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隊伍與產品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應用，在指導設計、提高質量、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分析的精度有進一步提高，已投入實際使用，完全能夠用于定性分析和改進設計；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隊伍與產品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應用，在指導設計、提高質量

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應用于車身開發(fā)上成熟的方面要緊有：剛度、強度（應用于整車、大小總成與零部件分析，以實現輕量化設計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風噪聲等）、機構運動分析等；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分析的精度有進一步提高，已投入實際使用，完全能夠用于定性分析和改進設計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數；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 有限元法在機械結構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，特不是在材料應力-應變的線性范圍內

3、更是如此。另外，當考慮機械應力與熱應力的偶合時，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構和受力都較復雜的部件，關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濟性等性能。（2）齒輪的彎曲應力和接觸應力分析：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力和齒面接觸應力的分析，優(yōu)化齒輪結構參數，提高齒輪的承載載力和使用壽命。（3）發(fā)動機零件

4、的應力分析：以發(fā)動機的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內高壓氣體的作用，還會產生復雜的熱應力。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，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標準，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、平穩(wěn)(Harshness)三項標準，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。對NVH標準的一項試驗表明，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，如將歐洲產轎車的NVH以100%作標準，日本轎車

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

6、件上某些點的加速度，了解機構加速度的變化規(guī)律。機構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，或當突發(fā)的因素出現時，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，能夠對車內乘員或行人進行愛護，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，產品質量穩(wěn)定，易于實現自動化生產，故這一工藝方法在汽車生產中得到廣泛應用。在傳統(tǒng)的沖壓生產過程中，不管是沖壓工序的制定、工藝參數的選取，依舊沖壓模具的設計、制造，都要通過多次修改才能確定。這種反復的調試過程造成企業(yè)人力、物力和財力的大量消耗，導致生產成本高，生產周期難以保證。 沖壓成型過程數值模擬技術的出現為改變這種傳統(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構和工藝條件，并能通過對板材沖壓過程數值模擬，在計算機上觀看到模具結構、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（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)的疲勞技術由許多經驗公式組成。這些經驗公式依照一些理論框架，從材料、零件或結構的疲勞試驗數據中擬合而成。驗證產品的疲勞性能一般需要進行疲勞試驗。疲勞分析依靠于準確的試驗數據，同時也需要得到試驗驗證。過去，常規(guī)設計定型樣機疲勞試驗需要幾年甚至更多時刻來發(fā)覺設計失誤、修改設計?，F代疲勞壽命設計技術是以電子技術（數字信息）和計算機技術（數字仿真）

9、結合進入機械設計領域，將機械強度壽命由定性設計提高到定量設計。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計，而不僅僅是一個最大值?，F代疲勞試驗技術只需在計算機上用仿真技術，用載荷譜模擬和加載，預測壽命和反饋優(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、關門、剎車等），重現這一載荷輸入。這一載荷重現通?？赡茉谳^短的時刻里完成，因此，能夠達到試驗加速的目的。七、空氣動力學

10、分析 汽車空氣動力學要緊是應用流體力學的知識，研究汽車行駛時，即與空氣產生相對運動時，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在汽車發(fā)動機的冷卻、車廂里的通風換氣、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，現代轎車的外形一般用園滑流暢的曲線去消隱車身上的轉折線。前圍與側圍、前圍、側圍與發(fā)動機罩，后圍與側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，擋風玻璃采納大曲面玻璃，且與車頂園滑過渡，前風窗與水平面

11、的夾角一般在25度33度之間，側窗與車身相平，前后燈具、門手把嵌入車體內，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。八、虛擬試車場整車分析 CAE技術的飛速進展、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（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技術是汽車CAE技術領域中一個專門有代表性的進展。 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，以標準路面和車速為負荷，對整車系統(tǒng)同時進行結構疲勞、權頻率振動噪聲分析和數據處理、以及碰撞歷程仿真，達到在產品設計前期即可得到樣車道路實驗結果的“整車性能預測”效果的計算機仿真技術。九、焊裝模擬分析 機器人在車身焊裝工位上的大量應用提高了車身的焊接質量，縮短了生產加工時刻。但如何能夠快速而準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)劃方法是依照設計人員提供的工位上的焊點數量和焊接順序，由工藝人員依照經驗或類似工藝離線編制機器人加工程序，設計加工工藝。所編寫的程序輸入到相應設備中，在實驗室里預操作，記錄下每次偏差位置，重新編程、設計直至滿足生產要求。這不僅耗時、費勁，同時關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同加工，則往往在實驗室中采納步進式逼近方法配合專家經驗加以解決，以免發(fā)生碰撞，損壞設備。 為此，現代車身焊裝模擬分析結合虛擬制造技術，在仿真環(huán)境下，運用相應的優(yōu)化算法對車身焊裝工位的機器人加工路徑進行離線規(guī)劃，并通過仿真加工進行驗證，從而達到指導實際生產的目的。