CAE技术在汽车设计中的应用

CAE技术在汽车设计中的应用

贾浩伟 杨贝贝

长城汽车哈弗技术中心 ，河北省 , 071000

摘要:随着科学技术的不断发展，如今CAE技术已经被广泛的应用到汽车设计的质量与性能分析过程中，有效的减少了汽车设计过程中的各种重复流程，缩短的汽车研发周期，为汽车节省了大量的研发资金，提升的汽车设计的舒适性以及安全性，最终为汽车行业的发展做出了极大的贡献。

关键词:CAE技术;汽车设计;实际运用;发展趋势

社会经济的发展提高了居民的生活水平和质量，消费者逐渐用更高的标准要求汽车的舒适性。目前在整车开发中的关键技术主要是CAE技术，其在汽车零部件结构设计中的作用是不可代替的。工程和制造业的各个方面都是CAE技术中包括的内容，其主要是将产品的可靠性和性能等利用计算机技术来分析，同时可以仿真模拟产品的失效形式和运动模式，将产品的设计问题找出来。所以具体研究汽车设计中CAE技术的运用具有重要的现实意义。

1CAE技术的定义

CAE(ComputerAidedEngineering)指的是计算机辅助工程技术，是计算机技术和工程分析技术相互结合的一种新型技术，CAE技术应用的基础理论为有限元法和数值分析法。有限元法的基础思想是将一个具有连续求解特性的区域，离散成一组，并按照相应方式方法，连结到一起的单元组合体。但单元自身形态变化多端，甚至可以模拟几何形态复杂的求解区域。而数值分析法则是一种专门研究，适用于计算机上使用的实际可行、理论可靠、计算复杂的数值计算机方法，经过多年的演变和完善，数值分析已经发展为一门独立的学科。CAE技术应用的关键技术包括：有限元技术、虚拟样机运动技术、动力学仿真技术等，主要机理是通过计算机来一些产品和工程的性能、质量、可靠性、安全性等进行分析，并对未来的工作状态、运动行为等在计算机软件上进行模拟，从而提前发现设计缺陷的，同时证明工程和产品在未来使用中可行性和可靠性。CAE技术结构组成非常复杂，涉及到的内容繁多，包括：有限元、数值分析、优化设计、图像处理、工程管理、人工智能等，具有很强的先进性、综合性，目前市面上应用最广泛的CAE技术包括：Nastran、Ansys、Abqus、Algor、Marc、Strand7等。

2在汽车设计中应用CAE技术的重要性

目前在汽车产品的设计中普遍的应用CAE技术，在整体振动及疲劳、零部件结构的强度和整车操作的稳定性等各个汽车设计和制造的程序中都体现出CAE技术的运用。通过运用CAE技术可以将产品的设计质量和性能大大提升，所以在汽车产品开发中CAE技术的作用越来越重要，以下具体说明了汽车设计中CAE技术的重要性:

(1)将研发成本降低:在传统技术中汽车产品研发过程的复杂性非常强，其主要是将设计、测试和改进等过程不断的重复。但是通过应用CAE技术以后可以利用仿真的方法解决汽车产品问题，这样可以将设计质量和效率提升，从而将研发的成本降低。

(2)将开发周期缩短:通过应用CAE技术可以将传统汽车产品设计中的局限性打破，通过对定量分析方法的使用可以将更多的设计方案在较短的时间内尝试，将最佳的设计方案制定出来，这样可以将设计过程中的盲目性减少，所以说可以将开发周期缩短。

(3)将设计中的研发风险降低:通过CAE技术的应用可以预先评估汽车产品设计方案的结构性和性能，从而可以将设计研发新产品的风险大大降低。

(4)对产品的结构进行优化:通过CAE技术的应用可以优化产品的结构，使轻量化汽车产品结构参数的目标得以实现，将整车的重量进一步减轻，使整车的操作稳定性大大提升。

3 CAE技术在汽车设计中的应用现状

随着科学技术的飞速发展，CAE技术愈发先进，被广泛应用在各大工业领域，汽车生产行业普遍引入CAE技术并贯穿于整车开发的概念、工程化、试验验证等各个阶段，主要体现在以下几个方面：第一，我国很多汽车生产厂家，都比较认可CAE技术对汽车设计分析的准确性和可靠性。第二，联合使用CAE技术和CAD技术，可构件汽车设计和分析一体化，大大提升汽车设计效率，缩短设计开发周期，提升企业的市场竞争力。第三，在整车的设计及验证改进过程中，CAE始终处于核心地位。第四，在汽车领域CAE技术的应用范围仍然在不断扩大。比如应用的对象从最开始的零部件级扩展至整车级、从静力学至动力学，从传统结构分析优化到流体、热管理及电磁兼容仿真等。就目前CAE技术在汽车设计中的应用现状，无论是应用的深度还是广度，都远远滞后于美国、德国、日本等发达国家。现阶段，我国CAE技术在汽车领域的应用深度还不足，缺乏可以参考和借鉴的经验及启示，也缺乏统一的CAE技术分析标准和流程。此外，仿真过程中生成了海量数据及文档报告，如何有效管理仿真文档是CAE技术深化应用必须解决的问题。在此种状态下，汽车生产制造企业需要组建高水平、高专业性的CAE技术应用团队，扩大CAE技术的应用范围，提升CAE技术的应用深度，同时也要构建完善系统的CAE技术分析流程和标准，进一步提升CAE技术在汽车设计中分析的精确性和可靠性。

4在汽车设计中CAE技术的具体应用

4．1分析汽车的产品结构、疲劳和NVH

整车、各个子系统和各个零部件的强度和耐久性等是汽车结构和疲劳主要包括的内容，如进排气系统的轻度和副车架等零部件的强度和耐久度等。对驾驶和乘坐汽车环境造成影响的噪声性能是NVH特性，如整车、各个子系统和各个零部件的模态等，其中发动机和路面激烈频率的影响分析以及噪声分析等是其主要的具体表现。

4．2分析汽车的安全性能

驾驶员和乘客的生命安全是由汽车的安全性能直接决定的，所以当前汽车被动安装最需要解决的问题之一主要是怎样将汽车本身的防碰撞能力提升。在汽车设计中通过CAE技术的应用，可以利用仿真技术模拟汽车正碰、侧碰、后碰和保护行人等各个方面的碰撞过程中。另外由于大变形的风险性碰撞是碰撞的主要实质，所以如果在模拟碰撞中使用实车，则会大大提升试验的成本，而通过CAE技术中的仿真模拟技术可以将这一问题良好的解决。

4．3分析汽车的多体动力学

在汽车动力性能的仿真过程中使用多体动力学，可以将整车的动力性能进行优化和评估，这样可以将汽车的产品性能大大提升，同时可以将产品的研发成本大大降低。动力学和运动学仿真是多体动力学主要包括的内容。

5结论

由此可见，在科学技术不断发展的过程中，汽车企业将更多的CAE技术应用到汽车产品的设计过程中，同时也将CAE技术应用的领域不断拓展。在汽车产品设计中应用CAE技术，可以将研发成本降低、将开发周期缩短以及将设计中的研发风险降低等，而且CAE技术也能够将自身的优势最大限度的发挥出来，这样可以为汽车产品的设计和质量提供有利的保障，利用自身直观性的特征将汽车的真实性充分展现出来。另外通过应用CAE技术可以更好的分析汽车的产品结构、疲劳和NVH，汽车的安全性能以及汽车的多体动力学等，这样不但可以为乘客和驾驶员的生命安全提供保障，同时可以对汽车设计行业的发展发挥重要的推动作用。

参考文献:

［1］闫海东，孙明．CAE技术在汽车设计中的运用探讨［J］．山东工业技术，2015，20(02):271．

［2］万子刚．检测诊断技术在汽车设计维修中的运用［J］．工业设计，2015，15(07):137+143．

［3］郑金虎．基于虚拟样机技术的汽车变速器结构设计方法研究［D］．上海工程技术大学，2014，23(09):125-126．

［4］闫洁．基于CAE的某轿车车身NVH性能分析研究［D］．天津科技大学，2013，31(11):248-249．