CAE在汽车设计制造中的应用设计

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1、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CAE in Car Design and ManufactureABSTRACTThe concept of CAE and development and research of CAE is introduced in th

2、is thesis. And it introduced the importance of using CAE in design to reduce errors, shorten the design cycle and improve product design quality. From the structural strength of car, body panels forming process of computer simulation, vehicle crash safety analysis, automotive structural optimization

3、 to other design aspects, this thesis also introduced the use of CAE technology in the design and manufacture of automotive products.KEY WORDS ：CAE ，Automotive design and manufacture，Vehicle Dynamics，Simulation目录摘要 IABSTRAC.T II1 概述 11.1 CAE 的历史 11.2 CAE 的发展 21.2.1 CAE 在国外的发展 . 21.2.2 CAE 在国内的发展 . 3

4、1.3 CAE 的发展趋势 51.3.1 扩大仿真分析的范围 51.3.2 智能化、人性化 51.3.3 网络化 6134我国CAE技术落后的原因 6CAE 今后发展方向及设想 62 CAE的相关理论 82.1 CAE 的基本概念 82.2 CAE的基本结构与功能 82.2.1 CAE 分析的三个步骤 82.2.2 CAE 软件的结构与功能 92.3 CAE的价值 102.4 CAE的应用分类 122.4.1 整车 122.4.2 大总成或者大的子系统 122.4.3 零部件和小总成 122.5 CAE 与 CADCAM133 CAE 在汽车设计制造中的应用 143.1 汽车结构强度分析 14

5、3.2 车身覆盖件成型过程的计算机仿真 143.2.1 CAE 技术在汽车翼子板拉延模具设计中的应用 143.2.2 板料成型过程的显式有限元计算 153.2.3 初始拉延工艺设计 173.2.4 计算机仿真 183.2.5 工艺改进 193.3 汽车碰撞安全性分析 . 203.4 汽车结构优化 254 总结 26致谢 27参考文献 281 概述1.1 CAE 的历史CAE起始于20世纪50年代中期，而真正的CAE软件诞生于70年代初期，直到80 年代中期的十多年间，CAE软件是处在独立成长阶段，主要是扩充和完善基本功能、算 法和软件结构。1979年美国的SAP5线性结构静、动力分析程序向国内

6、引进移植成功， 掀起了应用通用有限元程序来分析计算工程问题的高潮。 在国内开发比较成功并拥有较 多用户（100家以上）的有限元分析系统有大连理工大学工程力学系的FIFEX95北京大学力学与科学工程系的 SAP84中国农机科学研究院的 MAS5.0和杭州自动化技术研究 院的 MFEP4.0 等。 1985年前后，在可用性、可靠性和计算效率上已经基本成熟的、 国际上知名的 CAE软件有 NASTRANANSYS ASKA MARC ADINA ABAQUS MODULEF DYN-3D等。就软件结构和技术而言，这些 CAE软件基本上是用结构化软件设计方法， 采用FORTRA语言开发的结构化软件、其

7、数据管理技术尚存在一定缺陷，它们的运行环 境仅限于当时的大型计算机和高档工作站。近15年是CAE软件的商品化发展阶段，CAE开发商为满足市场需求和适应计算机 硬、软件技术的迅速发展，在大力推销其软件产品的同时，对软件的功能、性能，特别 是用户界面和前、后处理能力，进行大幅度扩充；对软件的内部结果和部分软件模块， 特别是数据管理和图形处理部分， 进行了重大的改造。 新增的软件部分大都采用了面向 对象的软件设计方法和C+语言，个别子系统则是完全使用面向对象软件方法开发的软 件产品。这就使得目前市场上知名的 CAE软件，在功能、性能、可用性和可靠性、以及 对运行环境的适应性方面，基本上满足了用户的当

8、前需求， 这些CAE软件可以在超级并 行机，分不是为集群，大、中、小、微各类计算机和各种操作系统平台上运行。 近40年来，CAE技术结合迅速发展中的计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程 管理学与现代计算技术， 从低效检验到高效仿真， 从线性静力求解到非线性、动力仿真 分析、多物理场耦合，取得了巨大的发展与成就。在日趋全球化的市场氛围中，企业间的竞争将表现为产品性能和制造成本的竞争。 而CAE在产品研发及创新设计中所显示出的无与伦比的优越性，使其成为现代化工业企 业在日趋激烈的市场竞争中取胜的重要条件。利用CAE软件，可以对工程和产品进行性 能与安全可靠性分析， 并对其未来的工作状态和运行行

9、为进行虚拟运行模拟， 及早发现 设计缺陷，实现优化设计；在实现创新的同时，提高设计质量，降低研究开发成本，软 缩短研究开发周期。它们与 CAD/CAM/CAPP/DM/EF等软件一起，已经成为支持工程行 业和制造企业信息化的主要信息技术之一。借助CAE技术，一家英国的汽车业咨询公司 TWR短时间内（15周）完成一个紧凑型 家庭轿车全尺寸模型的设计、验证和制造。通过使用非线性仿真软件 MSC.Dytran 和 MSC.Marc重现世贸大楼倒塌全过程，美国政府的研究人员们找到了为什么世贸大楼在 仅仅一个小时之内就坍塌了的原因。计算机辅助工程作为一项跨学科的数值模拟分析技术， 越来越受到科技界和工程

10、界 的重视。许多大型的CAE分析软件已相当成熟并已商品化， 计算机模拟分析不仅在科学 研究中普遍采用，而且在工程上也已达到了实用化阶段。事实证明，在设计过程中的早期引入 CAE来指导设计决策，能解释因在下游发现问 题时需重新设计而造成的时间和费用的浪费，设计人员能将主要精力投身如何优化设 计，提高工程和产品品质，从而产生巨大的经济效益。在现代设计流程中，CAE是创造价值的中心环节。事实上，CAE技术是企业实现创新设 计的最主要的保障。 企业要在激烈的市场竞争中立于不败之地， 就必须不断保持产品的 创新。衡量CAE技术水平的重要标志之一是分析软件的开发和应用。目前，ABAQUSXNSYSNAST

11、RA等大型通用有限元分析软件已经引进我国，在汽车、航空、机械、材料等许多 行业得到了应用。我国的计算机分析软件开发是一个薄弱环节， 严重地制约了 CAE技术 的发展。仅以有限元计算分析软件为例，目前的世界年市场份额达 5亿美元， 并且以每 年15%勺速度递增。相比之下，我国自己的 CAE软件工业还非常弱小，仅占有很少量的 市场份额。1.2 CAE 的发展1.2.1 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，

12、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； 非线性收敛的 智能控制技术对非线性优化问题是不

13、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

14、。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 件成份。1.2.2 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

15、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CAE在关键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CAE应用规范和仿真流程。总体来讲，中国的轿车企业 CAE应用水平相对高，卡车 次

16、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CAES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

17、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

18、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：做轿车白车身莫态分析，第一阶莫 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

19、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。NXMOTIO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CAD件一体

20、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

21、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。1.3 CAE 的发展趋势1.3.1 扩大仿真分析的范围未来的产品设计将由产品功能主导产品外形、 材料和加工工艺过程， 所需的分析模 拟范围将远远超出今天的范围。设计人员必须考虑应力和振动、运动学、流体力学、装 配建模、可靠性分析、人的因素和加工工艺及成本等等

22、。工程师必须能够真实地模拟产 品的所有性能，结合贯穿产品生命周期的各种因素，获得对各种设计的模拟结果。CAE软件也将由单一零件的虚拟样机朝着整机虚拟样机的方向发展。多物理场耦合分析模拟任何一个复杂的工程和产品大都是处在多物理场耦合， 甚至是多相多态介质耦合状态下工作， 其运行行为绝非是多个单一物理场问题， 部分可 能属于强非线性耦合。对于这些问题， 目前尚没有成熟可靠的理论，还处于基础性前沿 研究阶段，但由于其强烈的工业背景，它们已经成为国内外科学家研究的主要目标。高度集成化一一包括两方面的含义。狭义上的信息集成，即实现CAE与 CAD CAMI CAPP ERP等各单元信息的集成，减少之间的

23、数据传输与转换。这主要依靠相同平台的软件、 开发一定的数据转换接口程序、 基于数据库的信息处理等方式实现。 广义上的“多集成”， 即信息集成、智能集成、串并行工作机制集成及人员集成。 未来的趋势应该是实现技术、 人和管理的集成。在技术创新上，近年来变量化技术突飞猛进，取得了一系列理论成果，如变量化造型、变量化分析、变量化装配、变量化模架库等，并已在 CAD领域取得了成功应用。将 来，必然会扩展到分析领域。届时，实时的、随意的多方案分析过程将使 CAE更加轻松 自如。1.3.2 智能化、人性化CAE作为设计分析人员进行产品研发的工具，必然务求易学好用，得心应手，而未 来的大型通用CAD/CAE/

24、CA软件是一个多学科交叉的，综合性知识密集型产品，如何使 用户更方便地使用软件， 同时结合多学科多领域的知识经验来促进设计分析过程是一个 不容回避的问题。 因此，开发更有效的支持用户使用这些软件的专家系统显得十分必要。 智能化将是发展的一个必然趋势。同时，软件的工作环境应该尽可能解放使用者的头脑，开拓使用者的思路，让使用 者集中精力于设计创作， 这使得软件趋向于人性化，除了具备智能化的自动运算、推理判断、协助思考等功能外， 还要以符合人们思维习惯的方式去判断、 思考、表达与操作， 以更强的用户界面提供更强的直观、直感、直觉性，更智能化地适应用户的要求。1.3.3 网络化随着互联网的普及，宽带通

25、信技术的突破， 网络正改变着人们获取信息、共享数据 和商品交易的方式， 也改变着工程设计人员完成模拟仿真分析的传统方式。 软件供应商 们已经认识到， 是否提供电子网络销售将决定他们今后的竞争力。 所以软件用户将从现 在的购买和安装软件逐步过渡到直接租用放在网上服务器的软件。如 MSC.Software 公 司已实现网上购买仿真分析软件， 还与网络服务商和硬件商合作， 通过服务器端大量的 MSC.SOFTWR软阱与客户端的用户环境，提供有偿的软件周租或月租服务。同时，基于网络的远程计算与分析设计将得到进一步发展，异地协同设计、分析、制造将成为现实。企业的创新需求为 CAE技术的发展提供了强大的动

26、力，可以预见，随 着科学技术的迅速发展和全球信息化，CAE必将取得更为巨大的成就，并继续对国民经 济的发展做出重要贡献。134我国CAE技术落后的原因我国开展CAD/CAI技术应用工作并不算晚，通过引进，不少企业的软、硬件条件与 国外相比也相差不大。但是，为什么国内的汽车CAD/CAM技术应用与国外先进水平相比存在较大的差距呢 ?我认为有以下几个原因 :（1）原有计划经济的原因。在旧的经营模式下，企业领导干好干坏一个样，而采 用CAD/ CAM技术投资大，有较大风险，效益回报有一定的滞后期，导致企业领导不够 重视，怕影响正常的生产。（2）管理上的缺陷。由于条块分割，重复引进，企业相互之间缺乏必

27、要的交流和 协作,影响了 CAD/ CAM术效益的发挥。（3）人才培养的不足。像福特、通用等汽车公司之所以CAD/CAMJ术应用得好,是 因为几十年来一直大力开展 CAD/ CAM应用而积淀下来的宝贵经验和培养出了一支高水 平的技术队伍。有钱可以买到先进的软、硬件，但一支高水平的技术队伍需要若干年的 培养。现在国内既懂计算机软、硬件，又有丰富专业知识的人才奇缺，而这恰是企业最 为宝贵的财富。 .1.3.5 CAE 今后发展方向及设想目前，我国汽车行业中的大企业基本上具备了一定的 CAES用能力，但至今这种能 力在汽车产品设计中仍未得到充分发挥， 大多数产品的设计仍局限在经验上， 这主要与 CA

28、E的规划、培训以及设计人员对 CAE的重视程度、CAE分析周期长等因素有关。针对 这些问题，结合汽车产品的设计水平，应该采取以下措施来加速CAB的发展和促进其应用，使之尽快转变为生产力（1）切实重视CAE的发展，并使之与产品设计结合起来，最后达到在产品设计中 能使用CAE技术的目的。（2）制定长期的CAE发展规划，包括阶段研究方向、人员培训提高、计算机软、 硬件的更新等。目前，应集中力量研究 CAE能够解决的设计问题，加强CAE模型与测试 结果的对比研究，大幅度减少 CAE模型的制作时间。为此，可以考虑具体汽车结构的 FEM分析系统，如车身结构分析系统，该系统包括基本的模型数据库、设计评价指标

29、、CAE分析的基本步骤（先作静态刚度，然后进行模型分析、响应分析及灵敏度分析等） ： 利用测试结果建立可靠的CAE模型，使CAE真正成为车身设计的有效工具。（3）加强CAE的培训工作。一方面是 CAE专业人员能力的提高（可以通过高层次 学习，如请人讲学等方式达到；另一方面是 CAE专业人员有重点地培训产品设计人员， 使现有较成熟的CAE技术尽快应用于设计。（4）加强汽车行业中各大企业间 CAE技术的协作。在我国CAE发展水平还较低， 企业CAE软、硬件的相互封锁，只能阻碍 CAE的发展及应用，重复投资，重复劳动， 使得本来就不太充足的人员和资金白白浪费掉。因此 , 应该定期进行交流，共同提高，

30、 互相协作，做好规划，避免重复性投入。（5）提高使用CAE技术的方便性。为此，首先应尽快推进便于使用的结构分析程 序，女口 ANSYSNASTRA等；其次，CAE专业人员的课题研究应把应用作为目标，把课 题结果的规范化与培训设计人员使用 CAE技术能力作为课题的重要组成部分。（6）加强CAE与测试部门的结合，尽量缩短 CAE的分析时间，用尽可能多的测试 结果验证模型，使模型能最大限度地得以简化。随着科学技术的迅猛发展，CAD/CA技术正向集成化、智能化、网络化、标准化、 可视化等方向发展。新的技术正在不断出现，在这新旧交替之际，只要我们抓住机遇， 就能跳跃前进，赶上世界科技发展的步伐；反之，如

31、不能把握机会，则将更加落后。可 以相信，中国的汽车CAD/ CAM事业前途光明，但需要大家付出艰辛的努力。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，

32、 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， 单元之间通 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

33、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

34、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勺后处理。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：Oi 前社理！ T右航顾T后处理卜Qo图2-1 CAE 般步骤(1) 前处理-用图形软件首先对工程或产品进行实体建模，进而建立有限元分析模 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。(

35、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，节点载荷自动生成，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

36、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，标准规范及有关知识库等。共享的基础算法模块一一如图形算法，数据平滑算法等。CAE软件

37、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CAE软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包括对各种单一和复杂组合结构的弹性，弹塑 性，塑性，蠕

38、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。静态与瞬态热分析包括传导，对流和辐射状态下的热分析，相变分析，以及热 / 结构耦合分析。静态和交变态的电磁场和电流分析包括电磁场分析， 电流分析， 压电行为分析 以及电磁 / 结构耦合分析。流体计算包括常规的管内和外场的层流，端流，热 /流耦合以及流 / 固耦合分析。声场与波的传播计算包括静态和动态声场及噪声计算， 固体，流体和空气中波

39、 的传播分析等。前后处理是近十多年发展最快的 CAE软件成分，它们是CAE软件满足用户需求，使 通用软件专业化、属地化，并实现 CAD CAM CAPP PDM等软件无缝集成的关键性软件 成分。它们是通过增设 CAC软件，例如Pro/Engineer，UG Solidedge，CATIA MDT等 软件的接口数据模块，实现了 CAD/CAE的有效集成。CAE通常指有限元分析和机构的 运动学及动力学分析。有限元分析可完成力学分析 （ 线性、非线性、静态、动态 ）；场分 析（热场、电场、磁场等 ）；频率响应和结构优化等。机构分析能完成机构内零部件的位 移、速度、加速度和力的计算，机构的运动模拟及机

40、构参数的优化。2.2.3 CAE 的作用（1）增加设计功能， 借助计算机分析计算， 确保产品设计的合理性， 减少设计成本；（2）缩短设计和分析的循环周期；（3）CAE分析起到的“虚拟样机”作用在很大程度上替代了传统设计中资源消耗极 大的“物理样机验证设计” 过程，虚拟样机作用能预测产品在整个生命周期内的可靠性；（4）采用优化设计，找出产品设计最佳方案，降低材料的消耗或成本；（5）在产品制造或工程施工前预先发现潜在的问题；（ 6）模拟各种试验方案，减少试验时间和经费；（ 7）进行机械事故分析，查找事故原因。2.3 CAE 的价值CAE技术为汽车行业的高速发展提供具有中心价值地位的技术保障，可以为

41、企业带 来巨大的技术经济效益。在汽车发展历史上，至今还没有什么技术能与CAE技术相比，为汽车企业带来巨大的回报。汽车行业是一个高速发展的行业，其竞争日趋激烈。随着新产品推出的速度越来越快，CAE在汽车行业的应用越来越多，水平也在逐步提咼。 统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%- 90%下降到8%12%例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36 个月降低到1218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%其最大优点是可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析 模型，对所设计

42、的产品进行强度、寿命及特性预测，从而指导产品设计，使产品设计指 标得到保证，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。如汽车产品采用传统的经 验设计一试验校核的方法，则由于结构的复杂性，在设计过程中往往无法知道局部及总 体强度等是否满足设计要求，只能靠一轮又一轮的设计试验来改进，需要很长的设计周 期及很高的设计试制费用，已很难适应市场的需求。而采用 CAE技术，在汽车概念设计 的同时，进行静态、动态分析，随着设计图纸的一步步完善，汽车结构的有限元模型也 进一步细化，使分析计算的结果更趋于准确。这样，在最终图纸完备后，就能使整车的强度、寿命指标得到控制，大大地减少了样车的制作和试验时间。CAE技

43、术不但对汽车整车或车身等大型结构的宏观控制发挥作用，对于解决汽车局部强度问题也很有效。 在设计阶段引入CAE可以及早发现错误，尽快修正错误的目标。图 2-2表示了采用CAE 技术与不采用CAE技术的设计、制造流程对比情况。不采用CAE技术的产品设计、制造流程采用CAE技术的产品设计、制造流程图2-2设计、制造流程对比CAE技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计 算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、动力学仿真，以得到所 设计产品的各种性能，从而指导产品设计， 有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周 期。如在汽车产品的设计中采用 CAE技术，在汽车

44、概念设计的同时，进行静态、动态分 析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地改进这些缺陷和错误，可以大大地减少样车的制作和试验时间。2.4 CAE的应用分类笼统地讲，汽车的每一个部件都可以做 CAE分析，但主要包括以下3大关键部分:图2-3汽车CAE分析图2.4.1 整车该部分的CAE通常要做运动学、动力学仿真，以模拟如车辆行驶的平顺性、舒适性 和可通过性。这需要建立整车的虚拟样机，以确定整车参数。通常要确定的主要整车参 数有：行驶性、操纵稳定性、振动、噪声和舒适性；轮胎、悬架的配备；车身的动静刚 度、强度、寿命评价和车身固有频率；驾驶室通风、隔热、噪声；车身

45、外流场特性、发 动机舱的气流和热交换；主动安全性与被动安全性水平等。大总成或者大的子系统汽车通常划分为4大系统：车身、底盘、发动机、电子电器系统。整车分析确定的 参数，分解到各个总成后，需要对各总成进行 CAE分析，以确定这些参数可以在各总成 实现。零部件和小总成这部分主要是对零部件（子总成）做CAE分析，如车门、车门密封条、发动机缸体、 悬架、面板、曲轴活塞、进排气系统、轮胎、轮毂等，以确定它们的力学特性是否符合 总体设计要求，或者优化以进一步改进初始设计。通过对这些关键部分的CAE仿真分析，可以在概念设计阶段就把握好产品各个方面的性 能，排除问题。这对于汽车行业来说极为重要，因为问题发现越

46、早，解决问题的代价就 越低。2.5 CAE 与 CADCAMCAD是 CAE和CAM勺基础。在CAE中无论是单个零件、还是整机的有限元分析及机 构的运动分析，都需要CAD为其造型、装配；在CAM中，则需要CAD进行曲面设计、复 杂零件造型和模具设计。在CAD中对零件及部件所做的任何改变， 都会在CAE和CAM中 有所反应。CAD/CAM技术是实现创新的关键手段，而 CAEft术就是实现创新设计的最主 要技术保障。目前众多的设计单位将“ CAD与“ CAE分析”截然分开，由不同的人或部门来完 成设计与分析工作，存在工作和数据交接、 结果等待和评判等过程，造成了整个设计流 程的不畅通。事实上，在理

47、想的现代设计过程中， CAE应该融入产品设计的各个阶段和 环节，实现设计分析一体化。3 CAE 在汽车设计制造中的应用3.1 汽车结构强度分析汽车结构强度是保证汽车安全性、 可靠性的重要指标。 因此汽车结构强度分析也是 CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对 汽车的结构进行数值计算。 由于汽车是一个非常复杂的结构。 大多数的分析计算都是针 对汽车的某些重要的部件或总成（例如车架、悬架、传动系等） 。进行分析的内容主要 包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。通过静力分析可以得到结构的应力、 位移分布情况。 通过这些分布情况可以判断结 构在工作载荷作用下

48、是否安全、 可靠、结构的哪些部位会产生应力集中、哪些部位强度 不够。以便对结构进行改进设计。通过特征值分析可以求得结构的固有频率以及相应的振型。根据固有频率和阵型， 可以帮助设计人员分析、 查找引起结构振动的原因、并进而通过改进结构、避免发生共 振。通过瞬态动力分析可以计算汽车结构在动载荷作用下的应力、 位移等物理量的影响 情况。例如汽车在以一定速度通过颠簸不平的道路时的应力、位移；汽车在受到冲击载 荷作用是的应力、位移以及这些量随时间和载荷变化的情况。3.2 车身覆盖件成型过程的计算机仿真汽车覆盖件主要是指覆盖汽车发动机、 底部、驾驶室和车身的用金属薄板冲压成的 表面零件和内部零件。与一般冲

49、压件相比，形状复杂（多为空间曲面） ，外轮廓尺寸大， 材料相对厚度小，表面质量要求高。工艺和模具设计流程可以归纳为： （1）收集工艺和 模具设计必需的原始产品资料； （2）产品可成形性分析；（3）确定合理的工艺方案、工 序数和顺序；（4）建立工序件模型；（5）工艺缺陷的预测和工艺方案的优化； （6）确定 模具工作型面、压边力、 毛坯形状和冲模行程等几何和工艺参数， 并选择合适的压力机 和模具结构；（7）编写工艺文件；（8）模具可制造性评估； （9）模具结构详细设计。覆 盖件工艺和模具设计的复杂性决定了上述流程是一个多次反复、 不断完善的过程。 实践 证明，采用先进的CAD/ CAE/ CAM技

50、术可以提高设计的效率和质量，缩短开发的周期， 减少开发的成本。3.2.1 CAE 技术在汽车翼子板拉延模具设计中的应用薄板冲压成型在汽车制造中是一种十分重要的制造技术。 汽车覆盖件大都采用薄板 冲压而成 , 其模具制造周期影响汽车的制造成本以及新产品开发的周期。目前，国外汽车界提出了 3R战略，即：缩短产品的市场化周期、降低产品开发费用和减轻汽车的质量，其中一个重要环节就是降低车身覆盖件模具的制造费用和减少生产周期。冲压工艺与模具设计是薄板冲压成型技术的关键，由于冲压成型过程是一个非常复杂的 物理过程，涉及力学中的三大非线性问题。几何非线性（冲压中板料产生大位移、大转动和大变形）；物理非线性（

51、又称材料非线性，指材料在冲压中产生的弹塑性变形）； 边界非线性（指模具与板料产生的接触摩擦引起的非线性关系）。这些非线性的综合， 加上不规则的工件形状，使得冲压成型过程的计算相当复杂，是传统方法无法解决的。传统的模具与工艺设计只能以许多简化和假设为基础进行初步设计计算，然后大量地依靠经验与反复试模、修模来保证零件的品质。这样的方法用于象汽车覆盖件一类的要求 精度高、成型性好的大型复杂零件的工艺与模具设计，不仅时间长、费用高，还往往难 以保证零件的品质。随着非线性理论、有限元方法和计算机软硬件的迅速发展，薄板冲 压成型的计算机仿真技术日渐成熟，并在冲压工艺与模具设计中发挥越来越大的作用。 冲压成

52、型过程的计算机仿真实质上是利用数字模拟技术，分析给定模具与工艺条件的所冲压的板料变形的全过程，从而判断模具和工艺方案的合理性。 每次仿真就相当于一次 试模过程。因此成熟的仿真技术不仅可以减少试模次数，在一定条件下还可使模具和工 艺设计一次合格从而避免修模。 这就可大大缩短新产品开发周期， 降低开发成本，提高 产品品质和市场竞争力。322 板料成型过程的显式有限元计算板料成型的CAE软件是基于弹塑性有限变形理论开发的， 根据算法的不同分为显式和隐式两大类，它们各有优缺点。文中 CADE软件是采用显式算法。采用4节点壳单元在每个单元的中面定义随动坐标系如下。nnri3 r24ggri2 （几2笑归

53、363 t式中rij=rj-ri,ri 为节点i的位置矢量，如图3-1所示。该坐标系与单元一起运动， 所有物理量在随动坐标系中定义。经等参插值，得单元中的速度为v=NTvi(3-1)式中vi为节点速度矢量；N为插值函数，可表达为N E , n )= + xbx+yby+En 丫(3-2) =14As-(sTX)b x -(sTY)by(3-3)bx=14A(书 TY) E -( E TY)n (3-4)by=14A(书 TX) E +( Z TX)n(3-5)A=14A( Z TX)Z TY)-( Z TY)( TX)(3-6)丫 =14h-(hTX)bx-(hTY)by(3-7)式中 Z T

54、=-1,1,1,-1书 T=-1,-1,1,1ST =1,1,1,1, hT =1,-1,1,-1式中X、Y为节点坐标矢量，速度梯度为v=BV(3-8)板料成型系统必须满足 Hu Washizu变分原理，经简化得SUT( /Q BT(T dQ +MU-FExt-Fc)+ 5/QE T(B-B)vd Q =0(3-9)式中Fext为外力矢量，Fc为接触力矢量,M为质量矩阵，c为Cauchy应力张量，刀为 假定的应力场，B为应变-位移矩阵，B为假定应变场的应变-位移矩阵，U为节点速度 矢量，U为节点加速度矢量，Q为边界域。选择应力场刀满足/QET (B-B)vd Q =0(3-10)则控制方程为M

55、U=Fext+Fc-Fint(3-11)式中内力为Fint= /Q BT c dQ(3-12)在显式算法中，式(3-13)求解如下Un=M-1 n(Fext n+Fcn-Fi ntn)(3-13)Un+12= Un- 12+At? Tn(3-14)Un+ 仁Un+A t? Un+12(3-15)确定对角质量矩阵Mn后无须求解联立方程组，即可由式(3-13)得到n时刻的加速 度Un,再由式(3-14)、式(3-15)得n+1时刻的位移矢量 Un+1。接触搜寻采用级域法，它是针对多物体接触体系提出的， 避免了主从面法处理多物 体接触的不便，并提高接触搜寻效率。接触力用防御节点法计算，防御节点法是一

56、种既能精确计算接触力，又能避免求解联方方程组的算法。在防御节点法中，每个接触对中 都增加了一个虚拟的接触节点即防御节点。尽管它是虚拟节点，但它具有一个普通有限 元节点具有的所有属性，如速度、加速度和力等。板料与模具间的摩擦力采用非经典的非线性摩擦定律计算，弥补了库仑摩擦定律没有考虑摩擦力与相对滑移量之间关系的不足。翼子板属于汽车外覆盖件，要经过拉延、修边冲孔、整形、翻边等工序。由于外覆 盖件对几何精度、强度、表面光洁度要求较高，所以在全套模具设计中拉延工序最为重 要，也是难度最大的。工艺设计不当常常会产生拉裂、起皱等缺陷，给模具调试造成较 大的难度。应用仿真软件CADE可以模拟板料成型的全过程

57、，及时预测可能出现的拉裂、 起皱缺陷，为完善模面设计方案或修模提供依据。初始拉延工艺设计图3-2型面几何模型初始型面设计主要依靠工艺设计人员的经验完成。如图3-2是用UG软件完成的几何模型，它包括产品面、补充面、压料面和拉延筋。产品面是由零件的几何形状所决定 的；补充面、压料面和拉延筋则是为使产品面达到成型要求而需增加的。因此设计合理 的补充面、压料面和拉延筋是获得高品质产品的关键，工艺设计中通常主要考虑以下几方面。压料面：拉延深度的大小在很大程度上决定了产品的成型性。对于外覆盖件来说，衡量成型性好坏，不仅要看产品部分是否有充分的塑性变形，而且要看变形的分布是否均匀。成型性越好，则产品件刚性越

58、好，且回弹小，有利于后序整形获得精度较高的产 品零件。压料面的位置是根据适当的拉延深度确定的。初步计算翼子板的拉延深度为50 70mm补充面：做补充面前要去掉产品面中的翻边部分，如有后序整形，可以适当放大产 品部分的圆角和降低补充面的斜度。补充面是指从产品面边缘延伸出来到压料面的过渡 面，补充面的设计要使拉延面尽可能圆滑， 有利于材料的流动。有时为了改善材料的流 动状况而增加一些突起等结构。凹模圆角：依据经验初步设计凹模圆角半径为 10mm拉延筋：拉延筋是用来控制和改善材料流动状况的。初步设计拉延筋圆角半径为 6mm筋高5mm为保证成型件的成型性，并便于调整，采用双拉延筋。因为翼子板是 外覆盖

59、件，对产品的表面质量要求很高，布置拉延筋的位置时，要避免产品部分出现啮 痕线。324计算机仿真仿真软件CADE采用的是等效拉延筋模型，这对于修改工艺参数是有利的。因为修 改拉延筋的形状和尺寸，是修模的主要手段之一。在初始型面数模中可以不画出拉延筋， 通过仿真计算确定合理的拉延筋的尺寸和位置后，再在几何模型中增加拉延筋供加工。 图3-3为凹模的有限元模型，凸模、压边圈的有限元模型是由凹模型面上相应的部分偏 置板料厚度的110%R生而成。按初设工艺条件进行仿真计算， 板料厚度0.8mm材料为日本标准的SPCE摩擦系 数取0.12，计算结果如图3-4所示。从图中可以看出翼子板整体成型性比较好，只是

60、角部颜色较深处会拉裂。图3-3凹模有限元模型图3-4初始工艺条件的仿真结果325工艺改进为消除翼子板角部可能出现的拉裂现象，采取如下改进措施。（1）将拉裂的角上部圆角稍稍加大。该圆角为非产品部分，且还有后序整形，这 一改动不会影响产品的最终尺寸要求。（2）将角部的凹模圆角加大至R12mm以利于角部材料向里流动。（3）将角部附近的拉延筋高度降低，减少材料向里流动的阻力。（4）可以适当修改坯料的形状，将坯料拉裂处的角部尖角剪去，也可改善材料的 流动状况。图3-5为工艺改进后的仿真结果，拉裂现象得到有效消除。图3-6为实际冲压结果, 可以看出与仿真结果非常一致。图3-5工艺改进后的仿真结果图3-6工

61、艺改进后实际冲压结果3.3汽车碰撞安全性分析随着汽车的保有量的增长，道路交通事故已成为世界性的社会问题。百余年来，全 世界死于车祸的人数已达4000多万，而且每年仍以超过40多万人的速度递增。建国以 来，我国共发生交通事故500多万起，死亡100余万人，直接经济损失达100多亿元。 我国现有汽1650多万辆，每年以超过180万辆的速度递增，交通事故数量和万车死亡 人数均居世界首位，是世界上交通事故最严重的国家。而且从近几年的统计数字来看， 全国交通事故呈大幅上升趋势，作为交通事故客观因素中的一个重要内容汽车安全 性，已成为我国汽车工业可持续发展的一个重要影响因素。因此，对汽车碰撞安全性分析至关

62、重要。汽车安全性可以分为主动安全性、被动安全性、事后安全性和车外安全性等几个方 面。主动安全性是指汽车预防或回避事故的性能，主要包括制动性能、操纵稳定性能、 灯光和视野等；被动安全性是指汽车减轻事故过程中对乘员伤害的性能，主要包括车身结构、座椅、安全带、气囊、安全玻璃、方向柱、 车顶和车门强度、内饰件缓冲性能等； 事后安全性主要是指防止火灾性能和紧急脱出性能；车外安全性主要是指对行人的保 护。早在20世纪30年代，美国通用汽车公司就开始进行翻车和固定壁碰撞试验。到了50年代中期，各国汽车行业普遍开展了碰撞试验，提出了二次碰撞的概念，在欧洲首 先使用了安全腰带。60年代，随着公路交通事故的上升，

63、汽车安全性，尤其是被动安 全性成为人们注目的问题。70年代，汽车安全气囊在美国首次推出；大众公司在其高 级轿车上第一个采用了被动式安全带。80年代后期，侧面安全气囊被普遍采用。 90年代以来，在政府法规要求和用户需要的推动下，车辆被动安全技术要求越来越高，车辆安全性已成为汽车发展三大方向一一安全、环保、节能中最首要的方向。被动安全性是指汽车碰撞安全性，当发生交通事故时，被动安全系统应为车内乘员提供尽可能多的保护，它是汽车安全性研究中最重要的课题。因为大量数据表明，95 %以上的事故是由于人和环境因素共同造成的，主动安全性再好，也只能避免5%的事故。所以，从 60 年代末开始，汽车被动安全性就一直是人们研究的热点。该项研究主要包 括四个方面的内容：车身结构抗撞性研究； 碰撞生物力学研究；乘员约束系统和内饰件 的开发研究；碰撞安全性试验。研究的目的就是设计出更好的被动安全装置。这包括两 方面的内容：安全车身结构和乘员保护装置（安全带、头枕、气囊等） 。被动安全性研 究，欧美起步最早，始于 60 年代末，刚开始时采用的方法就是进行实车碰撞试验，然 后根据对结果的分析研究，改进设计。因此产品开发周期很长，费时费力。其后发展了 主要针对零部件的台车试验和试验台冲击试验等模拟碰撞技术，成本低，