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CAE技术应用：汽车设计中CAE仿真应用性能分析——整车性能数据仿真

　　汽车设计行业的技术方向总体分布为CAD与CAE两个方向，在CATIA、Alias等CAD方向的工程服务软件有着丰富经验的华锐欣程，对于CAE分析的hypermesh前处理软件和Ls-Dyna求解器同样有着广泛的成功案例，求解分析汽车工程和产品的结构力学性能，以及优化结构性能等，是华锐欣程的CAE分析实力体现，整车分析包括NVH分析、汽车碰撞分析等。 CAE技术在汽车行业的应用从最初的线弹性部件分析到汽车结构中大量的非线性问题分析，到现在汽车疲劳寿命分析、NVH分析、碰撞模拟等，CAE分析几乎涵盖了汽车性能的所有方面。本文来盘点一下CAE技术应用：汽车设计中CAE仿真应用性能分析——整车性能数据仿真。

刚度和强度分析

01.车架和车身的强度和刚度分析

　　车架和车身是汽车结构中最为复杂的受力部件，其强度和刚度分析对整个汽车的承载能力和抗变形能力至关重要。此外，基于强度和刚度分析的车架和车身结构优化对整车的轻量化，从而提高经济性和动力性也有很大作用。

　　

　　

02.齿轮的弯曲应力和接触应力分析

　　通过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。

　　

03.发动机零件的应力分析

　　发动机零件在工作过程中受到气缸内气体的高压力和热应力，通过有限元分析找出应力集中的危险部位加以改进则可以预防事故发生。

　　

　　

　　

NVH分析

　　噪音 (Noise)、振动 (Vibration)、平稳 (Harshness) 三项标准，通俗称为乘坐 “舒适感”。随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车产品的舒适性即NVH性能，因此汽车开发中也必不可少的要进行NVH分析，主要包括动力系统NVH、车身NVH、底盘NVH三大部分。而汽车NVH分析则涉及到汽车在各级频率的模态分析，不同路面工况激励下的汽车振型，还有风噪、发动机噪声、轮胎噪声等声学研究，这些都离不开CAE仿真分析。

　　

　　

　　机构运动分析

　　机构运动分析就是根据原动件的已知运动规律，求该机构其他构件上某些点的位移、轨迹、速度和加速度，以及这些构件的角位移、角速度和角加速度。通过对机构进行速度分析，了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，了解机构的受力情况;通过对机构进行加速度分析，确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速度的变化规律。机构运动分析的方法很多，主要有图解法和解析法。

　　

车辆碰撞模拟分析

　　汽车安全性分为主动安全性和被动安全性：

　　主动安全性，是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出 现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能。

　　被动安全性，是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。

　　作为最常用的交通工具，汽车的安全性能是汽车厂商和消费者双方都高度关注的问题，政府相关部门也为此制定了一系列评价标准，所以在汽车结构的刚度和强度分析之后，还必须通过CAE工具进行碰撞仿真分析对汽车安全性加以验证。在汽车安全性设计中需要执行包括不同的碰撞方向、不同的碰撞速度、不同的重量、不同的假人及坐姿等碰撞分析，通过分析结果来对汽车结构设计进行相应的优化。

　　

金属板冲压成型模拟分析

　　冲压成型材料利用率高，产品质量稳定，易于实现自动化生产，得到广泛应用。在传统的冲压生产过程中，无论是冲压工序的制定、工艺参数的选取，还是冲压模具的设计、制造，都要经过多次修改才能确定。不过这回导致生产成本高，生产周期难以保证。冲压成型过程数值模拟技术通过对板材冲压过程数值模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件(如压边力、冲压方向、摩擦润滑等)和材料性能参数(如皱曲、破裂)的影响，提供最佳钣料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向、以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。

　　

　　

　　

疲劳分析

　　常规设计定型样机疲劳试验，需要几年甚至更多时间来发现设计失误、修改设计。现代疲劳试验技术只需在计算机上用仿真技术，用载荷谱模拟和加载，预测寿命和反馈优化。这可把试验时间压缩到原来的十分之一、百分之一，大大降低了开发成本，缩短了开发周期。根据疲劳理论，疲劳破坏主要由循环载荷引起。从理论上说，如果汽车的输入载荷相同，那么所引起的疲劳破坏也应该一样。因此，可以在试车场上按一定的比例混合各种路面及各种事件(如开门、关门、刹车等)，重现这一载荷输入。这一载荷重现通常可能在较短的时间里完成，因此，可以达到试验加速的目的。

　　

　　

　　

　　空气动力学分析

　　汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识， 研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力(称为空气动力)，以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面的影响。

　　

　　

　　

虚拟试车场整车分析

　　CAE技术的飞速发展、软硬件功能的大幅度提高，使得整车系统仿真已经成为可能。美国工程技术合作公司 (ETA) 在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的虚拟试验场技术 (virtual proving ground, VPG) 就是一个对整车系统性能全面仿真实用软件的代表。VPG技术是汽车CAE技术领域中一个很有代表性的进展。VPG是在ANSYS/LS-DYAN软件平台上二次开发推出的，以整车系统为分析对象，考虑系统各类非线性，以标准路面和车速为负荷，对整车系统同时进行结构疲劳、权频率振动噪声分析和数据处理、以及碰撞历程仿真，达到在产品设计前期即可得到样车道路实验结果的“整车性能预测”效果的计算机仿真技术。

　　

　　

焊装模拟分析

　　传统的机器人焊接路径规划方法，是根据设计人员提供的工位上的焊点数量和焊接顺序，由工艺人员根据经验或类似工艺离线编制机器人加工程序，设计加工工艺。所编写的程序输入到相应设备中，在实验室里预操作，记录下每次偏差位置，重新编程、设计直至满足生产要求。这不仅耗时、费力，同时对于多机器人加工的碰撞问题无法解决。一旦涉及多机器人协同加工，则往往在实验室中采用步进式逼近方法配合专家经验加以解决，以免发生碰撞，损坏设备。

　　车身焊装模拟分析结合虚拟制造技术，在仿真环境下，运用相应的优化算法对车身焊装工位的机器人加工路径进行离线规划，并通过仿真加工进行验证，达到指导实际生产的目的。虚拟制造的基础是采用计算机支持的技术，应用数字建模和仿真技术、虚拟现实技术等来模拟生产、加工和装配等过程，在计算机上将产品“制造”出来，实现将工艺过程转为数字化操作，再由数字化操作指导实际生产。通过建立生产加工的仿真模型研究制造活动，使用户在设计阶段能够了解产品未来制造过程，实现对生产系统性能有效的预测与评价。在仿真环境下的试运行，有利于进行多工艺方案比较，更有利于多机器人焊接轨迹的选取与优化。