CAE技術在汽車設計過程中的應用

張振力

（長城汽車股份有限公司技術中心；河北省汽車工程技術研究中心）

汽車在設計開發過程中如果前期未進行有效的分析，會導致后期出現大量返工，失去最佳上市時機。為了提高設計質量和效率，大幅度降低開發時間和費用，CAE技術運用到前期設計中。每一個CAE分析過程都包含了大量的CAE分析與試驗的相關性研究，包含了工程師對結構及整車性能的理解，并且得到了大量用傳統方法或物理試驗無法得到的工程變量，為工程問題提供了理論依據。文章對CAE技術在汽車設計過程中的應用進行了相關介紹。

1 CAE在整車開發各階段的任務

CAE仿真技術的應用改變了傳統設計方法“設計—試制—試驗—修改—再試制—再試驗”的反復流程[1]，使汽車產品的大多數問題都可以在設計階段通過仿真得到解決，從而提高設計質量和效率，大幅度降低開發時間和費用。在先進研發流程中，CAE是CAD的“先行”技術。在新產品設計周期里，CAD付諸實施之前，CAE應該已經開始行動。CAE在產品研發全過程中影響著設計。仿真技術越早地被應用于設計流程，它產生的投資回報率也將越高。

汽車產品開發一般分為籌劃、概念設計和可行性研究、產品設計和原型車確認及定型生產4個階段，這4個階段一般需要18～32個月的時間。CAE技術的應用在產品開發的后3個階段起著十分重要的作用。

1.1 可行性研究和概念設計階段

在汽車產品開發，特別是轎車產品開發中，只要不是超前的“概念車”，一般都有一個“原型車”作為基本車型。而開發不可能和“原型車”完全一樣，許多參數可能或必須被改變。汽車是一個各參數密切相關的系統，參數的更改會產生什么后果（預期的和不希望出現的），就需要應用CAE仿真技術來清楚確切地回答這個問題。例如：即使底盤結構等都不變，只是改變車身造型，那么整車系統的質心、慣性矩的改變也將影響到系統的行駛性、操縱穩定性及振動和舒適性；車身結構的改變將對車身的剛度、強度、壽命、車身自然頻率、評價水平、轎廂的通風、隔熱、噪聲、車身的空氣動力學特性、內部空氣流和熱交換及被動安全性（法規）水平等產生影響。

應用CAE技術對“原型車”和開發車系統進行仿真，可以在概念設計階段就精確地預測和控制零部件乃至整車的性能和結構可靠性，從而在開發初期就能使未來產品的性能和結構指標得到保證。

1.2 產品設計階段

該階段需要驗證在概念設計階段確定的所有設計目標，包括整車設計的目標、重要總成的設計目標（車架、車身及轉向懸架系統等）。在此階段，對零部件配套商進行管理時，也應該對其提出對零部件進行CAE分析的要求，重點驗證無法應用傳統試驗驗證的設計目標。一方面可以推動配套體系進步，另一方面，零部件某些CAE的分析結果是驗證整車性能CAE的輸入。

以車身設計為例，CAE在該階段主要是對車身的結構進行驗證。車身分析中的一個重點是交叉節結構的連接方法，它對車身剛度和強度都有較大的影響，必要時應該進行重點分析[2]。車身結構的失效主要是疲勞問題，有的疲勞是由車身承受路面的隨機載荷引發的，但是轎車車身疲勞主要源于車身的隨機振動。車身疲勞問題還和焊接等因素有關[3]，所以進行結構振動疲勞分析是十分必要的。

1.3 確認設計和投產準備階段

該階段樣車實物已經制出，各種試驗已經開始，因此應重點開展試驗與CAE的相關性研究，通過試驗與CAE共同驗證設計，整改問題，從而提升整車可靠性。

針對試驗產生的問題（疲勞、NVH、輕量化、剛度、車門下垂、碰撞安全及振動噪聲等）進行有目的的分析，提出問題的焦點并驗證改進的對策；由于產品圖紙資料已經明確，有豐富的試驗結果可供參考。對產品進行詳細分析，將結果保存為技術檔案，進行技術總結。這一階段是驗證分析條件，建立CAE規范的大好時機。

2 CAE發揮作用的前提

2.1 建立企業自己的分析標準

中國汽車CAE應用中的最大問題在于企業沒有自己的標準或者標準不完善，從而導致即使進行了CAE分析，也無法有效地評價分析結果。所謂企業標準就是應用相關軟件對特定設計產品進行分析時，定義如何簡化CAD模型，設定載荷以及邊界條件；如何設置工況；進行什么類型的分析。標準的建立途徑有2個：1）通過試驗和仿真相互校核，建立相關產品的評價標準；2）利用相關行業已有的經驗來輔助建立自己的CAE分析標準。由此可見，CAE分析標準的建立需要且必須開展大量的CAE與試驗的相關性研究。

2.2 建立企業自己最基本的試驗數據和相關數據庫

這里所指的基本試驗數據，是指像輪胎特性、道路特性及各種材料的力學特性等數據。相關數據庫是指企業在產品設計和開發過程中不斷積累的，能夠提供結構形式和主要參數（包括價格、外協情況等）的數據庫。此外，要更好地使用CAE技術并發揮其作用，必需與CAD、CAPP、CAM及優化技術等結合起來加以綜合運用。

3 CAE與試驗的相關性研究

3.1 進行CAE與試驗相關性研究的必要性與流程

進行CAE與試驗的相關性研究，一方面是完善CAE分析標準的需要，另一方面是為了更好地發揮各自優勢解決問題，并提升設計人員對CAE的認知度。

CAE可以代替部分試驗，但本身不會取代試驗，這是因為：1）需要用試驗來檢驗仿真的正確性。對于沒有經過大量試驗支持的仿真或經驗不太豐富的工程師，試驗驗證尤為重要。仿真經過一次試驗驗證后，一方面在此基礎上的其他仿真的可信度更高，另一方面可以給仿真工程師帶來信心。2）用于改進計算參數的設定。大量計算所需的輸入參數本身就需要通過相關的試驗獲得（橡膠襯套、輪胎數據、材料特性等），另一方面由于試驗條件的限制，無法通過試驗獲得的部分參數，最終是由模型的仿真輸出結果與試驗的結果進行對比來間接驗證輸入參數的可靠性。3）試驗用來解決一些無法快速有效計算的現象。雖然大部分CAE分析成本都比相關的試驗成本低很多，但是某些分析所需的時間仍然不如試驗，在緊急需要的情況下，試驗會更直接。CAE人員必須研究試驗，了解試驗，綜合考慮投入產出比。4）完善CAE標準的需要。大量的CAE標準來源于研究試驗，這對沒有任何基礎的自主品牌更是如此，必須大量進行CAE分析結果與試驗結果的對比，總結它們的相關性及規律性，才能形成標準。比如：在不同情況下，焊點的模擬方式；對于不同的分析，幾何應如何簡化，分析應如何設置，精度應達到什么情況才能不影響解決問題等。

進行CAE與試驗相關性研究的流程圖，如圖1所示。

圖1 整車CAE分析與試驗相關性研究的流程圖

3.2 CAE分析的一般流程

在汽車設計過程中，CAE分析基本上都遵守的流程，如圖2所示。從圖2可以看出，以試驗標準及試驗與CAE的相關性研究為依據，當CAE分析結果與實車試驗結果不符時，需要重新進行數據分析，當與試驗結果一致時，進入下一階段進行數據優化，實現最優方案。

圖2 汽車設計過程中CAE分析流程圖

4 結論

CAE技術在汽車設計過程中的應用減少了傳統設計方法中的重復過程，縮短了開發周期，節省了大量的試驗費用，并且改變了傳統設計中依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法，使產品減重和性能優化成為可能；同時，采用CAE計算能在短時間內嘗試和比較更多的設計方案，因而能夠獲得較佳的設計而提高開發質量。