汽车设计开发中的CAE技术研究

张有军

摘 要：传统的汽车概念设计的早期主要依靠工程师的设计经验进行，因此在很大程度上缺乏了相应的产品结构、性能等方面的考虑，造成了后期的设计需要反复修改，费时费力。随着时代不断发展，CAE技术开始不断成熟，并出现在了汽车概念的早期设计中，突破了汽车概念设计中的早期局限性。在CAE技术中，通过参数化建模以及ISight 多目标控制能在汽车设计早期中快速生成设计方案，在满足产品结构、性能的同时达到轻量化的目的，进而避免设计中后期反复修改的弊端，既能缩短开发期，也能有效降低开发成本。为此，本文主要探讨了CAE技术在汽车设计开发中的利用现状，进而进一步推动CAE技术的发展。

关键词：汽车设计开发；CAE技术利用现状

中图分类号： U46 文献标识码： A 文章编号： 1673-1069（2016）12-147-2

0 引言

随着社会经济的不断发展，居民的生活水平不断提高，信息技术的不断发展，汽车成为了人们生活出行中的重要交通工具，而人们对于汽车舒适化的需求不断提高。而CAE技术的出现，并作为汽车概念开发中的核心技术，不仅有效提高了汽车零部件结构设计中的质量，还有效提高了汽车设计的舒适度。总的来说，计算机辅助工程CAE（Computer Aided Engineering）包括了工程和制造业等多个方面，其运行的原理就是利用计算机技术来对汽车产品进行可靠性、性能、舒适度等方面的分析，并且对汽车运动模型及失效形式进行仿真模拟试验，以此发现产品结构设计中存在的问题及缺陷，进而有针对性地解决问题，优化产品结构，以满足消费者对于产品可靠性和耐久性的需求。

1 CAE概念设计优化模型

CAE概念设计优化技术的设计主要包含了三大因素：设计变量、目标和约束条件。目标和约束条件是设计的响应，因此，根据优化的目的不同，可以随时进行调整和互换[1]。而CAE概念设计优化技术设计思路，建立CAE的优化模型，并确定其设计变量、设计目标、约束条件。在CAE技术的优化三要素原则指导下，概念汽车的设计需要根据实际的问题进行提取，以增强其实用性，例如车身的弯曲度、模态值、碰撞加速度峰值等，都可参考作为汽车设计中的基本要素。而在实际的CAE概念设计优化模型中，最常见的优化问题是对整车的质量优化目标值。而CAE优化技术的关键点在于设置设计变量及选取设计变量。

2 CAE在汽车产品开发中的应用

目前，CA技术在汽车产品的开发设计中已广泛应用，而主要的应用范围则包括以下几个方面：

2.1 结构强度和刚度的分析

在汽车设计中，由于有限元法据有较高的精准度和效率，在监测机械结构强度和刚度方面得到了广泛的应用，并取得了良好的效果，尤其是在材料应力-应变的线性范围内的应用更是如此[2]。另外，在考虑机械的应力与热应力存在的偶合现象时，例如在ANSYS、NASTRAN等大型软件的应用方面，都提供了非常方便的协助。

2.1.1 车架和车身的强度和刚度分析

在汽车设计中，车架和车身是整个车身设计中较为复杂的部件，无论是在结构方面还是受力方面，尤其是在全承载式的客车车身方面更是如此（如图1所示）[3]。为了提高汽车的承载能力和抗变形能力，汽车设计环境中必须加大力度对车架和车身进行有限元分析，以减轻其自身的重量，并有效节省材料，节约成本。此外，在整个汽车设计中，由于车架和车身的重量能够得到减轻，整个车的重量也得以随之降低，从而实现改善整车动力性和经济性等性能的目的。

由图1可知，汽车设计环境中必须加大力度对车架和车身进行有限元分析，运用有限元分析的方法，使用合理的模型简化方法，对汽车车架进行建模，在有限元的基础上进行分析，依据车架法规的相关规定和要求， 进行静力学性能的综合分析和评价，对车架模型的刚度和强度进行分析之后，对车架构成比较薄弱的部分进行改进，不断完善不同构成部分的性能，从而为后续结构的改进和完善提供重要的理论依据，然后将理论依据运用到实际生产活动中，达到预期目标的车架设计模型。由于车架是汽车主要的承载部件，其性能和质量，是影响整个汽车动力的关键因素，驾驶室、货箱等都是与车架直接相连的，车架的性能和安全必须得到保障，但是车架的结构非常复杂，由图1可知，构成车架的部分很多，传统的计算方法是无法满足精确计算的要求的，因此，在现在生产设计中，一定注重有限元法的使用，为设计提供重要的理论依据。

2.1.2 齿轮的弯曲应力和接触应力分析

齿轮作为整个汽车发动机和传动系中最常见的传动零件，如果能够加大对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析力度，就能有效优化齿轮结构的参数，进而能有效提高齿轮的承载载力，延长齿轮的使用寿命。

2.1.3 发动机零件的应力分析

发动机的零件，例如发动机的缸盖，在其工作过程中不仅容易受到气缸内高压气体作用的影响，还会因为运行中产生复杂的热应力，进而引起缸盖开裂事件的发生。而针对缸盖开裂事件的影响，如果仅仅采用针对开裂处局部加强的办法进行改进，则无法从根本上解决问题。而有限元法则能从根本上解决这一途径，进而从根源上解决缸盖开裂事件的问题。

2.2 汽车被动安全性方面的应用

安全、环保和节能一直以来都是汽车所面临的三大热点问题。而如何提高车身的抗碰撞能力更是解决汽车安全问题中的重要问题之一[4]。而有效利用有限元法模拟汽车碰撞过程的计算，将涉及到大变形等非线性问题，这也是有限元分析的独特性。此外，作为目前设计阶段模式分析的唯一手段，进行模拟计算能够有效节省昂贵的实车碰撞试验经费，且提高了测试的准确性，因此，被广泛运用于国内外的汽车公司实验中。例如ANSYS软件中的LS-DYNA模块就常被利用到汽车碰撞过程的模拟分析中。以角正弦扫频为例，设定汽车以100km/h行驶，频率从0.01Hz连续变化，通过公式得知产品设计的操作稳定性系统为：

2.3 汽车动力学仿真分析

汽车动力学仿真的分析多采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法，因此在分析过程中能够有效预测整车的动力学性能，并对动力学性能进行整体的优化，以提高产品性能，并且有效缩短开发时间，进而有效减少开发费用。

3 结论

CAD技术不仅广泛运用到汽车设计中，更在大型产品中得到了广泛的运用，例如产品的三维造型、虚拟组装、工程图生成等方面，并在其中取得了突破性的突破，有效提高了设汁效率[5]。然而CAE技术不仅有效解决了产品的可靠性，更有效保障了产品的质量，为此，CAE技术成为了产品设计必不可少的基本工具。随着信息时代的发展，现代CAE技术有效促进产品设计的发展，使其步入了“虚拟样机时代”，进而促使产品实现“零缺陷产品”。而在未来发展过程中，CAE技术将不断发展，为此，需要不断注重其存在的问题，进而有效解决问题，以提高其在汽车设计中的应用能力。

参 考 文 献

[1] 陶银鹏，余强，朱德祥.CAE技术在电动汽车电池包设计中的应用[A].河南省汽车工程学会.第九届河南省汽车工程技术研讨会论文集[C].河南省汽车工程学会，

2012：3.

[2] 王力.CAE技术在汽车车门结构性能设计中的应用[J].汽车工程师，2015（01）：31-35.

[3] 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）：271.

[4] 龙海强，陈建华，务运兴，沙大亮.CAE技术在汽车座椅骨架开发中的应用[J].计算机辅助工程，2011（02）：79-81.

[5] 刘晓文.CAE技术在车身设计开发过程中的应用[J].大众科技，2012（12）：29-32.