汽車CAE技術(shù)的新進(jìn)展

1、        一、概述     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

2、，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）

3、推出的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù)（VIRTUAL PROVING GROUND ，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。    二、VPG技術(shù)    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。    1分析對(duì)象不再是分開(kāi)的各個(gè)零部件，而是包括車身FEM模型、懸掛系（彈簧、減振器、動(dòng)力控制臂）、轉(zhuǎn)向梯形、車輪輪胎等整車非線性系統(tǒng)模型。這樣，車身和懸掛系統(tǒng)與轉(zhuǎn)向系統(tǒng)間難以明確的作用力關(guān)系已包含在分析模型之內(nèi)。如圖1所示。圖1 整車的分析模型    2分析模型數(shù)據(jù)庫(kù)化

4、。眾所周知，計(jì)算模型建模工作量是很大的。但是，除車身模型是車型分析時(shí)必須建立的模型，懸掛結(jié)構(gòu)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)和輪胎是完全可以實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫(kù)化的。這是因?yàn)?，這些結(jié)構(gòu)對(duì)轎車來(lái)說(shuō)，結(jié)構(gòu)形式基本可以歸納成幾種基本類型和數(shù)量有限的幾個(gè)參數(shù)來(lái)描述。用戶只需選擇結(jié)構(gòu)類型，給出參數(shù)即可產(chǎn)生計(jì)算模型。當(dāng)然用戶自行建立模型也是完全可以的。同時(shí)軟件數(shù)據(jù)庫(kù)可以增加用戶模型數(shù)據(jù)，隨著用戶應(yīng)用面的增多，數(shù)據(jù)庫(kù)會(huì)更加豐富。當(dāng)前懸掛數(shù)據(jù)庫(kù)保存有McPherson液壓減振器Strut、長(zhǎng)短臂Short-long Arm、Hotchkiss漸變?nèi)~片彈簧(Leaf Spring)、后拖臂Trailing Arm、五連桿5-link、四連桿Q

5、uadra Link和扭桿Twist Beam 等十種結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)庫(kù)。另外，VPG還提供對(duì)Adams接口，導(dǎo)入兼容的Adams懸架模型。圖2 輪胎數(shù)字化模型圖3 路面數(shù)字化模型    輪胎模型分為用于車身疲勞和壽命分析的輪胎模型；用于評(píng)價(jià)振動(dòng)噪聲NVH研究中應(yīng)用的輪胎模型和用于動(dòng)力學(xué)分析的輪胎模型三種類性。疲勞分析輪胎模型，可以由內(nèi)部函數(shù)構(gòu)造產(chǎn)生、也可以從輪胎數(shù)據(jù)庫(kù)中直接選擇模型，許可用戶直接輸入試驗(yàn)數(shù)據(jù)，可選擇SAE971100論文用于車輛動(dòng)力學(xué)分析及整車實(shí)時(shí)試驗(yàn)的輪胎模型的有效性所述的模型。    用于動(dòng)力學(xué)分析的輪胎模型能反映三維自

6、由和強(qiáng)迫振動(dòng)，可適應(yīng)高頻諧波和隨機(jī)激勵(lì)的自由振動(dòng)和接觸振動(dòng)模態(tài)。用戶可以根據(jù)分析目的選擇不同的輪胎模型，一般給出輪胎型號(hào)很快即可完成輪胎建模工作。圖4 碰撞計(jì)算研究用假人模型圖5 碰撞計(jì)算障礙物模型    模型數(shù)據(jù)庫(kù)還有碰撞計(jì)算研究用的假人模型、碰撞計(jì)算障礙物模型等可供用戶引用。    可見(jiàn)，應(yīng)用VPG軟件最大限度地方便用戶建模，簡(jiǎn)化了計(jì)算數(shù)據(jù)準(zhǔn)備工作，同時(shí)保證模型的質(zhì)量和可比性。    3提供了全面的路面載荷。VPG軟件提供了標(biāo)準(zhǔn)典型的路面模型，是通常整車試驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)考核路面，例如：交替擺動(dòng)路面(Alter

7、nate Roll)、槽形路(Pothole Tracks)、鵝卵石路(Cobblestone Tracks)、大扭曲路(Body Twist Lane)、波紋路(Ripple Tracks)、搓板路(Washboards)以及比利時(shí)石塊(Belgian Block)等。    用戶可以輸入和保存自己的路面數(shù)據(jù)，也可以用任意三維數(shù)據(jù)構(gòu)造特定的路面。VPG軟件當(dāng)前提供了美國(guó)MGA汽車試驗(yàn)場(chǎng)數(shù)字化數(shù)據(jù)庫(kù)，并且準(zhǔn)備錄用中國(guó)海南汽車試驗(yàn)場(chǎng)路面數(shù)據(jù)。圖6    4從分析內(nèi)容方面講，VPG計(jì)算技術(shù)分析內(nèi)容是多樣化的。一個(gè)分析模型可以進(jìn)行疲勞壽命計(jì)

8、算、振動(dòng)噪聲分析計(jì)算、車輛碰撞歷程仿真、碰撞時(shí)乘員安全保護(hù)等多種結(jié)構(gòu)非線性分析。同時(shí)還可以進(jìn)行整車非線性運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算，用來(lái)進(jìn)行整車舒適性、高速行駛性能和操縱穩(wěn)定性研究。    疲勞分析可以根據(jù)計(jì)算結(jié)果整理出疲勞曲線進(jìn)行壽命預(yù)測(cè)。    振動(dòng)噪聲計(jì)算結(jié)果可以進(jìn)行富利葉變換，進(jìn)行NVH評(píng)價(jià)。    碰撞仿真結(jié)果用于結(jié)構(gòu)碰撞性能研究和依據(jù)FMVSS 法規(guī)對(duì)乘員的安全作出評(píng)價(jià)。圖7 碰撞仿真模擬    運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)計(jì)算可輸出內(nèi)外輪角（Ackerman Angle）、轉(zhuǎn)動(dòng)半徑（

9、Turn Radius）、內(nèi)傾剛度（Roll Stiffness）、回轉(zhuǎn)半徑（Scrnb Radius）、前束角（Toe Angle）、內(nèi)傾（Kingpin Inclination）、剎車點(diǎn)頭和加速沉尾（Anti-dive/Anti-lift）、外傾角（Camber Angle）、后傾角（Caster Angle）和縱向擺動(dòng)（Front/Rear Roll）等參數(shù)，進(jìn)行整車性能評(píng)價(jià)。    5求解器是基于高度非線性軟件 LSDYNA進(jìn)行整車系統(tǒng)非線性分析。從這個(gè)角度看，VPG技術(shù)是一個(gè)高度非線性分析軟件的一個(gè)汽車專用接口軟件和支持它的數(shù)據(jù)庫(kù)。  

10、;  6計(jì)算結(jié)果后處理完全基于現(xiàn)代計(jì)算機(jī)圖式化平臺(tái)上，可以產(chǎn)生實(shí)時(shí)動(dòng)畫(huà)、疲勞預(yù)測(cè)、應(yīng)力應(yīng)變圖、數(shù)據(jù)信號(hào)變換、繪制數(shù)據(jù)曲線圖形等。    從以上所述內(nèi)容不難看出，VPG技術(shù)和傳統(tǒng)CAE技術(shù)比有很大的特點(diǎn)和進(jìn)步，分析使用方法也大為簡(jiǎn)化和方便了。    例如：（1）在整車分析中，避免了傳統(tǒng)CAE分析部件間受力關(guān)系難以確定的困難，如在車身隨機(jī)響應(yīng)疲勞分析中，避免了分析者必須通過(guò)樣車試驗(yàn)確定懸掛支點(diǎn)對(duì)車身作用力譜，再對(duì)這些作用力譜濾波、強(qiáng)化、數(shù)字化和對(duì)車身支點(diǎn)施加譜載荷譜表等一系列復(fù)雜工作（對(duì)車身譜分析而言）。對(duì)懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)

11、力學(xué)分析而言，不必將車身簡(jiǎn)化為剛體，車身對(duì)懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的彈性和非線性變形影響可真實(shí)計(jì)入計(jì)算分析中，從而提高了分析精度。    （2）以整車為分析對(duì)象，邊界條件只有路面和車速。這樣分析載荷實(shí)現(xiàn)了規(guī)范化、標(biāo)準(zhǔn)化，使計(jì)算結(jié)果更加真實(shí)準(zhǔn)確，可比性提高。因?yàn)槁访孑d荷數(shù)據(jù)庫(kù)是全面和權(quán)威的（如美國(guó)獨(dú)立的汽車試驗(yàn)場(chǎng) MGA 路面庫(kù)），也可以是本公司使用的自行考核試驗(yàn)路面，分析結(jié)果更加真實(shí)可信。    （3）計(jì)算是高度非線性分析，分析中包含了結(jié)構(gòu)非線性因素、車身支撐和發(fā)動(dòng)機(jī)支撐等橡膠連接件的非線性因素、懸掛轉(zhuǎn)向系統(tǒng)連接和緩沖件的非線性因素、車輪輪胎的非

12、線性因素、輪胎和地面接觸條件等。因此分析結(jié)果中幾乎排除了傳統(tǒng)CAE技術(shù)分析時(shí)常使用的人為假定，大幅度提高計(jì)算精度。    圖8    （4）在振動(dòng)噪聲分析中，由于模型有非常大的自由度，析出的振動(dòng)頻率可不受限制，完全可以得到NVH分析要求的 250 赫茲內(nèi)的頻率模態(tài)。NVH分析評(píng)價(jià)更加全面。    （5）整車高速行駛性能、轉(zhuǎn)向穩(wěn)定性能計(jì)算也不再受制于傳統(tǒng)計(jì)算方法中自由度數(shù)量，可同時(shí)考慮車身結(jié)構(gòu)變形影響，使計(jì)算結(jié)果精度提高。    三、結(jié)論    應(yīng)

13、用 VPG技術(shù)可以縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間，節(jié)省研制費(fèi)用，減少投資風(fēng)險(xiǎn)。一般來(lái)說(shuō)，可以在樣車試制前即可得到產(chǎn)品試驗(yàn)結(jié)果，這即是虛擬試驗(yàn)場(chǎng)叫法的由來(lái)。    我國(guó)CAE技術(shù)應(yīng)用已全面展開(kāi)，單一計(jì)算模型和計(jì)算水平已達(dá)到國(guó)外同期水平，但是因?yàn)镕EM方法計(jì)算結(jié)果和傳統(tǒng)強(qiáng)度校核計(jì)算結(jié)果有一定區(qū)別，應(yīng)用FEM進(jìn)行強(qiáng)度校核的評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)在大多數(shù)企業(yè)中還沒(méi)有建立，因此計(jì)算結(jié)果應(yīng)用受到一定限制。這一方面要求我們盡快建立企業(yè)CAE評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，另一方面應(yīng)該吸收國(guó)外成熟的評(píng)價(jià)數(shù)據(jù)的方法。但是國(guó)外大型公司強(qiáng)度評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)都是技術(shù)機(jī)密，準(zhǔn)確得到這些數(shù)據(jù)是很難的。    已經(jīng)應(yīng)用CAE軟件于汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的用戶其實(shí)大