汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的CAE技術(shù)研究

張有軍

摘 要：傳統(tǒng)的汽車(chē)概念設(shè)計(jì)的早期主要依靠工程師的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行，因此在很大程度上缺乏了相應(yīng)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能等方面的考慮，造成了后期的設(shè)計(jì)需要反復(fù)修改，費(fèi)時(shí)費(fèi)力。隨著時(shí)代不斷發(fā)展，CAE技術(shù)開(kāi)始不斷成熟，并出現(xiàn)在了汽車(chē)概念的早期設(shè)計(jì)中，突破了汽車(chē)概念設(shè)計(jì)中的早期局限性。在CAE技術(shù)中，通過(guò)參數(shù)化建模以及ISight 多目標(biāo)控制能在汽車(chē)設(shè)計(jì)早期中快速生成設(shè)計(jì)方案，在滿(mǎn)足產(chǎn)品結(jié)構(gòu)、性能的同時(shí)達(dá)到輕量化的目的，進(jìn)而避免設(shè)計(jì)中后期反復(fù)修改的弊端，既能縮短開(kāi)發(fā)期，也能有效降低開(kāi)發(fā)成本。為此，本文主要探討了CAE技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)中的利用現(xiàn)狀，進(jìn)而進(jìn)一步推動(dòng)CAE技術(shù)的發(fā)展。

關(guān)鍵詞：汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)；CAE技術(shù)利用現(xiàn)狀

中圖分類(lèi)號(hào)： U46 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1673-1069（2016）12-147-2

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，居民的生活水平不斷提高，信息技術(shù)的不斷發(fā)展，汽車(chē)成為了人們生活出行中的重要交通工具，而人們對(duì)于汽車(chē)舒適化的需求不斷提高。而CAE技術(shù)的出現(xiàn)，并作為汽車(chē)概念開(kāi)發(fā)中的核心技術(shù)，不僅有效提高了汽車(chē)零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的質(zhì)量，還有效提高了汽車(chē)設(shè)計(jì)的舒適度。總的來(lái)說(shuō)，計(jì)算機(jī)輔助工程CAE（Computer Aided Engineering）包括了工程和制造業(yè)等多個(gè)方面，其運(yùn)行的原理就是利用計(jì)算機(jī)技術(shù)來(lái)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行可靠性、性能、舒適度等方面的分析，并且對(duì)汽車(chē)運(yùn)動(dòng)模型及失效形式進(jìn)行仿真模擬試驗(yàn)，以此發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中存在的問(wèn)題及缺陷，進(jìn)而有針對(duì)性地解決問(wèn)題，優(yōu)化產(chǎn)品結(jié)構(gòu)，以滿(mǎn)足消費(fèi)者對(duì)于產(chǎn)品可靠性和耐久性的需求。

1 CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化模型

CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的設(shè)計(jì)主要包含了三大因素：設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)和約束條件。目標(biāo)和約束條件是設(shè)計(jì)的響應(yīng)，因此，根據(jù)優(yōu)化的目的不同，可以隨時(shí)進(jìn)行調(diào)整和互換[1]。而CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)設(shè)計(jì)思路，建立CAE的優(yōu)化模型，并確定其設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件。在CAE技術(shù)的優(yōu)化三要素原則指導(dǎo)下，概念汽車(chē)的設(shè)計(jì)需要根據(jù)實(shí)際的問(wèn)題進(jìn)行提取，以增強(qiáng)其實(shí)用性，例如車(chē)身的彎曲度、模態(tài)值、碰撞加速度峰值等，都可參考作為汽車(chē)設(shè)計(jì)中的基本要素。而在實(shí)際的CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化模型中，最常見(jiàn)的優(yōu)化問(wèn)題是對(duì)整車(chē)的質(zhì)量?jī)?yōu)化目標(biāo)值。而CAE優(yōu)化技術(shù)的關(guān)鍵點(diǎn)在于設(shè)置設(shè)計(jì)變量及選取設(shè)計(jì)變量。

2 CAE在汽車(chē)產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

目前，CA技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中已廣泛應(yīng)用，而主要的應(yīng)用范圍則包括以下幾個(gè)方面：

2.1 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析

在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，由于有限元法據(jù)有較高的精準(zhǔn)度和效率，在監(jiān)測(cè)機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度方面得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了良好的效果，尤其是在材料應(yīng)力-應(yīng)變的線(xiàn)性范圍內(nèi)的應(yīng)用更是如此[2]。另外，在考慮機(jī)械的應(yīng)力與熱應(yīng)力存在的偶合現(xiàn)象時(shí)，例如在ANSYS、NASTRAN等大型軟件的應(yīng)用方面，都提供了非常方便的協(xié)助。

2.1.1 車(chē)架和車(chē)身的強(qiáng)度和剛度分析

在汽車(chē)設(shè)計(jì)中，車(chē)架和車(chē)身是整個(gè)車(chē)身設(shè)計(jì)中較為復(fù)雜的部件，無(wú)論是在結(jié)構(gòu)方面還是受力方面，尤其是在全承載式的客車(chē)車(chē)身方面更是如此（如圖1所示）[3]。為了提高汽車(chē)的承載能力和抗變形能力，汽車(chē)設(shè)計(jì)環(huán)境中必須加大力度對(duì)車(chē)架和車(chē)身進(jìn)行有限元分析，以減輕其自身的重量，并有效節(jié)省材料，節(jié)約成本。此外，在整個(gè)汽車(chē)設(shè)計(jì)中，由于車(chē)架和車(chē)身的重量能夠得到減輕，整個(gè)車(chē)的重量也得以隨之降低，從而實(shí)現(xiàn)改善整車(chē)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能的目的。

由圖1可知，汽車(chē)設(shè)計(jì)環(huán)境中必須加大力度對(duì)車(chē)架和車(chē)身進(jìn)行有限元分析，運(yùn)用有限元分析的方法，使用合理的模型簡(jiǎn)化方法，對(duì)汽車(chē)車(chē)架進(jìn)行建模，在有限元的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析，依據(jù)車(chē)架法規(guī)的相關(guān)規(guī)定和要求， 進(jìn)行靜力學(xué)性能的綜合分析和評(píng)價(jià)，對(duì)車(chē)架模型的剛度和強(qiáng)度進(jìn)行分析之后，對(duì)車(chē)架構(gòu)成比較薄弱的部分進(jìn)行改進(jìn)，不斷完善不同構(gòu)成部分的性能，從而為后續(xù)結(jié)構(gòu)的改進(jìn)和完善提供重要的理論依據(jù)，然后將理論依據(jù)運(yùn)用到實(shí)際生產(chǎn)活動(dòng)中，達(dá)到預(yù)期目標(biāo)的車(chē)架設(shè)計(jì)模型。由于車(chē)架是汽車(chē)主要的承載部件，其性能和質(zhì)量，是影響整個(gè)汽車(chē)動(dòng)力的關(guān)鍵因素，駕駛室、貨箱等都是與車(chē)架直接相連的，車(chē)架的性能和安全必須得到保障，但是車(chē)架的結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，由圖1可知，構(gòu)成車(chē)架的部分很多，傳統(tǒng)的計(jì)算方法是無(wú)法滿(mǎn)足精確計(jì)算的要求的，因此，在現(xiàn)在生產(chǎn)設(shè)計(jì)中，一定注重有限元法的使用，為設(shè)計(jì)提供重要的理論依據(jù)。

2.1.2 齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析

齒輪作為整個(gè)汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系中最常見(jiàn)的傳動(dòng)零件，如果能夠加大對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析力度，就能有效優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)的參數(shù)，進(jìn)而能有效提高齒輪的承載載力，延長(zhǎng)齒輪的使用壽命。

2.1.3 發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析

發(fā)動(dòng)機(jī)的零件，例如發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋，在其工作過(guò)程中不僅容易受到氣缸內(nèi)高壓氣體作用的影響，還會(huì)因?yàn)檫\(yùn)行中產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力，進(jìn)而引起缸蓋開(kāi)裂事件的發(fā)生。而針對(duì)缸蓋開(kāi)裂事件的影響，如果僅僅采用針對(duì)開(kāi)裂處局部加強(qiáng)的辦法進(jìn)行改進(jìn)，則無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。而有限元法則能從根本上解決這一途徑，進(jìn)而從根源上解決缸蓋開(kāi)裂事件的問(wèn)題。

2.2 汽車(chē)被動(dòng)安全性方面的應(yīng)用

安全、環(huán)保和節(jié)能一直以來(lái)都是汽車(chē)所面臨的三大熱點(diǎn)問(wèn)題。而如何提高車(chē)身的抗碰撞能力更是解決汽車(chē)安全問(wèn)題中的重要問(wèn)題之一[4]。而有效利用有限元法模擬汽車(chē)碰撞過(guò)程的計(jì)算，將涉及到大變形等非線(xiàn)性問(wèn)題，這也是有限元分析的獨(dú)特性。此外，作為目前設(shè)計(jì)階段模式分析的唯一手段，進(jìn)行模擬計(jì)算能夠有效節(jié)省昂貴的實(shí)車(chē)碰撞試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且提高了測(cè)試的準(zhǔn)確性，因此，被廣泛運(yùn)用于國(guó)內(nèi)外的汽車(chē)公司實(shí)驗(yàn)中。例如ANSYS軟件中的LS-DYNA模塊就常被利用到汽車(chē)碰撞過(guò)程的模擬分析中。以角正弦掃頻為例，設(shè)定汽車(chē)以100km/h行駛，頻率從0.01Hz連續(xù)變化，通過(guò)公式得知產(chǎn)品設(shè)計(jì)的操作穩(wěn)定性系統(tǒng)為：

2.3 汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真分析

汽車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真的分析多采用多體（剛體和柔體）動(dòng)力學(xué)分析方法，因此在分析過(guò)程中能夠有效預(yù)測(cè)整車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能，并對(duì)動(dòng)力學(xué)性能進(jìn)行整體的優(yōu)化，以提高產(chǎn)品性能，并且有效縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間，進(jìn)而有效減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用。

3 結(jié)論

CAD技術(shù)不僅廣泛運(yùn)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)中，更在大型產(chǎn)品中得到了廣泛的運(yùn)用，例如產(chǎn)品的三維造型、虛擬組裝、工程圖生成等方面，并在其中取得了突破性的突破，有效提高了設(shè)汁效率[5]。然而CAE技術(shù)不僅有效解決了產(chǎn)品的可靠性，更有效保障了產(chǎn)品的質(zhì)量，為此，CAE技術(shù)成為了產(chǎn)品設(shè)計(jì)必不可少的基本工具。隨著信息時(shí)代的發(fā)展，現(xiàn)代CAE技術(shù)有效促進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)的發(fā)展，使其步入了“虛擬樣機(jī)時(shí)代”，進(jìn)而促使產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)“零缺陷產(chǎn)品”。而在未來(lái)發(fā)展過(guò)程中，CAE技術(shù)將不斷發(fā)展，為此，需要不斷注重其存在的問(wèn)題，進(jìn)而有效解決問(wèn)題，以提高其在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用能力。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 陶銀鵬，余強(qiáng)，朱德祥.CAE技術(shù)在電動(dòng)汽車(chē)電池包設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[A].河南省汽車(chē)工程學(xué)會(huì).第九屆河南省汽車(chē)工程技術(shù)研討會(huì)論文集[C].河南省汽車(chē)工程學(xué)會(huì)，

2012：3.

[2] 王力.CAE技術(shù)在汽車(chē)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].汽車(chē)工程師，2015（01）：31-35.

[3] 閆海東，孫明.CAE技術(shù)在汽車(chē)設(shè)計(jì)中的運(yùn)用探討[J].山東工業(yè)技術(shù)，2015（20）：271.

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