能影響較大的結(jié)構(gòu)的考慮不足，使得設(shè)計(jì)的中、后期要予以多次的反復(fù)修改，把CAE技術(shù)引進(jìn)車輛設(shè)計(jì)開發(fā)過程中。文章先論述CAE技術(shù)對車輛設(shè)計(jì)和開發(fā)的意義，繼而研究分析參數(shù)化建模以及網(wǎng)格變形等技術(shù)的應(yīng)用，分析用CAE技術(shù)在車輛設(shè)計(jì)中提取設(shè)計(jì)變量的方法。結(jié)果顯示，CAE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)，可有效縮短產(chǎn)品的設(shè)計(jì)開發(fā)周期。

CAE技術(shù)；車輛設(shè)計(jì)；參數(shù)化建模；網(wǎng)格變形

目前汽車市場的競爭壓力加劇，對于汽車的需要也不在不斷的提高，基本需求如可靠性、安全性與NVH等必須滿足，同時還需要縮短開發(fā)時間，最大限度的降低汽車成本，以獲取最大的利潤。CAE技術(shù)具有分析計(jì)算的功能，能夠非常合理迅速的制定一些優(yōu)化方案，進(jìn)而能夠?qū)崿F(xiàn)輕量化。這樣CAE技術(shù)也能解決實(shí)際的問題。在汽車的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)應(yīng)用的越來越廣泛。設(shè)計(jì)師可以結(jié)合自身經(jīng)驗(yàn)來建立模型、優(yōu)化分析和CAE分析。同時CAE分析模式改變了以往傳統(tǒng)的模式，而可以被看做是一種驗(yàn)算模式，能夠多次進(jìn)行迭代，最后找到最優(yōu)的解決方案，給設(shè)計(jì)帶來更多的可能，優(yōu)化不理想模型所存在的問題，實(shí)現(xiàn)真正的CAE技術(shù)的驅(qū)動設(shè)計(jì)。

1 CAE技術(shù)對車輛設(shè)計(jì)開發(fā)的主要意義

1.1 增強(qiáng)車輛設(shè)計(jì)研究的效率，縮短開發(fā)的周期

研究車輛設(shè)計(jì)時，為了使得一些現(xiàn)有問題能夠在設(shè)計(jì)的最初階段充分顯現(xiàn)，可以借助于CAE技術(shù)來對汽車的動力學(xué)進(jìn)行分析和仿真探究，主要可以對其安全性能以及噪音振動等方面進(jìn)行重點(diǎn)分析，這樣就能夠?qū)栴}第一時間解決?；诖?，相關(guān)設(shè)計(jì)者就可以結(jié)合所發(fā)現(xiàn)問題對汽車的設(shè)計(jì)方案予以改進(jìn)，能夠?qū)囕v性能明顯進(jìn)行優(yōu)化，另外還可以在一定程度上減少開發(fā)的時間。

1.2 利用模擬樣機(jī)來有效節(jié)約設(shè)計(jì)成本

對于車輛設(shè)計(jì)可以有效利用計(jì)算機(jī)，將車輛圖像在計(jì)算機(jī)中模擬出來，這樣有利于研發(fā)車輛的工程師和有關(guān)設(shè)計(jì)者按照這一模型進(jìn)行各種各樣的分析，同時優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案，借助于科學(xué)技術(shù)的數(shù)字化來逐步取代以前實(shí)物樣機(jī)的測試。對樣機(jī)進(jìn)行模擬，可以看做是一個解析系統(tǒng)，而且這個解析系統(tǒng)會對生產(chǎn)以及設(shè)計(jì)產(chǎn)生影響，可以在相當(dāng)大的程度上減小車輛在設(shè)計(jì)開發(fā)上的難度，減短生產(chǎn)的周期，還可有效增強(qiáng)車輛的質(zhì)量與性能。

1.3 統(tǒng)一平臺，利用多方技術(shù)共同作用，制出好車

在當(dāng)前這個階段，在仿真基礎(chǔ)上能夠?qū)崿F(xiàn)很多的CAE技術(shù)，也就是用于設(shè)計(jì)車輛以及開發(fā)等地方。這樣就會讓計(jì)算結(jié)果較為片面，從而產(chǎn)生一定的誤差。但是，要想使結(jié)果更加準(zhǔn)確，可以構(gòu)建一個由科學(xué)合理、統(tǒng)一協(xié)調(diào)的多學(xué)科仿真平臺，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)CAE分析和研究，同時能夠綜合考慮單一模型這方面問題的影響，繼而能生動、形象的模擬車輛運(yùn)行的過程、形態(tài)，以提升車輛制作精度與可靠性。

2 車輛設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用CAE技術(shù)

2.1 用參數(shù)化的建模技術(shù)對設(shè)計(jì)變量予以設(shè)置

參數(shù)化建模軟件可以將車身設(shè)計(jì)主斷面的結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)閰?shù)化模型。這種參數(shù)化模型在建立的時候可以結(jié)合一些手段，比如：點(diǎn)到線到截面到接頭等。具體如下圖1中所示，這個參數(shù)化模型會隨著參數(shù)的改變而不斷地變化。白車身線條簡單，可以形成有限元模型。對于變化過程中各個數(shù)據(jù)的變化，可以選擇最優(yōu)的參數(shù)組合，進(jìn)而得出最佳解。

圖1 參數(shù)化模型示意圖

2.2 利用網(wǎng)格變形技術(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)變量

此處采用的技術(shù)主要是利用網(wǎng)格的變形軟件，然后將車的關(guān)鍵性指標(biāo)定為相應(yīng)的參數(shù)，例如：車模型的拉伸、移位以及投影等指標(biāo)。具體詳見下圖2中所示。通過對這部分參數(shù)進(jìn)行模塊控制，進(jìn)而來控制各種形式的計(jì)算模型，這個規(guī)模的級別各異，主要有部件級、車身級以及整車級。分析模型的同一部位，對morphing部位分析，繼而能夠達(dá)到多學(xué)科的綜合優(yōu)化目的。

圖2 網(wǎng)格變形參數(shù)化模型示意圖

2.3 把網(wǎng)格變形參數(shù)當(dāng)做變量予以優(yōu)化分析

首先，設(shè)置相關(guān)的參數(shù)，結(jié)合有關(guān)的參數(shù)，將拉伸、投影以及移位等方面設(shè)置成morphing過程。

其次，生成DOE矩陣，對不同的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行模型方面的計(jì)算，在iSight中得出最優(yōu)的結(jié)果。

再次，把舊款車型的白車身的幾個方面看作約束，即彎度和扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)值等等，把目標(biāo)定為車身質(zhì)量來進(jìn)行優(yōu)化分析。

2.4 分析系統(tǒng)優(yōu)化后的結(jié)果

在白車身維持相對恒定的條件下，例如在彎曲以及扭轉(zhuǎn)剛度等方面，白車身的質(zhì)量會出現(xiàn)明顯的減小，計(jì)算的具體結(jié)果見下表1所示。

表1 計(jì)算結(jié)果表格

優(yōu)化之前和之后的正面碰撞分析結(jié)果的對比情況具體見圖3中所示，可見加速度呈現(xiàn)峰值的變化，即第一個峰值減小5g，有效加速度減小0.7g。

3 結(jié)語

圖3 優(yōu)化前與后的正面碰撞加速度曲線圖

綜上所述，借助于CAE技術(shù)對不同的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行驗(yàn)證和優(yōu)化非?？?，尤其是當(dāng)彎曲以及模態(tài)值等相對恒定的條件下，碰撞加速度的峰值跟等效加速度減小之時，白車身的質(zhì)量會對應(yīng)的減掉14.4kg，能夠?yàn)檐囕v的設(shè)計(jì)者提供一定的設(shè)計(jì)參考，這樣就能夠?qū)崿F(xiàn)成本降低以及有效縮短整個開發(fā)周期的目標(biāo)。

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U462；TP391.7

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