CAE在汽车设计制造中的应用
摘要
本文介绍了 CAE的概念、发展及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于 减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、 车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、汽车结构优化设计几个方面 讲述了 CAES术在汽车产品设计制造中的应用。 关键词：CAE汽车设计制造，汽车动力学，仿真 1.1 CAE在国外的发展
当今国际上FEA方法和软件发展呈现出以下一些趋势特征：
(1) 从单纯的结构力学计算发展到求解许多物理场问题：从板、壳和实体等连续 体固体力学分析，发展到流体力学、温度场、电传导、磁场、渗流和声场等问题的求解 计算，最近又发展到求解几个交叉学科的问题 (所谓“流固耦合”的问题)；
(2) 由求解线性工程问题进展到分析非线性问题； (3) 增强可视化的前置建模和后置数据处理功能；
(4) 与CAD软件的无缝集成。都开发了和著名的 CAD软件(例如Pro/ENGINEER Uni graph ics、SolidEdge、IDEAS Be ntley 和 AutoCAD等)的接口。同时 CAD综合型 CAE工具的分析功能正逐渐加强；
(5) 改进CAE方法中的优化技术：引入各种优化技术，优化参数评价。具备智能 的网格划分器，以解决模型在形状参数变化剧烈时出现的网格奇化问题； 智能控制技术对非线性优化问题是不可或缺的。
CAE软件对工程和产品的分析模拟能力，主要取决于单元库和材料库的丰富和完善 程度，单元库所包含的单元类型越多， 材料所包括的材料特性种类越全，其 CAE软件对 工程或产品的分析、仿真能力就越强。而 CAE软件的计算效率和计算结果的精度，则主 要决定于解法库，先进高效的求解算法可能对计算效率造成几倍、几十倍甚至几百倍的
近几年来国际上先进的软件在单元库、材料库、前后处理，特别是用户界面和数据 管理技术等方面都有了巨大发展，已经可以对工程和产品进行静力和拟静力的线性和非 线性分析；线性与非线性动力分析； 稳态与瞬态热分析；静态和交变态的电磁场和电流 分析；流体计算；声场与波的传播计算等。
前后处理是近十多年发展最快的 CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户要求，使 通用软件专业化、属地化，并实现与 CAD CAM CAPP PDM等软件无缝集成的关键性软
非线性收敛的
件成份。
1.2 CAE在国内的发展
CAE在中国汽车行业的应用起步于 20世纪80年代中期，历经十几年的缓慢发展， 到90年代后期开始加速，目前已经进入飞速发展期。中外合资的汽车以及零部件生产 企业的CAE应用水平普遍比较低，因为这些合资企业的产品设计权在国外，他们的
CAE
应用一般停留在工艺更改后的验证层次，谈不上汽车关键部件的CAE应用。随着外国汽 车以及零部件公司逐步在中国建立研发中心，其 CAE的应用水平也会逐步提高。
国有汽车企业的CAE应用开始较早，但是发展缓慢，CAE人才流失比较多，有的单位CAE 仿真技术应用20几年来还停留在基本分析阶段。民营或者国内股份企业因为没有现成 的产品可以生产，开始是仿造，现在有的企业已经拥有自己的设计能力，且 部件的应用水平还较高。
国内一些自主品牌自主（半自主）开发的车型，对 CAE分析的需求和依赖性较强， 部件、子系统、整车运动与安全都在进行 CAE分析。有的企业借助一些曾经在国外大汽 车公司工作的“海归”带回的经验，并结合本企业 CAE应用的经验，开始在着手建立自 己的CAES用规范和仿真流程。总体来讲，中国的轿车企业 CAE应用水平相对高，卡车 次之，客车企业属于起步阶段。
如何解决应用难题：
就汽车行业来说，国内汽车厂家所用到的
CAE软件跟国外汽车厂家所用的基本一
CAE在关键
样，那么，国内汽车厂家普遍应用水平不高的原因在哪里呢？
首先是企业领导对CAE的功能还没有能够充分认识。虽然现在汽车企业领导层普遍 认识到CAE的作用，但是对CAE应用的难度没有充分估计。 不少企业认为买回来CAE软 件就可以发挥立竿见影的作用，但事实上如果没有经验丰富的 CAE人员，很难立刻见到 成效；再就是CAE人员的培养问题，CAE分析专家既需要比较深厚的理论基础，也要具 有相应行业的工程应用经验，CAE分析人员的培养周期相对较长；还有就是汽车企业通 常缺乏自己的CAE分析标准或者规范。
要解决好汽车行业CAE应用的上述问题，首先，汽车行业相关厂商的领导层要充分 认识CAE的作用和难度，特别是后者。软件可以随时购买，但是使用
CAE软件的人才
是企业从头培养还是从相关行业引进？如果是自己培养，那就要有长期见效的心理准 备，而且要肯花钱培训CAE人员。当然如果企业想尽快见到成效，可以引进经验丰富的 CAE人才，采取引进与自己培养相结合，这是一个较好的途径。
有了 CAE人员，企业还要努力建立自己的 CAE分析标准。目前，我国汽车CAE应用 中的最大问题就在于我们的企业没有自己的标准或者标准不完善， 从而会导致这样一种 现象：就算做了 CAE分析，也无法有效地评价分析结果。
所谓标准就是具体应用有限元软件进行特定设计产品进行分析时， 如何简化CAD莫
型，如何定义载荷以及边界条件；工况如何设置；进行什么类型的分析，如：是结构分 析还是热、流场分析，是否需要做热-结构耦合分析等，结构分析是静力还是动力，有 没有非线性问题等；分析完成如何评价结果，譬如：做轿车白车身模态分析，第一阶模 态频率需要达到多少Hz才算合格呢？
标准的解决途径有两个：一是，自己通过试验和仿真相互校核，建立相关产品的评 价标准；二是，利用相关行业已有的经验来辅助建立自己的
CAE分析标准。由此可见，
CAE分析标准的建立相当不易，需要做大量的工作，并且要结合试验结果。然而，这个 过程是必须要走的。
针对汽车行业的全面解决方案：
UGS公司作为全球领先的PLM厂商，有着40年的CAE软件开发与技术服务历史， 能够为汽车行业提供全面的解决方案， 包括CAE软件模块方案和技术服务方案（培训+ 咨询）。
NX NASTRANMCAE工业标准）针对汽车整车、零部件、子总成的强度刚度线性和 非线性动力、静力分析。其新增加 SOL101线性接触功能，大大提高螺拴等连接部件的 局部分析精度；全球领先的分布式并行计算能力，能够高速度，高精确性地求解工程问 题。NXMOTIOI模块针对汽车运动学、动力学仿真，集成于 UGNX环境中。该模块内嵌 ADAM和RecurDyn两个世界知名多体求解器，使用非常方便，跟CA［软件一体化。NXFlow 和NX Thermal针对车身外流场计算和发动机（包括进、排气系统）热分析、汽车电子 电器系统冷却分析，具有很高的性能价格比。NXFlow提供一个整套的CFD能力用于高 精度流体仿真，并完全集成在 NX环境中，可以有效地仿真稳态和瞬态流体流动问题。
NXThermal提供广泛的热分析和传热分析仿真能力，完全集成在 NX环境中，可提 供完整的建模和求解复杂热问题的架构。该产品可以有效地仿真稳态和瞬态热响应问 题，可以处理各种热相关和光热相关材料特性，
强大的热耦合分析很好处理网格脱离的
接触传热，且提供高精度的热辐射，使用半球技术计算视角因子。NXFlow和NXThermal 可以无缝耦合。车身以及底盘等疲劳耐久性预测，
DURABILITY模块能够进行很好的计
算，而且还可以集成其它知名疲劳分析软件。UGSCAE的前后处理器采用先进的虚拟拓 扑网格生成技术，使得划分出来的网格能够
100%满足NASTRA求解的要求，一键式的
自动批处理网格生成技术，把 CAE分析人员从繁重网格划分中解放出来，且支持多种 CAE求解器。
2 CAE的相关理论
2.1 CAE的基本概念
CAE( Computer Aided Engineering )从字面上讲是计算机辅助工程，其概念很广， 可以包括工程和制造业信息化的所有方面。 但传统的CAE主要是指工程设计中的分析计 算
和分析仿真，其核心是基于现代计算力学的有限单元分析技术。
从广义上说，计算机辅助工程包括很多，从字面上讲， 它可以包括工程和制造业信 息化的所有方面，但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性 分析，对其未来的工作状态和运行行为进行模拟， 及早发现设计缺陷，并证实未来工程、 产品功能和性能的可用性和可靠性。这里主要是指
CAE软件。
CAE软件可以分为两类：针对特定类型的工程或产品所开发的用于产品性能分析、 预测和优化的软件，称之为专用 CAE软件；可以对多种类型的工程和产品的物理、力学 性能进行分析、模拟和预测、评价和优化，以实现产品技术创新的软件，称之为通用 CAE软件。
CAE软件的主体是有限元分析(FEA, Finite Element Analysis)
软件。有限元方法
单元之间通
的基本思想是将结构离散化，用有限个容易分析的单元来表示复杂的对象，
过有限个节点相互连接，然后根据变形协调条件综合求解。由于单元的数目是有限的， 节点的数目也是有限的，所以称为有限元法。这种方法灵活性很大，只要改变单元的数 目，就可以使解的精确度改变，得到与真实情况无限接近的解。
基于有限元方法的CAE系统，其核心思想是结构的离散化。
根据经验，CAE各阶段所用的时间为：40%^ 45%g于模型的建立和数据输入，50%- 55%用于分析结果的判读和评定，而真正的分析计算时间只占 5%左右。
采用CAD技术来建立CAE的几何模型和物理模型，完成分析数据的输入，通常称此 过程为CAE的前处理。同样，CAE的结果也需要用CAD技术生成形象的图形输出，如生 成位移图、应力、温度、压力分布的等值线图，表示应用、温度、压力分布的彩色明暗 图，以及随机械载荷和温度载荷变化生成位移、
应力、温度、压力等分布的动态显示图。
我们称这一过程为：CAE的后处理。针对不同的应用，也可用CAE仿真模拟零件、部件、 装置(整机)乃至生产线、工厂的运动和运行状态。
2.2 CAE的基本结构与功能
2.2.1 CAE分析的三个步骤
应用这些CAE软件对工程或产品进行性能分析和模拟时， 一般要经历如图2-1所示 步骤：
J1 (1)
--- 前处理 — 右限元分折 T后处理； 1图2-1 CAE —般步骤
前处理-用图形软件首先进而建立有限元分析模
对工程或产品进行实体建模， 型。
(2) 有限元分析-对有限元模型进行单元分析、有限元系统组装、有限元系统求解 以及有限元结果生成。
(3) 后处理-据工程或产品模型与设计要求，对有限元分析结果进行用户所要求的 加工、检查，并以图形方式提供给用户，辅助用户判定计算结果与设计方案的合理性。 2.2.2 CAE软件的结构与功能
CAE软件的基本结构其中包含以下模块：
前处理模块---给实体建模与参数化建模，构件的布尔运算，单元自动剖分，节点 自动编号与节点参数自动生成，载荷与材料参数直接输入有公式参数化导入， 自动生成，有限元模型信息自动生成等。
有限元分析模块---有限单元库，材料库及相关算法，约束处理算法，有限元系统 组装模块，静力、动力、振动、线性与非线性解法库。大型通用题的物理、力学和数学 特征，分解成若干个子问题，由不同的有限元分析子系统完成。一般有如下子系统：线 性静力分析子系统、动力分析子系统、振动模态分析子系统、热分析子系统等。
后处理模块---有限元分析结果的数据平滑，各种物理量的加工与显示，针对工程 或产品设计要求的数据检验与工程规范校核，设计优化与模型修改等。
用户界面模块——弹出式下拉菜单， 对话框，数据导入与导出宏命令，以及相关的 GUI图符等。数据管理系统与数据库一一不同的 CAE软件所采用的数据管理技术差异较 大，有文件管理系统，关系型数据库管理系统及面向对象的工程数据库管理系统。其数 据库应该包括构件与模型的图形和特性数据库，
算法模块一一如图形算法，数据平滑算法等。
CAE软件对工程和产品的分析、模拟能力，主要决定于单元库和材料库的丰富和完 善程度，单元库所包含的单元类型越多，材料库所包括的材料特性种类越全，其 件对工程或产品的分析、仿真能力越强。
一个CAE软件的计算效率和计算结果的精度，主要决定于解法库。先进高效的求解 算法与常规的求解算法，在计算效率上可能有几倍、几十倍，甚至几百倍的差异，特别 是在并行计算机环境下运行。
随着CAE软件开发商对单元库，材料库和求解器的改造，扩充和完善，目前国际上 先进的CAE软件，已经可以对工程和产品进行如下的性能分析，预报及运行行为模拟： 静力和拟静力的线性与非线性分析一一包括对各种单一和复杂组合结构的弹性，弹塑 性，塑性，蠕变，膨胀，几何大变形，大应变，疲劳，断裂，损伤，以及多体弹塑性接 触在内的变形与应力应变分析。
线性与非线性动力分析一一包括交变荷载， 爆炸冲击荷载，随机地震荷载以及各种 运动荷载作用下的动力时程分析，振动模态分析，谐波响应分析，随机振动分析，屈曲 与稳定性分析等。
CAE软
标准规范及有关知识库等。共享的基础
节点载荷
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