CAE∶汽车设计开发中的计算机辅助工程分析

    面对市场的竞争和社会对汽车高品质的追求,汽车制造企业设计部门的首要任务就是要能够提供适应市场需求的新款汽车。有人说,企业产品必须要同时具备上市、储备和开发三个阶段同时并举。当一种成熟产品A在市场上销售之际,另一种新产品B正在试制之中,进入储备阶段;在新产品B试制之中,另一班人巳悄悄开发研制新产品C,进入开发阶段。当产品A进入衰退期,产品B巳试制完成转入投产,开始进入市场,而研发的新产品C则进入试制,进入储备阶段。这样一波接着一波,企业产品始终保持成熟-储备-开发三种阶段,才能不断有新产品推出。

    从研发到试制,从试制到投产,随着计算机辅助设计的高度运用,这一周期将越来越短。目前一款普通的轿车设计周期,巳经从过去十几年前的五、六年压缩到现在的二、三年时间,甚至更少。

    为了保持竞争力和产品质量,现在一款新车的设计与制造必须要应用现代化的设计技术和制造技术,因此计算机辅助必不可少。在汽车制造企业中,最常用的是计算机辅助设计(CAD)、计算机辅助制造(CAM)、计算机辅助计划(CAP)、计算机辅助质量保证(CAQ)、计算机辅助造型(CAS)、计算机辅助工程分析(CAE)等等。在众多的CAx家族之中,计算机辅助工程分析(CAE)是汽车开发过程中极为重要的应用技术。

    CAE是以计算力学为基础,以计算机仿真(模拟)为手段的工程分析技术,它可以极大地缩短产品的设计制造周期,使重量、用料、结构、成本达到最优化。

    CAE技术的应用范围极其广泛,包括零部件和总成的线性与非线性结构、振动、屈曲、疲劳寿命、动力响应分析和优化设计;水箱、风扇等热交换性能分析;进排气系统、车身空气动力学性能分析;冲压、锻造、铸造等工艺过程仿真和工艺设备设计等等。在汽车设计阶段能够解决新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等问题,使得设计质量大幅度提高。有资料显示,应用 CAE 技术可以大幅度降低新车开发期成本,新车开发期的费用由占开发成本比例的80%~90%下降到 8%~12%。例如美国福特汽车公司应用CAE后,其新车型开发周期从36个月降低到12~18个月,开发后期设计修改率减少50%,原型车制造和试验成本减少50%,投资收益提高50%。可以说,应用CAE技术可更好地缩短产品开发周期、提高开发技术质量和降低了开发费用。

    汽车的每一个部分都可以做CAE,主要有以下三大部分∶整车、总成系统和零部件。

  对于整车来说,主要是利用巳确定的汽车参数,利用有关软件作运动学、动力学仿真,模拟分析车辆行驶的平顺性、舒适性和可通过性。例如本田汽车的操纵稳定性、运动性能以前是利用实车试验进行分析的,现在通过在设计布局阶段进行车身分析模拟,能够将性能要素反映到设计之中,从而缩短了开发周期,提高了设计的准确性。

    从总成系统来看,汽车分为发动机、底盘、车身、电气系统。整车分析确定的参数分解到各个总成后,对各总成进行CAE分析,以确定这些参数可以在各总成实现。例如振动、噪声和非舒适性(NVH)分析,根据CAE分析搞清各个部分的振动对车厢的影响程度,由此判断出控制及改善哪些部件的振动能够创造出乘坐的最佳舒适感。

    对零部件做CAE分析,例如通过对车门、气缸、曲轴、悬挂弹簧、减振筒等等零部件作CAE仿真分析,可以在初期设计阶段就掌握好产品各个方面的性能,排除问题。这对于汽车制造来说极为重要,因为问题发现越早解决问题的成本就越少。

    CAE技术的关键之一是数据库。这是一个最核心的东西,也是各个汽车制造企业最核心的技术资源。丰富和健全有关的数据库,是提高我国汽车自主开发能力的重要步骤。

车汇通
2008年3月31日