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整車開發(fā)中的CAE應(yīng)用

2020-08-09 23:16:49·  來源：車圈沒有圈  
　
CAE技術(shù)的應(yīng)用幾乎貫穿著汽車研發(fā)設(shè)計的整個流程，在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計中扮演的角色也越來越重要。特別是在試驗樣車和工裝樣車之前，通過CAE來驗證整車性能，并通
CAE技術(shù)的應(yīng)用幾乎貫穿著汽車研發(fā)設(shè)計的整個流程，在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計中扮演的角色也越來越重要。特別是在試驗樣車和工裝樣車之前，通過CAE來驗證整車性能，并通過優(yōu)化改進，可以大大降低整車開發(fā)問題的風(fēng)險，提升開發(fā)效率，降低開發(fā)成本。

一般來說，CAE主要分布于概念設(shè)計階段、詳細設(shè)計階段、樣車階段、投產(chǎn)階段、改進階段。CAE作為計算機輔助工程，也只能是這幾個階段中的一部分，有CAE則必有設(shè)計，有設(shè)計則總是需要CAE來輔助，設(shè)計出來的產(chǎn)品需要制造，制造出來后又需要試驗來驗證，因此設(shè)計-CAE-試驗，構(gòu)成一個產(chǎn)品設(shè)計的回路。

 
傳統(tǒng)的汽車CAE分析，我們按照計算類型的不同來進行分類，分別是剛強度分析、NVH分析、疲勞耐久分析、碰撞安全分析、流體分析。

剛強度分析
 
剛度是結(jié)構(gòu)在正常工作時的許可變形量，用剛度表示結(jié)構(gòu)抵抗變形的能力, 剛度是結(jié)構(gòu)在外力作用下發(fā)生單位變形所需要的力。我們更關(guān)注變形量，簡單來說剛度好就是變形量不能大；強度是結(jié)構(gòu)在正常工作時能承受的載荷，一般用工作應(yīng)力的峰值來表示結(jié)構(gòu)強度的水平。我們更關(guān)注應(yīng)力是否超過材料本身的屈服極限或者強度極限。簡單來說強度好就是不能壞。剛度和強度可能完全是同一個模型，只是我們關(guān)注的點不一樣而已。很多時候，工程師是兩個點（宏觀變形量，微觀應(yīng)力）都關(guān)注的，因此，剛度強度也就不區(qū)分了，干脆合到一起，叫剛強度了。

 
NVH分析
    
 
汽車在外載荷（路面激勵、發(fā)動機的怠速和工作轉(zhuǎn)速的激勵）的作用下發(fā)生振動，用有限元分析的方法識別汽車結(jié)構(gòu)的模態(tài)參數(shù)（振型、頻率和阻尼），對汽車結(jié)構(gòu)的振動噪聲和舒適性（NVH，Noise、Vibration，Harshness）進行分析。好的NVH設(shè)計，會讓車內(nèi)的人感覺到更平穩(wěn)，更安靜，更舒服。汽車NVH是個很龐大的家族。比如白車身NVH、發(fā)動機NVH、動力總成的懸置系統(tǒng)NVH、進排氣系統(tǒng)NVH、路面-輪胎-懸架系統(tǒng)的NVH、傳動系統(tǒng)NVH、整車NVH等，整體來講的研究思路就是先解決各個子系統(tǒng)的NVH問題，再整合起來解決匹配后的NVH問題。
 
 
疲勞耐久分析

 
疲勞耐久性能是指汽車在正常的使用條件下，各主要結(jié)構(gòu)部件在功能失效前所經(jīng)歷的時間，評價指標(biāo)為失效時的行駛里程數(shù)。目前采用的CAE方法是利用道路試驗所采集的載荷，計算車身及關(guān)鍵部件連接處載荷的時間歷程，用有限元方法計算單位載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變，結(jié)合材料的疲勞破壞試驗曲線，計算車身及其他關(guān)鍵部件的疲勞壽命，從而減少道路模擬試驗。疲勞耐久性問題是任何機械產(chǎn)品都會面臨的問題，無論是燃油汽車還是新能源汽車也都逃不開這個問題。
 
 
碰撞安全分析

 
汽車安全通?？梢愿爬橹鲃影踩c被動安全兩塊。主動安全領(lǐng)域更多的是涉及電子和軟件控制模塊，對控制模型的建立和程序的測試；而在被動安全領(lǐng)域則涉及到汽車碰撞、約束系統(tǒng)的設(shè)計開發(fā)、車身的性能優(yōu)化、材料性能研究等等，在碰撞時，車身結(jié)構(gòu)、駕駛系統(tǒng)、座位等能吸收較高能量，緩和沖擊；二是發(fā)生事故時，確保車內(nèi)乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。這些方面均需要利用CAE技術(shù)進行仿真建模分析，不僅重要而且投入巨大。各個國家都有自己強制性的標(biāo)準(zhǔn)，同時也催生了開展新車評價規(guī)程（NCAP- New Car Assessment Program）的相關(guān)組織和機構(gòu)，我國則是由中汽中心主導(dǎo)的C-NCAP，面向社會測試發(fā)布新車安全性能。目前CAE分析已成為設(shè)計中的一項不可或缺的流程，幾乎每一款車型都要進行碰撞安全CAE仿真分析，也積累了豐富的標(biāo)桿車型和開發(fā)車型的分析經(jīng)驗和數(shù)據(jù)，可以根據(jù)不同需求設(shè)計出合理的安全車身結(jié)構(gòu)，以滿足法規(guī)及C-NCAP要求。
 
 
流場分析
 
流場分析是基于計算流體力學(xué) (CFD) 的分析方法。在汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用主要集中在：汽車外流分析，以得到較低的空氣阻力系數(shù)；發(fā)動機艙的流場分析，使得發(fā)動機艙有暢通的流場分布，將發(fā)動機產(chǎn)生的熱量高效地帶出發(fā)動機艙，使得周圍部件及駕駛室不至于過熱；車內(nèi)乘員空間的冷熱舒適及風(fēng)窗玻璃除霜除霧分析；發(fā)動機燃燒及排放分析；以及發(fā)動機進排氣及水套流場分析。其中汽車空氣動力學(xué)的研究將影響整車的造型、風(fēng)阻、經(jīng)濟性、風(fēng)噪等，市面上很多車體造型炫酷，流線動感，各種空氣動力學(xué)組件使用都是基于提升整車空氣動力學(xué)性能。
 
結(jié) 語
本文僅從宏觀的角度上來描述汽車開發(fā)中涉及的CAE分析內(nèi)容，也僅描述目前做得比較成熟的領(lǐng)域，除了這五大領(lǐng)域，也有一些前沿的CAE領(lǐng)域探索，比如多學(xué)科聯(lián)合仿真、多場耦合、仿真流管理、仿真自動化等。總之，CAE是個很大的世界。
 
 
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