基于CAE技术的机械结构优化方法

基于CAE技术的机械结构优化方法

陈淑清,李香,戚晓艳

空军航空大学航空基础学院 吉林 长春130000

摘要:CAE即"计算机辅助工程"的英文缩写。对于一项工程项目来说,在进行正式的项目设计前,必须对其进行精确的试验、分析、论证等,并进行全面的监督和控制。这些工作一旦与计算机技术相结合,就被称为CAE技术。从这个角度来讲,CAE包含了产品设计,工程分析,数据管理;试验、模拟及制造一体化的设计与制造环节。它属于一门涉及到多个学科的数值仿真与分析技术,目前正日益引起科技与工程领域的广泛关注。

关键词:CAE技术;机械结构优化;方法

引言

目前,CAE技术在海外已得到了广泛的应用,在工程实践中得到了广泛的推广,在很多复杂的工程分析中发挥到了很大的作用。其特征在于在工程与科学问题的基础上,通过计算机模拟,建立计算模型,并对其进行相关的仿真分析。它简化了许多复杂的工程问题的繁琐计算过程,减少了许多时间成本。使得许多以前因条件所限而难以解决的复杂问题,得以迎刃而解。本文就以汽车工业的轻量化开发为例,来谈谈基于CAE技术的机械结构优化方法。

一、CAE简述

CAE即"计算机辅助工程"的英文缩写。在机械加工制造当中,CAE属于包含了产品设计,工程分析,数据管理;试验、模拟及制造一体化的设计与制造环节的综合性系统。对于工程项目来说,它避免了不少低层次的重复工作,提高了产品分析开发的速度和精度。在产品设计、分析、新产品研发等环节中,都扮演着举足轻重的角色。可以说,CAE作为一种具有时代感的数值分析技术,它在国际上的迅速发展过程,也有效地拉动了许多不同学科的发展。如今在发达国家，这一技术已经相当普及。通过将其与CAD、CAM等技术有机地融合在一起,使得企业能够适应当今市场产品的多样性、复杂性和可靠性方面的需要,使企业的竞争力变得更加优化。在很多工业领域,CAE更是成为产品的研发与生产当中一项必须遵守的技术规范。就拿国外的某大型汽车公司来说,研发的大部分零部件都需通过CAE进行仿真分析,否则就无法通过设计审核,更别说量产了。总之,在国外,如今CAE早已成为工业生产的常规环节。在我国,如今关于CAE的开发已经越来越得到重视。但从总体上来看,关于CAE的发展和运用目前还是一个较为薄弱的环节。相对于国外的整体水平来说,我国CAE的发展水平还是相对落后的。目前,国内计算机辅助设计软件的发展还处于起步阶段,这也成为制约CAE技术发展的瓶颈。在计算机辅助设计软件的发展上,国内的计算机辅助设计与美国等先进国家相比,已经落后了十多年。计算机软件是一种高科技、高增值产品,目前在世界范围内被美国等发达国家所垄断,而国内的软件产业在国内的市场占有率只占很小一部分。提高我国工业企业的科技水平,使 CAE技术在设计和生产中得到广泛的应用,仍然是一个任重道远的任务。

二、CAE在汽车生产机械结构优化当中的运用

现在,电动汽车已经是未来汽车发展的趋势。由于目前我国的动力电池技术发展水平还不足,因此,汽车行业对汽车的轻量化的研究越来越受到关注。

实现汽车的轻量化通常有两种方法:一是采用轻质材料和相关的生产技术;二是通过对汽车的结构进行优化。在汽车研发当中,关于汽车轻量化材料的选择和相应的成型工艺的选择,一般都是在项目定义的早期进行的。当材料和成型工艺得到初步确定后,如何进行最佳的结构设计就成为了制造厂商接下来的目标。CAE结构优化可以在整个过程中,对零件和系统的结构进行细致的优化,从而达到轻量化的目的。在这个过程一般采用拓扑、形状、尺寸等优化法。在汽车工程的实践中,采用不同的结构优化设计方案,可以实现材料少,质量轻,性能好等等。

三、CAE在汽车研发各阶段的运用措施

(一)在项目概念阶段的运用

在这一阶段当中,一旦确定了关于汽车的诸如轴距、长、宽、高等基本尺寸,通过CAE技术就可以根据车型的基本数据,构建 Morph形变块,并在此基础上对其进行适当的变形,从而获得早期设计阶段的新车型的车身模型;该方法可应用于结构设计的初期优化。在工程的早期阶段,由于新开发的车型并没有特定的 CAD数据。因此在这一阶段,可以将重心放在对车辆骨架结构的优化上,以"先主后次"的指导思路,保证实现对车辆框架结构的优化设计。

通过CAE拓扑优化，便可通过汽车车身尺寸的总体空间为依据，来确定构架路径,使材料的利用更加优化。如某设计团队通过多种工程约束控制方式,通过对平台结构进行多工况的分析计算,以寻求最佳的承载方式。在产品研发初期,运用 OptiStruct优化软件,从弯曲扭转刚度、正面、后及侧面碰撞等多种工况出发,致力于让车身对柔度降到最小,从而为以后的车架结构设计提供最佳的拓扑结构[1]。

(二)在车型开发阶段的运用

通过CAE技术的开展,对汽车的零部件开展轻量化处理[2],使车型的整体结构已处于相对最佳状态。因此关于轻量化的设计进度也可适当加快。该阶段主要是采用 CAE来进行造型、尺寸等方面的优化,使车型的形状、厚度等指标实现匹配,有效实现车型的轻量化。

比如在某轿车品牌设计中,采用 SFEConcept软件对车身进行了参数化建模,并将其与相关敏感性分析相结合,将非安全件确立为设计变量。再以多种相关的算法为基础,在多目标优化的基础上，在确保静态弯曲及扭转刚度、一阶弯曲及一阶扭转模态固有频率等性能的基础上,综合进行设计[3],让车身对重量下降了超过24.kg,同时具有较好的正碰撞安全性。避免了传统的以人为主观体验来达到轻量化的效果所带来的盲目性[4]。这样,能够合理地体现出轻量化的特性,提升了该款汽车对使用性能。

结束语

现在，由于计算机技术的运用范围越来越扩大、CAE技术的普及程度也在不断提高。这也给机械结构优化带来了全新的出路。对此,应当对CAE技术进行进一步的开发和优化,进一步提升其的可行性以服务于科技和工业发展。

参考文献

[1]史国宏，陈勇，杨雨泽，等.白车身多学科轻量化优化设计应用[J].机械工程学报，2012，48（8）：110-114.

[2]袁京宇.基于CAE的车架扭转刚度和强度分析[J].汽车实用技术，2021，12（15）：90-91.

[3]曾孟军,敖克勇.基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计[J]. 内燃机与配件,2022,1(7):100-102.

[4]陈东，姜叶洁，张琪.车身概念阶段轻量化设计[J].设计研究，2018，17：159-162.