CAE在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用設(shè)計

1、vcae在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用摘 要本文介紹了cae的概念、發(fā)展及其研究內(nèi)容，說明了在設(shè)計前期引入cae技術(shù)對于減少設(shè)計錯誤、縮短設(shè)計周期、提高產(chǎn)品設(shè)計質(zhì)量的重要意義，并從汽車結(jié)構(gòu)強度分析、車身覆蓋件成形過程的計算機仿真、汽車碰撞安全性分析、汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計幾個方面講述了cae技術(shù)在汽車產(chǎn)品設(shè)計制造中的應(yīng)用。 關(guān)鍵詞：cae，汽車設(shè)計制造，汽車動力學(xué)，仿真cae in car design and manufactureabstractthe concept of cae and development and research of cae is introduced in this the

2、sis. and it introduced the importance of using cae in design to reduce errors, shorten the design cycle and improve product design quality. from the structural strength of car, body panels forming process of computer simulation, vehicle crash safety analysis, automotive structural optimization to ot

3、her design aspects, this thesis also introduced the use of cae technology in the design and manufacture of automotive products.key words：cae，automotive design and manufacture，vehicle dynamics，simulation目 錄摘要iabstractii1 概述11.1 cae的歷史11.2 cae的發(fā)展21.2.1 cae在國外的發(fā)展21.2.2 cae在國內(nèi)的發(fā)展31.3 cae的發(fā)展趨勢51.3.1 擴大仿真

4、分析的范圍51.3.2 智能化、人性化51.3.3 網(wǎng)絡(luò)化61.3.4 我國cae技術(shù)落后的原因61.3.5 cae今后發(fā)展方向及設(shè)想62 cae的相關(guān)理論82.1 cae的基本概念82.2 cae的基本結(jié)構(gòu)與功能82.2.1 cae分析的三個步驟82.2.2 cae軟件的結(jié)構(gòu)與功能92.3 cae的價值102.4 cae的應(yīng)用分類122.4.1 整車122.4.2 大總成或者大的子系統(tǒng)122.4.3 零部件和小總成122.5 cae與cadcam133 cae在汽車設(shè)計制造中的應(yīng)用143.1汽車結(jié)構(gòu)強度分析143.2 車身覆蓋件成型過程的計算機仿真143.2.1 cae技術(shù)在汽車翼子板拉延模

5、具設(shè)計中的應(yīng)用143.2.2板料成型過程的顯式有限元計算153.2.3 初始拉延工藝設(shè)計173.2.4 計算機仿真183.2.5 工藝改進193.3 汽車碰撞安全性分析203.4汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化254 總結(jié)26致謝27參考文獻28 311 概 述1.1 cae的歷史cae起始于20世紀50年代中期，而真正的cae軟件誕生于70年代初期，直到80年代中期的十多年間，cae軟件是處在獨立成長階段，主要是擴充和完善基本功能、算法和軟件結(jié)構(gòu)。1979年美國的sap5線性結(jié)構(gòu)靜、動力分析程序向國內(nèi)引進移植成功，掀起了應(yīng)用通用有限元程序來分析計算工程問題的高潮。在國內(nèi)開發(fā)比較成功并擁有較多用戶(100家以上)

6、的有限元分析系統(tǒng)有大連理工大學(xué)工程力學(xué)系的fifex95、北京大學(xué)力學(xué)與科學(xué)工程系的sap84、中國農(nóng)機科學(xué)研究院的mas5.0和杭州自動化技術(shù)研究院的mfep4.0等。1985年前后，在可用性、可靠性和計算效率上已經(jīng)基本成熟的、國際上知名的cae軟件有nastran、ansys、aska、marc、adina、abaqus、modulef、dyn-3d等。就軟件結(jié)構(gòu)和技術(shù)而言，這些cae軟件基本上是用結(jié)構(gòu)化軟件設(shè)計方法，采用fortran語言開發(fā)的結(jié)構(gòu)化軟件、其數(shù)據(jù)管理技術(shù)尚存在一定缺陷，它們的運行環(huán)境僅限于當(dāng)時的大型計算機和高檔工作站。近15年是cae軟件的商品化發(fā)展階段，cae開發(fā)商為滿

7、足市場需求和適應(yīng)計算機硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時，對軟件的功能、性能，特別是用戶界面和前、后處理能力，進行大幅度擴充；對軟件的內(nèi)部結(jié)果和部分軟件模塊，特別是數(shù)據(jù)管理和圖形處理部分，進行了重大的改造。新增的軟件部分大都采用了面向?qū)ο蟮能浖O(shè)計方法和c+語言，個別子系統(tǒng)則是完全使用面向?qū)ο筌浖椒ㄩ_發(fā)的軟件產(chǎn)品。這就使得目前市場上知名的cae軟件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及對運行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求，這些cae軟件可以在超級并行機，分不是為集群，大、中、小、微各類計算機和各種操作系統(tǒng)平臺上運行。近40年來，cae技術(shù)結(jié)合迅速發(fā)展中的計算力學(xué)、

8、計算數(shù)學(xué)、相關(guān)的工程科學(xué)、工程管理學(xué)與現(xiàn)代計算技術(shù)，從低效檢驗到高效仿真，從線性靜力求解到非線性、動力仿真分析、多物理場耦合，取得了巨大的發(fā)展與成就。在日趨全球化的市場氛圍中，企業(yè)間的競爭將表現(xiàn)為產(chǎn)品性能和制造成本的競爭。而cae在產(chǎn)品研發(fā)及創(chuàng)新設(shè)計中所顯示出的無與倫比的優(yōu)越性，使其成為現(xiàn)代化工業(yè)企業(yè)在日趨激烈的市場競爭中取勝的重要條件。利用cae軟件，可以對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，并對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行虛擬運行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計；在實現(xiàn)創(chuàng)新的同時，提高設(shè)計質(zhì)量，降低研究開發(fā)成本，軟縮短研究開發(fā)周期。它們與cad/cam/capp/dm/erp等軟件一

9、起，已經(jīng)成為支持工程行業(yè)和制造企業(yè)信息化的主要信息技術(shù)之一。借助cae技術(shù)，一家英國的汽車業(yè)咨詢公司twr短時間內(nèi)(15周)完成一個緊湊型家庭轎車全尺寸模型的設(shè)計、驗證和制造。通過使用非線性仿真軟件msc.dytran和msc.marc重現(xiàn)世貿(mào)大樓倒塌全過程，美國政府的研究人員們找到了為什么世貿(mào)大樓在僅僅一個小時之內(nèi)就坍塌了的原因。 計算機輔助工程作為一項跨學(xué)科的數(shù)值模擬分析技術(shù)，越來越受到科技界和工程界的重視。許多大型的cae分析軟件已相當(dāng)成熟并已商品化，計算機模擬分析不僅在科學(xué)研究中普遍采用，而且在工程上也已達到了實用化階段。 事實證明，在設(shè)計過程中的早期引入cae來指導(dǎo)設(shè)計決策，能解釋因

10、在下游發(fā)現(xiàn)問題時需重新設(shè)計而造成的時間和費用的浪費，設(shè)計人員能將主要精力投身如何優(yōu)化設(shè)計，提高工程和產(chǎn)品品質(zhì)，從而產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟效益。 在現(xiàn)代設(shè)計流程中，cae是創(chuàng)造價值的中心環(huán)節(jié)。事實上，cae技術(shù)是企業(yè)實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的最主要的保障。企業(yè)要在激烈的市場競爭中立于不敗之地，就必須不斷保持產(chǎn)品的創(chuàng)新。衡量cae技術(shù)水平的重要標志之一是分析軟件的開發(fā)和應(yīng)用。目前，abaqus、ansys、nastran等大型通用有限元分析軟件已經(jīng)引進我國，在汽車、航空、機械、材料等許多行業(yè)得到了應(yīng)用。我國的計算機分析軟件開發(fā)是一個薄弱環(huán)節(jié)，嚴重地制約了cae技術(shù)的發(fā)展。僅以有限元計算分析軟件為例，目前的世界年市場份

11、額達5億美元，并且以每年15%的速度遞增。相比之下，我國自己的cae軟件工業(yè)還非常弱小，僅占有很少量的市場份額。1.2 cae的發(fā)展1.2.1 cae在國外的發(fā)展當(dāng)今國際上fea方法和軟件發(fā)展呈現(xiàn)出以下一些趨勢特征： （1）從單純的結(jié)構(gòu)力學(xué)計算發(fā)展到求解許多物理場問題：從板、殼和實體等連續(xù)體固體力學(xué)分析，發(fā)展到流體力學(xué)、溫度場、電傳導(dǎo)、磁場、滲流和聲場等問題的求解計算，最近又發(fā)展到求解幾個交叉學(xué)科的問題(所謂“流固耦合”的問題)；（2）由求解線性工程問題進展到分析非線性問題；（3）增強可視化的前置建模和后置數(shù)據(jù)處理功能；（4）與cad軟件的無縫集成。都開發(fā)了和著名的cad軟件(例如pro/en

12、gineer、unigraph ics、solidedge、ideas、bentley和autocad等)的接口。同時cad綜合型cae工具的分析功能正逐漸加強； （5）改進cae方法中的優(yōu)化技術(shù)：引入各種優(yōu)化技術(shù)，優(yōu)化參數(shù)評價。具備智能的網(wǎng)格劃分器，以解決模型在形狀參數(shù)變化劇烈時出現(xiàn)的網(wǎng)格奇化問題；非線性收斂的智能控制技術(shù)對非線性優(yōu)化問題是不可或缺的。cae軟件對工程和產(chǎn)品的分析模擬能力，主要取決于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元類型越多，材料所包括的材料特性種類越全，其cae軟件對工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力就越強。而cae軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，則主要決定于解法庫

13、，先進高效的求解算法可能對計算效率造成幾倍、幾十倍甚至幾百倍的提高。近幾年來國際上先進的軟件在單元庫、材料庫、前后處理，特別是用戶界面和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等方面都有了巨大發(fā)展，已經(jīng)可以對工程和產(chǎn)品進行靜力和擬靜力的線性和非線性分析；線性與非線性動力分析；穩(wěn)態(tài)與瞬態(tài)熱分析；靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場和電流分析；流體計算；聲場與波的傳播計算等。前后處理是近十多年發(fā)展最快的cae軟件成分，它們是cae軟件滿足用戶要求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實現(xiàn)與cad、cam、capp、pdm等軟件無縫集成的關(guān)鍵性軟件成份。1.2.2 cae在國內(nèi)的發(fā)展cae在中國汽車行業(yè)的應(yīng)用起步于20世紀80年代中期，歷經(jīng)十幾年的緩

14、慢發(fā)展，到90年代后期開始加速，目前已經(jīng)進入飛速發(fā)展期。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，因為這些合資企業(yè)的產(chǎn)品設(shè)計權(quán)在國外，他們的cae應(yīng)用一般停留在工藝更改后的驗證層次，談不上汽車關(guān)鍵部件的cae應(yīng)用。隨著外國汽車以及零部件公司逐步在中國建立研發(fā)中心，其cae的應(yīng)用水平也會逐步提高。國有汽車企業(yè)的cae應(yīng)用開始較早，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20幾年來還停留在基本分析階段。民營或者國內(nèi)股份企業(yè)因為沒有現(xiàn)成的產(chǎn)品可以生產(chǎn)，開始是仿造，現(xiàn)在有的企業(yè)已經(jīng)擁有自己的設(shè)計能力，且cae在關(guān)鍵部件的應(yīng)用水平還較高。國內(nèi)一些自主品牌自主（半自

15、主）開發(fā)的車型，對cae分析的需求和依賴性較強，部件、子系統(tǒng)、整車運動與安全都在進行cae分析。有的企業(yè)借助一些曾經(jīng)在國外大汽車公司工作的“海歸”帶回的經(jīng)驗，并結(jié)合本企業(yè)cae應(yīng)用的經(jīng)驗，開始在著手建立自己的cae應(yīng)用規(guī)范和仿真流程?？傮w來講，中國的轎車企業(yè)cae應(yīng)用水平相對高，卡車次之，客車企業(yè)屬于起步階段。如何解決應(yīng)用難題：就汽車行業(yè)來說，國內(nèi)汽車廠家所用到的cae軟件跟國外汽車廠家所用的基本一樣，那么，國內(nèi)汽車廠家普遍應(yīng)用水平不高的原因在哪里呢？首先是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)對cae的功能還沒有能夠充分認識。雖然現(xiàn)在汽車企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)層普遍認識到cae的作用，但是對cae應(yīng)用的難度沒有充分估計。不少企業(yè)認為買

16、回來cae軟件就可以發(fā)揮立竿見影的作用，但事實上如果沒有經(jīng)驗豐富的cae人員，很難立刻見到成效；再就是cae人員的培養(yǎng)問題，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，cae分析人員的培養(yǎng)周期相對較長；還有就是汽車企業(yè)通常缺乏自己的cae分析標準或者規(guī)范。要解決好汽車行業(yè)cae應(yīng)用的上述問題，首先，汽車行業(yè)相關(guān)廠商的領(lǐng)導(dǎo)層要充分認識cae的作用和難度，特別是后者。軟件可以隨時購買，但是使用 cae軟件的人才是企業(yè)從頭培養(yǎng)還是從相關(guān)行業(yè)引進？如果是自己培養(yǎng)，那就要有長期見效的心理準備，而且要肯花錢培訓(xùn)cae人員。當(dāng)然如果企業(yè)想盡快見到成效，可以引進經(jīng)驗豐富的cae人才

17、，采取引進與自己培養(yǎng)相結(jié)合，這是一個較好的途徑。有了cae人員，企業(yè)還要努力建立自己的cae分析標準。目前，我國汽車cae應(yīng)用中的最大問題就在于我們的企業(yè)沒有自己的標準或者標準不完善，從而會導(dǎo)致這樣一種現(xiàn)象：就算做了cae分析，也無法有效地評價分析結(jié)果。所謂標準就是具體應(yīng)用有限元軟件進行特定設(shè)計產(chǎn)品進行分析時，如何簡化cad模型，如何定義載荷以及邊界條件；工況如何設(shè)置；進行什么類型的分析，如：是結(jié)構(gòu)分析還是熱、流場分析，是否需要做熱結(jié)構(gòu)耦合分析等，結(jié)構(gòu)分析是靜力還是動力，有沒有非線性問題等；分析完成如何評價結(jié)果，譬如：做轎車白車身模態(tài)分析，第一階模態(tài)頻率需要達到多少hz才算合格呢？標準的解決途

18、徑有兩個：一是，自己通過試驗和仿真相互校核，建立相關(guān)產(chǎn)品的評價標準；二是，利用相關(guān)行業(yè)已有的經(jīng)驗來輔助建立自己的cae分析標準。由此可見，cae分析標準的建立相當(dāng)不易，需要做大量的工作，并且要結(jié)合試驗結(jié)果。然而，這個過程是必須要走的。針對汽車行業(yè)的全面解決方案：ugs公司作為全球領(lǐng)先的plm廠商，有著40年的cae軟件開發(fā)與技術(shù)服務(wù)歷史，能夠為汽車行業(yè)提供全面的解決方案，包括cae軟件模塊方案和技術(shù)服務(wù)方案（培訓(xùn)咨詢）。nx nastran（mcae工業(yè)標準）針對汽車整車、零部件、子總成的強度剛度線性和非線性動力、靜力分析。其新增加sol101線性接觸功能，大大提高螺拴等連接部件的局部分析精度

19、；全球領(lǐng)先的分布式并行計算能力，能夠高速度，高精確性地求解工程問題。nx motion模塊針對汽車運動學(xué)、動力學(xué)仿真，集成于ug nx 環(huán)境中。該模塊內(nèi)嵌adams和recurdyn兩個世界知名多體求解器，使用非常方便，跟cad軟件一體化。nx flow和nx thermal針對車身外流場計算和發(fā)動機（包括進、排氣系統(tǒng)）熱分析、汽車電子電器系統(tǒng)冷卻分析，具有很高的性能價格比。nx flow 提供一個整套的cfd能力用于高精度流體仿真，并完全集成在nx環(huán)境中，可以有效地仿真穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)流體流動問題。nx thermal 提供廣泛的熱分析和傳熱分析仿真能力，完全集成在nx環(huán)境中，可提供完整的建模和求

20、解復(fù)雜熱問題的架構(gòu)。該產(chǎn)品可以有效地仿真穩(wěn)態(tài)和瞬態(tài)熱響應(yīng)問題，可以處理各種熱相關(guān)和光熱相關(guān)材料特性，強大的熱耦合分析很好處理網(wǎng)格脫離的接觸傳熱，且提供高精度的熱輻射，使用半球技術(shù)計算視角因子。nx flow和nx thermal可以無縫耦合。車身以及底盤等疲勞耐久性預(yù)測，durability模塊能夠進行很好的計算，而且還可以集成其它知名疲勞分析軟件。ugs cae 的前后處理器采用先進的虛擬拓撲網(wǎng)格生成技術(shù)，使得劃分出來的網(wǎng)格能夠100%滿足nastran求解的要求，一鍵式的自動批處理網(wǎng)格生成技術(shù)，把cae分析人員從繁重網(wǎng)格劃分中解放出來，且支持多種cae求解器。1.3 cae的發(fā)展趨勢1.3

21、.1 擴大仿真分析的范圍未來的產(chǎn)品設(shè)計將由產(chǎn)品功能主導(dǎo)產(chǎn)品外形、材料和加工工藝過程，所需的分析模擬范圍將遠遠超出今天的范圍。設(shè)計人員必須考慮應(yīng)力和振動、運動學(xué)、流體力學(xué)、裝配建模、可靠性分析、人的因素和加工工藝及成本等等。工程師必須能夠真實地模擬產(chǎn)品的所有性能，結(jié)合貫穿產(chǎn)品生命周期的各種因素，獲得對各種設(shè)計的模擬結(jié)果。cae軟件也將由單一零件的虛擬樣機朝著整機虛擬樣機的方向發(fā)展。多物理場耦合分析模擬任何一個復(fù)雜的工程和產(chǎn)品大都是處在多物理場耦合，甚至是多相多態(tài)介質(zhì)耦合狀態(tài)下工作，其運行行為絕非是多個單一物理場問題，部分可能屬于強非線性耦合。對于這些問題，目前尚沒有成熟可靠的理論，還處于基礎(chǔ)性前

22、沿研究階段，但由于其強烈的工業(yè)背景，它們已經(jīng)成為國內(nèi)外科學(xué)家研究的主要目標。高度集成化包括兩方面的含義。狹義上的信息集成，即實現(xiàn)cae與cad、cam、capp、erp等各單元信息的集成，減少之間的數(shù)據(jù)傳輸與轉(zhuǎn)換。這主要依靠相同平臺的軟件、開發(fā)一定的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換接口程序、基于數(shù)據(jù)庫的信息處理等方式實現(xiàn)。廣義上的“多集成”，即信息集成、智能集成、串并行工作機制集成及人員集成。未來的趨勢應(yīng)該是實現(xiàn)技術(shù)、人和管理的集成。在技術(shù)創(chuàng)新上，近年來變量化技術(shù)突飛猛進，取得了一系列理論成果，如變量化造型、變量化分析、變量化裝配、變量化模架庫等，并已在cad領(lǐng)域取得了成功應(yīng)用。將來，必然會擴展到分析領(lǐng)域。屆時，實時

23、的、隨意的多方案分析過程將使cae更加輕松自如。1.3.2 智能化、人性化cae作為設(shè)計分析人員進行產(chǎn)品研發(fā)的工具，必然務(wù)求易學(xué)好用，得心應(yīng)手，而未來的大型通用cad/cae/cam軟件是一個多學(xué)科交叉的，綜合性知識密集型產(chǎn)品，如何使用戶更方便地使用軟件，同時結(jié)合多學(xué)科多領(lǐng)域的知識經(jīng)驗來促進設(shè)計分析過程是一個不容回避的問題。因此，開發(fā)更有效的支持用戶使用這些軟件的專家系統(tǒng)顯得十分必要。智能化將是發(fā)展的一個必然趨勢。同時，軟件的工作環(huán)境應(yīng)該盡可能解放使用者的頭腦，開拓使用者的思路，讓使用者集中精力于設(shè)計創(chuàng)作，這使得軟件趨向于人性化，除了具備智能化的自動運算、推理判斷、協(xié)助思考等功能外，還要以符合

24、人們思維習(xí)慣的方式去判斷、思考、表達與操作，以更強的用戶界面提供更強的直觀、直感、直覺性，更智能化地適應(yīng)用戶的要求。1.3.3 網(wǎng)絡(luò)化隨著互聯(lián)網(wǎng)的普及，寬帶通信技術(shù)的突破，網(wǎng)絡(luò)正改變著人們獲取信息、共享數(shù)據(jù)和商品交易的方式，也改變著工程設(shè)計人員完成模擬仿真分析的傳統(tǒng)方式。軟件供應(yīng)商們已經(jīng)認識到，是否提供電子網(wǎng)絡(luò)銷售將決定他們今后的競爭力。所以軟件用戶將從現(xiàn)在的購買和安裝軟件逐步過渡到直接租用放在網(wǎng)上服務(wù)器的軟件。如msc.software公司已實現(xiàn)網(wǎng)上購買仿真分析軟件，還與網(wǎng)絡(luò)服務(wù)商和硬件商合作，通過服務(wù)器端大量的msc.softwree軟件與客戶端的用戶環(huán)境，提供有償?shù)能浖茏饣蛟伦夥?wù)。同

25、時，基于網(wǎng)絡(luò)的遠程計算與分析設(shè)計將得到進一步發(fā)展，異地協(xié)同設(shè)計、分析、制造將成為現(xiàn)實。企業(yè)的創(chuàng)新需求為cae技術(shù)的發(fā)展提供了強大的動力，可以預(yù)見，隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展和全球信息化，cae必將取得更為巨大的成就，并繼續(xù)對國民經(jīng)濟的發(fā)展做出重要貢獻。1.3.4 我國cae技術(shù)落后的原因我國開展cad/cam技術(shù)應(yīng)用工作并不算晚，通過引進，不少企業(yè)的軟、硬件條件與國外相比也相差不大。但是，為什么國內(nèi)的汽車cad/cam 技術(shù)應(yīng)用與國外先進水平相比存在較大的差距呢?我認為有以下幾個原因:（1）原有計劃經(jīng)濟的原因。在舊的經(jīng)營模式下，企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)干好干壞一個樣，而采用 cad/ cam 技術(shù)投資大，有較大風(fēng)

26、險，效益回報有一定的滯后期，導(dǎo)致企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)不夠重視，怕影響正常的生產(chǎn)。（2）管理上的缺陷。由于條塊分割，重復(fù)引進，企業(yè)相互之間缺乏必要的交流和協(xié)作, 影響了cad/ cam技術(shù)效益的發(fā)揮。（3）人才培養(yǎng)的不足。像福特、通用等汽車公司之所以cad/ cam技術(shù)應(yīng)用得好, 是因為幾十年來一直大力開展cad/ cam應(yīng)用而積淀下來的寶貴經(jīng)驗和培養(yǎng)出了一支高水平的技術(shù)隊伍。有錢可以買到先進的軟、硬件，但一支高水平的技術(shù)隊伍需要若干年的培養(yǎng)。現(xiàn)在國內(nèi)既懂計算機軟、硬件，又有豐富專業(yè)知識的人才奇缺，而這恰是企業(yè)最為寶貴的財富。.1.3.5 cae今后發(fā)展方向及設(shè)想目前，我國汽車行業(yè)中的大企業(yè)基本上具備了一定

27、的cae應(yīng)用能力，但至今這種能力在汽車產(chǎn)品設(shè)計中仍未得到充分發(fā)揮，大多數(shù)產(chǎn)品的設(shè)計仍局限在經(jīng)驗上，這主要與cae的規(guī)劃、培訓(xùn)以及設(shè)計人員對cae的重視程度、cae分析周期長等因素有關(guān)。針對這些問題，結(jié)合汽車產(chǎn)品的設(shè)計水平，應(yīng)該采取以下措施來加速cae的發(fā)展和促進其應(yīng)用，使之盡快轉(zhuǎn)變?yōu)樯a(chǎn)力。（1）切實重視cae的發(fā)展，并使之與產(chǎn)品設(shè)計結(jié)合起來，最后達到在產(chǎn)品設(shè)計中能使用cae技術(shù)的目的。（2）制定長期的cae發(fā)展規(guī)劃，包括階段研究方向、人員培訓(xùn)提高、計算機軟、硬件的更新等。目前，應(yīng)集中力量研究cae能夠解決的設(shè)計問題，加強cae模型與測試結(jié)果的對比研究，大幅度減少cae模型的制作時間。為此，可

28、以考慮具體汽車結(jié)構(gòu)的fem分析系統(tǒng)，如車身結(jié)構(gòu)分析系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括基本的模型數(shù)據(jù)庫、設(shè)計評價指標、cae分析的基本步驟（先作靜態(tài)剛度，然后進行模型分析、響應(yīng)分析及靈敏度分析等），利用測試結(jié)果建立可靠的cae模型，使cae真正成為車身設(shè)計的有效工具。（3）加強cae的培訓(xùn)工作。一方面是 cae專業(yè)人員能力的提高（可以通過高層次學(xué)習(xí)，如請人講學(xué)等方式達到；另一方面是cae專業(yè)人員有重點地培訓(xùn)產(chǎn)品設(shè)計人員，使現(xiàn)有較成熟的cae技術(shù)盡快應(yīng)用于設(shè)計。（4）加強汽車行業(yè)中各大企業(yè)間cae技術(shù)的協(xié)作。在我國cae發(fā)展水平還較低，企業(yè)cae軟、硬件的相互封鎖，只能阻礙 cae的發(fā)展及應(yīng)用，重復(fù)投資，重復(fù)勞動，

29、使得本來就不太充足的人員和資金白白浪費掉。因此, 應(yīng)該定期進行交流，共同提高，互相協(xié)作，做好規(guī)劃，避免重復(fù)性投入。（5）提高使用cae技術(shù)的方便性。為此，首先應(yīng)盡快推進便于使用的結(jié)構(gòu)分析程序，如ansys、nastran等；其次，cae專業(yè)人員的課題研究應(yīng)把應(yīng)用作為目標，把課題結(jié)果的規(guī)范化與培訓(xùn)設(shè)計人員使用cae技術(shù)能力作為課題的重要組成部分。（6）加強cae與測試部門的結(jié)合，盡量縮短cae的分析時間，用盡可能多的測試結(jié)果驗證模型，使模型能最大限度地得以簡化。隨著科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，cad/cam技術(shù)正向集成化、智能化、網(wǎng)絡(luò)化、標準化、可視化等方向發(fā)展。新的技術(shù)正在不斷出現(xiàn)，在這新舊交替之際，

30、只要我們抓住機遇，就能跳躍前進，趕上世界科技發(fā)展的步伐；反之，如不能把握機會，則將更加落后?？梢韵嘈?，中國的汽車cad/ cam事業(yè)前途光明，但需要大家付出艱辛的努力。2 cae的相關(guān)理論2.1 cae的基本概念cae（computer aided engineering）從字面上講是計算機輔助工程，其概念很廣，可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。但傳統(tǒng)的cae主要是指工程設(shè)計中的分析計算和分析仿真，其核心是基于現(xiàn)代計算力學(xué)的有限單元分析技術(shù)。從廣義上說，計算機輔助工程包括很多，從字面上講，它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面，但是傳統(tǒng)的cae主要指用計算機對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性

31、分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性和可靠性。這里主要是指cae軟件。 cae軟件可以分為兩類：針對特定類型的工程或產(chǎn)品所開發(fā)的用于產(chǎn)品性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件，稱之為專用cae軟件；可以對多種類型的工程和產(chǎn)品的物理、力學(xué)性能進行分析、模擬和預(yù)測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件，稱之為通用cae軟件。 cae軟件的主體是有限元分析(fea，finite element analysis)軟件。有限元方法的基本思想是將結(jié)構(gòu)離散化，用有限個容易分析的單元來表示復(fù)雜的對象，單元之間通過有限個節(jié)點相互連接，然后根據(jù)變形協(xié)調(diào)條件綜合

32、求解。由于單元的數(shù)目是有限的，節(jié)點的數(shù)目也是有限的，所以稱為有限元法。這種方法靈活性很大，只要改變單元的數(shù)目，就可以使解的精確度改變，得到與真實情況無限接近的解?；谟邢拊椒ǖ腸ae系統(tǒng)，其核心思想是結(jié)構(gòu)的離散化。根據(jù)經(jīng)驗，cae各階段所用的時間為：40%45%用于模型的建立和數(shù)據(jù)輸入，50%55%用于分析結(jié)果的判讀和評定，而真正的分析計算時間只占5%左右。采用cad技術(shù)來建立cae的幾何模型和物理模型，完成分析數(shù)據(jù)的輸入，通常稱此過程為cae的前處理。同樣，cae的結(jié)果也需要用cad技術(shù)生成形象的圖形輸出，如生成位移圖、應(yīng)力、溫度、壓力分布的等值線圖，表示應(yīng)用、溫度、壓力分布的彩色明暗圖，

33、以及隨機械載荷和溫度載荷變化生成位移、應(yīng)力、溫度、壓力等分布的動態(tài)顯示圖。我們稱這一過程為：cae的后處理。針對不同的應(yīng)用，也可用cae仿真模擬零件、部件、裝置(整機)乃至生產(chǎn)線、工廠的運動和運行狀態(tài)。2.2 cae的基本結(jié)構(gòu)與功能2.2.1 cae分析的三個步驟應(yīng)用這些cae軟件對工程或產(chǎn)品進行性能分析和模擬時，一般要經(jīng)歷如圖2-1所示步驟： 圖2-1 cae一般步驟（1）前處理用圖形軟件首先對工程或產(chǎn)品進行實體建模，進而建立有限元分析模型。（2）有限元分析對有限元模型進行單元分析、有限元系統(tǒng)組裝、有限元系統(tǒng)求解以及有限元結(jié)果生成。（3）后處理據(jù)工程或產(chǎn)品模型與設(shè)計要求，對有限元分析結(jié)果進行

34、用戶所要求的加工、檢查，并以圖形方式提供給用戶，輔助用戶判定計算結(jié)果與設(shè)計方案的合理性。2.2.2 cae軟件的結(jié)構(gòu)與功能cae軟件的基本結(jié)構(gòu)其中包含以下模塊：前處理模塊-給實體建模與參數(shù)化建模，構(gòu)件的布爾運算，單元自動剖分，節(jié)點自動編號與節(jié)點參數(shù)自動生成，載荷與材料參數(shù)直接輸入有公式參數(shù)化導(dǎo)入，節(jié)點載荷自動生成，有限元模型信息自動生成等。有限元分析模塊-有限單元庫，材料庫及相關(guān)算法，約束處理算法，有限元系統(tǒng)組裝模塊，靜力、動力、振動、線性與非線性解法庫。大型通用題的物理、力學(xué)和數(shù)學(xué)特征，分解成若干個子問題，由不同的有限元分析子系統(tǒng)完成。一般有如下子系統(tǒng)：線性靜力分析子系統(tǒng)、動力分析子系統(tǒng)、振

35、動模態(tài)分析子系統(tǒng)、熱分析子系統(tǒng)等。 后處理模塊-有限元分析結(jié)果的數(shù)據(jù)平滑，各種物理量的加工與顯示，針對工程或產(chǎn)品設(shè)計要求的數(shù)據(jù)檢驗與工程規(guī)范校核，設(shè)計優(yōu)化與模型修改等。用戶界面模塊彈出式下拉菜單，對話框，數(shù)據(jù)導(dǎo)入與導(dǎo)出宏命令，以及相關(guān)的gui圖符等。數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)與數(shù)據(jù)庫不同的cae軟件所采用的數(shù)據(jù)管理技術(shù)差異較大，有文件管理系統(tǒng)，關(guān)系型數(shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)及面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫管理系統(tǒng)。其數(shù)據(jù)庫應(yīng)該包括構(gòu)件與模型的圖形和特性數(shù)據(jù)庫，標準規(guī)范及有關(guān)知識庫等。共享的基礎(chǔ)算法模塊如圖形算法，數(shù)據(jù)平滑算法等。cae軟件對工程和產(chǎn)品的分析、模擬能力，主要決定于單元庫和材料庫的豐富和完善程度，單元庫所包含的單元

36、類型越多，材料庫所包括的材料特性種類越全，其cae軟件對工程或產(chǎn)品的分析、仿真能力越強。 一個cae軟件的計算效率和計算結(jié)果的精度，主要決定于解法庫。先進高效的求解算法與常規(guī)的求解算法，在計算效率上可能有幾倍、幾十倍，甚至幾百倍的差異，特別是在并行計算機環(huán)境下運行。隨著cae軟件開發(fā)商對單元庫，材料庫和求解器的改造，擴充和完善，目前國際上先進的cae軟件，已經(jīng)可以對工程和產(chǎn)品進行如下的性能分析，預(yù)報及運行行為模擬：靜力和擬靜力的線性與非線性分析包括對各種單一和復(fù)雜組合結(jié)構(gòu)的彈性，彈塑性，塑性，蠕變，膨脹，幾何大變形，大應(yīng)變，疲勞，斷裂，損傷，以及多體彈塑性接觸在內(nèi)的變形與應(yīng)力應(yīng)變分析。線性與非

37、線性動力分析包括交變荷載，爆炸沖擊荷載，隨機地震荷載以及各種運動荷載作用下的動力時程分析，振動模態(tài)分析，諧波響應(yīng)分析，隨機振動分析，屈曲與穩(wěn)定性分析等。靜態(tài)與瞬態(tài)熱分析包括傳導(dǎo)，對流和輻射狀態(tài)下的熱分析，相變分析，以及熱/結(jié)構(gòu)耦合分析。靜態(tài)和交變態(tài)的電磁場和電流分析包括電磁場分析，電流分析，壓電行為分析以及電磁/結(jié)構(gòu)耦合分析。流體計算包括常規(guī)的管內(nèi)和外場的層流，端流，熱/流耦合以及流/固耦合分析。 聲場與波的傳播計算包括靜態(tài)和動態(tài)聲場及噪聲計算，固體，流體和空氣中波的傳播分析等。 前后處理是近十多年發(fā)展最快的cae軟件成分，它們是cae軟件滿足用戶需求，使通用軟件專業(yè)化、屬地化，并實現(xiàn)cad、

38、cam、capp、pdm等軟件無縫集成的關(guān)鍵性軟件成分。它們是通過增設(shè)cad軟件，例如pro/engineer，ug，solidedge，catia，mdt等軟件的接口數(shù)據(jù)模塊，實現(xiàn)了cad/cae的有效集成。 cae通常指有限元分析和機構(gòu)的運動學(xué)及動力學(xué)分析。有限元分析可完成力學(xué)分析(線性、非線性、靜態(tài)、動態(tài))；場分析(熱場、電場、磁場等)；頻率響應(yīng)和結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。機構(gòu)分析能完成機構(gòu)內(nèi)零部件的位移、速度、加速度和力的計算，機構(gòu)的運動模擬及機構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化。2.2.3 cae的作用 （1）增加設(shè)計功能，借助計算機分析計算，確保產(chǎn)品設(shè)計的合理性，減少設(shè)計成本；（2）縮短設(shè)計和分析的循環(huán)周期； （3）

39、cae分析起到的“虛擬樣機”作用在很大程度上替代了傳統(tǒng)設(shè)計中資源消耗極大的“物理樣機驗證設(shè)計”過程，虛擬樣機作用能預(yù)測產(chǎn)品在整個生命周期內(nèi)的可靠性； （4）采用優(yōu)化設(shè)計，找出產(chǎn)品設(shè)計最佳方案，降低材料的消耗或成本；（5）在產(chǎn)品制造或工程施工前預(yù)先發(fā)現(xiàn)潛在的問題； （6）模擬各種試驗方案，減少試驗時間和經(jīng)費；（7）進行機械事故分析，查找事故原因。 2.3 cae的價值cae技術(shù)為汽車行業(yè)的高速發(fā)展提供具有中心價值地位的技術(shù)保障，可以為企業(yè)帶來巨大的技術(shù)經(jīng)濟效益。在汽車發(fā)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)帶來巨大的回報。汽車行業(yè)是一個高速發(fā)展的行業(yè)，其競爭日趨激烈。隨著新產(chǎn)

40、品推出的速度越來越快， cae在汽車行業(yè)的應(yīng)用越來越多，水平也在逐步提高。統(tǒng)計結(jié)果表明，應(yīng)用 cae 技術(shù)后，新車開發(fā)期的費用占開發(fā)成本的比例從80%90%下降到 8%12%。例如：美國福特汽車公司2000年應(yīng)用cae后，其新車型開發(fā)周期從36個月降低到1218個月；開發(fā)后期設(shè)計修改率減少50%；原型車制造和試驗成本減少50%；投資收益提高50%。其最大優(yōu)點是可以在產(chǎn)品設(shè)計初期, 即圖紙設(shè)計階段，通過建立基本的計算機分析模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品進行強度、壽命及特性預(yù)測，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，使產(chǎn)品設(shè)計指標得到保證，有效地提高設(shè)計產(chǎn)品的可靠性, 縮短設(shè)計周期。如汽車產(chǎn)品采用傳統(tǒng)的經(jīng)驗設(shè)計試驗校核的方法，

41、則由于結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，在設(shè)計過程中往往無法知道局部及總體強度等是否滿足設(shè)計要求, 只能靠一輪又一輪的設(shè)計試驗來改進，需要很長的設(shè)計周期及很高的設(shè)計試制費用，已很難適應(yīng)市場的需求。而采用cae技術(shù)，在汽車概念設(shè)計的同時，進行靜態(tài)、動態(tài)分析，隨著設(shè)計圖紙的一步步完善，汽車結(jié)構(gòu)的有限元模型也進一步細化，使分析計算的結(jié)果更趨于準確。這樣，在最終圖紙完備后, 就能使整車的強度、壽命指標得到控制，大大地減少了樣車的制作和試驗時間。cae技術(shù)不但對汽車整車或車身等大型結(jié)構(gòu)的宏觀控制發(fā)揮作用，對于解決汽車局部強度問題也很有效。在設(shè)計階段引入cae可以及早發(fā)現(xiàn)錯誤，盡快修正錯誤的目標。圖2-2表示了采用cae技術(shù)

42、與不采用cae技術(shù)的設(shè)計、制造流程對比情況。 產(chǎn)品設(shè)計（cad）發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺點不采用cae技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、制造流程產(chǎn)品設(shè)計（cad）產(chǎn)品分析（cae）產(chǎn)品制造（cam）發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷采用cae技術(shù)的產(chǎn)品設(shè)計、制造流程產(chǎn)品制造（cam）圖2-2 設(shè)計、制造流程對比cae技術(shù)的價值就在于可以在產(chǎn)品設(shè)計初期，即圖紙設(shè)計階段，通過建立基本的計算機分析模型，對所設(shè)計的產(chǎn)品進行強度、壽命分析，運動學(xué)、動力學(xué)仿真，以得到所設(shè)計產(chǎn)品的各種性能，從而指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計，有效地提高設(shè)計產(chǎn)品的可靠性，縮短設(shè)計周期。如在汽車產(chǎn)品的設(shè)計中采用cae技術(shù)，在汽車概念設(shè)計的同時，進行靜態(tài)、動態(tài)分析，平順性、操縱穩(wěn)定性仿真,在設(shè)計階段

43、即可發(fā)現(xiàn)設(shè)計中存在的缺陷、錯誤，及時地改進這些缺陷和錯誤，可以大大地減少樣車的制作和試驗時間。2.4 cae的應(yīng)用分類籠統(tǒng)地講，汽車的每一個部件都可以做cae分析，但主要包括以下3大關(guān)鍵部分：圖2-3 汽車cae分析圖2.4.1 整車該部分的cae通常要做運動學(xué)、動力學(xué)仿真，以模擬如車輛行駛的平順性、舒適性和可通過性。這需要建立整車的虛擬樣機，以確定整車參數(shù)。通常要確定的主要整車參數(shù)有：行駛性、操縱穩(wěn)定性、振動、噪聲和舒適性；輪胎、懸架的配備；車身的動靜剛度、強度、壽命評價和車身固有頻率；駕駛室通風(fēng)、隔熱、噪聲；車身外流場特性、發(fā)動機艙的氣流和熱交換；主動安全性與被動安全性水平等。2.4.2

44、大總成或者大的子系統(tǒng)汽車通常劃分為4大系統(tǒng)：車身、底盤、發(fā)動機、電子電器系統(tǒng)。整車分析確定的參數(shù)，分解到各個總成后，需要對各總成進行cae分析，以確定這些參數(shù)可以在各總成實現(xiàn)。2.4.3 零部件和小總成這部分主要是對零部件（子總成）做cae分析，如車門、車門密封條、發(fā)動機缸體、懸架、面板、曲軸活塞、進排氣系統(tǒng)、輪胎、輪轂等，以確定它們的力學(xué)特性是否符合總體設(shè)計要求，或者優(yōu)化以進一步改進初始設(shè)計。通過對這些關(guān)鍵部分的cae仿真分析，可以在概念設(shè)計階段就把握好產(chǎn)品各個方面的性能，排除問題。這對于汽車行業(yè)來說極為重要，因為問題發(fā)現(xiàn)越早，解決問題的代價就越低。2.5 cae與cadcamcad是cae

45、和cam的基礎(chǔ)。在cae中無論是單個零件、還是整機的有限元分析及機構(gòu)的運動分析，都需要cad為其造型、裝配；在cam中，則需要cad進行曲面設(shè)計、復(fù)雜零件造型和模具設(shè)計。在cad中對零件及部件所做的任何改變，都會在cae和cam中有所反應(yīng)。cad/cam技術(shù)是實現(xiàn)創(chuàng)新的關(guān)鍵手段，而cae技術(shù)就是實現(xiàn)創(chuàng)新設(shè)計的最主要技術(shù)保障。 目前眾多的設(shè)計單位將“cad”與“cae分析”截然分開，由不同的人或部門來完成設(shè)計與分析工作，存在工作和數(shù)據(jù)交接、結(jié)果等待和評判等過程，造成了整個設(shè)計流程的不暢通。事實上，在理想的現(xiàn)代設(shè)計過程中，cae應(yīng)該融入產(chǎn)品設(shè)計的各個階段和環(huán)節(jié)，實現(xiàn)設(shè)計分析一體化。3 cae在汽車

46、設(shè)計制造中的應(yīng)用3.1汽車結(jié)構(gòu)強度分析 汽車結(jié)構(gòu)強度是保證汽車安全性、可靠性的重要指標。因此汽車結(jié)構(gòu)強度分析也是cae技術(shù)在汽車工程中應(yīng)用最廣泛的方面。汽車結(jié)構(gòu)強度分析一般都是應(yīng)用有限元法對汽車的結(jié)構(gòu)進行數(shù)值計算。由于汽車是一個非常復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。大多數(shù)的分析計算都是針對汽車的某些重要的部件或總成（例如車架、懸架、傳動系等）。進行分析的內(nèi)容主要包括靜力分析、特征值分析以及瞬態(tài)動力分析。 通過靜力分析可以得到結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、位移分布情況。通過這些分布情況可以判斷結(jié)構(gòu)在工作載荷作用下是否安全、可靠、結(jié)構(gòu)的哪些部位會產(chǎn)生應(yīng)力集中、哪些部位強度不夠。以便對結(jié)構(gòu)進行改進設(shè)計。 通過特征值分析可以求得結(jié)構(gòu)的固有頻

47、率以及相應(yīng)的振型。根據(jù)固有頻率和陣型，可以幫助設(shè)計人員分析、查找引起結(jié)構(gòu)振動的原因、并進而通過改進結(jié)構(gòu)、避免發(fā)生共振。 通過瞬態(tài)動力分析可以計算汽車結(jié)構(gòu)在動載荷作用下的應(yīng)力、位移等物理量的影響情況。例如汽車在以一定速度通過顛簸不平的道路時的應(yīng)力、位移；汽車在受到?jīng)_擊載荷作用是的應(yīng)力、位移以及這些量隨時間和載荷變化的情況。3.2 車身覆蓋件成型過程的計算機仿真汽車覆蓋件主要是指覆蓋汽車發(fā)動機、底部、駕駛室和車身的用金屬薄板沖壓成的表面零件和內(nèi)部零件。與一般沖壓件相比，形狀復(fù)雜（多為空間曲面），外輪廓尺寸大，材料相對厚度小，表面質(zhì)量要求高。工藝和模具設(shè)計流程可以歸納為：（1）收集工藝和模具設(shè)計必需

48、的原始產(chǎn)品資料；（2）產(chǎn)品可成形性分析；（3）確定合理的工藝方案、工序數(shù)和順序；（4）建立工序件模型；（5）工藝缺陷的預(yù)測和工藝方案的優(yōu)化；（6）確定模具工作型面、壓邊力、毛坯形狀和沖模行程等幾何和工藝參數(shù)，并選擇合適的壓力機和模具結(jié)構(gòu)；（7）編寫工藝文件；（8）模具可制造性評估；（9）模具結(jié)構(gòu)詳細設(shè)計。覆蓋件工藝和模具設(shè)計的復(fù)雜性決定了上述流程是一個多次反復(fù)、不斷完善的過程。實踐證明，采用先進的 cad/ cae/ cam 技術(shù)可以提高設(shè)計的效率和質(zhì)量，縮短開發(fā)的周期，減少開發(fā)的成本。3.2.1 cae技術(shù)在汽車翼子板拉延模具設(shè)計中的應(yīng)用薄板沖壓成型在汽車制造中是一種十分重要的制造技術(shù)。汽車

49、覆蓋件大都采用薄板沖壓而成,其模具制造周期影響汽車的制造成本以及新產(chǎn)品開發(fā)的周期。目前，國外汽車界提出了3r戰(zhàn)略，即：縮短產(chǎn)品的市場化周期、降低產(chǎn)品開發(fā)費用和減輕汽車的質(zhì)量，其中一個重要環(huán)節(jié)就是降低車身覆蓋件模具的制造費用和減少生產(chǎn)周期。沖壓工藝與模具設(shè)計是薄板沖壓成型技術(shù)的關(guān)鍵，由于沖壓成型過程是一個非常復(fù)雜的物理過程，涉及力學(xué)中的三大非線性問題。幾何非線性(沖壓中板料產(chǎn)生大位移、大轉(zhuǎn)動和大變形)；物理非線性(又稱材料非線性，指材料在沖壓中產(chǎn)生的彈塑性變形)；邊界非線性(指模具與板料產(chǎn)生的接觸摩擦引起的非線性關(guān)系)。這些非線性的綜合，加上不規(guī)則的工件形狀，使得沖壓成型過程的計算相當(dāng)復(fù)雜，是傳

50、統(tǒng)方法無法解決的。傳統(tǒng)的模具與工藝設(shè)計只能以許多簡化和假設(shè)為基礎(chǔ)進行初步設(shè)計計算，然后大量地依靠經(jīng)驗與反復(fù)試模、修模來保證零件的品質(zhì)。這樣的方法用于象汽車覆蓋件一類的要求精度高、成型性好的大型復(fù)雜零件的工藝與模具設(shè)計，不僅時間長、費用高，還往往難以保證零件的品質(zhì)。隨著非線性理論、有限元方法和計算機軟硬件的迅速發(fā)展，薄板沖壓成型的計算機仿真技術(shù)日漸成熟，并在沖壓工藝與模具設(shè)計中發(fā)揮越來越大的作用。沖壓成型過程的計算機仿真實質(zhì)上是利用數(shù)字模擬技術(shù)，分析給定模具與工藝條件的所沖壓的板料變形的全過程，從而判斷模具和工藝方案的合理性。每次仿真就相當(dāng)于一次試模過程。因此成熟的仿真技術(shù)不僅可以減少試模次數(shù)，

51、在一定條件下還可使模具和工藝設(shè)計一次合格從而避免修模。這就可大大縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高產(chǎn)品品質(zhì)和市場競爭力。 3.2.2板料成型過程的顯式有限元計算板料成型的cae軟件是基于彈塑性有限變形理論開發(fā)的，根據(jù)算法的不同分為顯式和隱式兩大類，它們各有優(yōu)缺點。文中cadem軟件是采用顯式算法。采用4節(jié)點殼單元在每個單元的中面定義隨動坐標系如下。 s12te4t3圖3-1 隨動坐標系式中rij=rj-ri,ri為節(jié)點i的位置矢量，如圖3-1所示。該坐標系與單元一起運動，所有物理量在隨動坐標系中定義。經(jīng)等參插值，得單元中的速度為 v=ntvi (3-1)式中vi為節(jié)點速度矢量；n為插值函數(shù)

52、，可表達為n(,)=+xbx+yby+ (3-2)=14as-(stx)b-(sty)by (3-3)bx=14a(ty)-(ty) (3-4)by=14a(tx)+(tx) (3-5)a=14a(tx)(ty)-(ty)(tx) (3-6)=14h-(htx)bx-(hty)by (3-7)式中t=-1,1,1,-1t=-1,-1,1,1=1,1,1,1,=1,-1,1,-1式中x、y為節(jié)點坐標矢量，速度梯度為 v=bv (3-8)板料成型系統(tǒng)必須滿足hu washizu變分原理，經(jīng)簡化得 ut( btd+m¨u-fext-fc)+t(b-b)vd=0 (3-9)式中fext為外力

53、矢量，fc為接觸力矢量,m為質(zhì)量矩陣，為cauchy應(yīng)力張量，為假定的應(yīng)力場，b為應(yīng)變-位移矩陣， b為假定應(yīng)變場的應(yīng)變-位移矩陣, u為節(jié)點速度矢量，¨u為節(jié)點加速度矢量，為邊界域。選擇應(yīng)力場滿足(b-b)vd=0 (3-10)則控制方程為m¨u=fext+fc-fint (3-11)式中內(nèi)力為 fint= btd (3-12)在顯式算法中，式(3-13)求解如下un=m-1n(fextn+fcn-fintn) (3-13)un+12= un-12+t¨un (3-14)un+1=un+t un+12 (3-15)確定對角質(zhì)量矩陣mn后無須求解聯(lián)立方程組，即可由

54、式(3-13)得到n時刻的加速度¨un，再由式(3-14)、式(3-15)得n+1時刻的位移矢量un+1。接觸搜尋采用級域法，它是針對多物體接觸體系提出的，避免了主從面法處理多物體接觸的不便，并提高接觸搜尋效率。接觸力用防御節(jié)點法計算，防御節(jié)點法是一種既能精確計算接觸力，又能避免求解聯(lián)方方程組的算法。在防御節(jié)點法中，每個接觸對中都增加了一個虛擬的接觸節(jié)點即防御節(jié)點。盡管它是虛擬節(jié)點，但它具有一個普通有限元節(jié)點具有的所有屬性，如速度、加速度和力等。板料與模具間的摩擦力采用非經(jīng)典的非線性摩擦定律計算，彌補了庫侖摩擦定律沒有考慮摩擦力與相對滑移量之間關(guān)系的不足。翼子板屬于汽車外覆蓋件，要經(jīng)

55、過拉延、修邊沖孔、整形、翻邊等工序。由于外覆蓋件對幾何精度、強度、表面光潔度要求較高，所以在全套模具設(shè)計中拉延工序最為重要，也是難度最大的。工藝設(shè)計不當(dāng)常常會產(chǎn)生拉裂、起皺等缺陷，給模具調(diào)試造成較大的難度。應(yīng)用仿真軟件cadem可以模擬板料成型的全過程，及時預(yù)測可能出現(xiàn)的拉裂、起皺缺陷，為完善模面設(shè)計方案或修模提供依據(jù)。3.2.3 初始拉延工藝設(shè)計圖3-2 型面幾何模型初始型面設(shè)計主要依靠工藝設(shè)計人員的經(jīng)驗完成。如圖3-2是用ug軟件完成的幾何模型，它包括產(chǎn)品面、補充面、壓料面和拉延筋。產(chǎn)品面是由零件的幾何形狀所決定的；補充面、壓料面和拉延筋則是為使產(chǎn)品面達到成型要求而需增加的。因此設(shè)計合理的補充面、壓料面和拉延筋是獲得高品質(zhì)產(chǎn)品的關(guān)鍵，工藝設(shè)計中通常主要考慮以下幾方面。壓料面：拉延深度的大小在很大程度上決定了產(chǎn)品的成型性。對于外覆蓋件來說，衡量成型性好壞，不僅要看產(chǎn)品部分是否有充分的塑性變形，而且要看變形的分布是否均勻。成型性越好，則產(chǎn)品件剛性越好，且回彈小，有利于后序整形獲得精度較高的產(chǎn)品零件。壓料面的位置是根據(jù)適當(dāng)?shù)睦由疃却_定的。初步計算翼子板的拉延深度為5070mm。補充面：做補充面前要去掉產(chǎn)品面中的翻邊部分，如有后序整形，可以適當(dāng)放大產(chǎn)品部分的圓角和降低補充面的斜度。補充面是指從產(chǎn)品面邊緣延伸出來到壓料面的過渡面，補充面的設(shè)計要使拉延面盡可