CAE技术在汽车设计中的应用研究

王国锋

摘 要：汽车设计是一项复杂的工作，零件多且结构复杂，在整车研发过程中，涉及到流体、结构、温度、电磁、NVH及车辆动力学等多方面知识。现代化汽车设计必须颠覆传统的技术方法。CAE技术具有很强的先进性、仿真性，应用在汽车设计中，可大幅度提升汽车研发设计的能力，指导新产品的研发设计，优化产品结构与性能，达到降本增效的目的，从而提升汽车生产企业的市场竞争力。本文结合理论实践，简要阐述了CAE技术的定义，分析了CAE技术在汽车设计的应用现状并提出具体的应用路径，以期为汽车设计提供参考和帮助。

关键词：CAE;汽车设计;车身覆盖件;汽车碰撞

在我国社会经济飞速发展的背景下，人民生活水平不断提升，对汽车的舒适性、安全性等提出了更高要求。目前在汽车设计中常用的技术是CAE技术，尤其是在汽车零部件和整车设计中，具有无法替代的作用。通过CAE技术来分析产品的可靠性和性能，从而找出产品设计存在的问题并得到及时解决，进而提升汽车设计质量。

1 CAE技术的定义

CAE（Computer Aided Engineering）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 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[1]。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。

3 CAE技术在汽车设计中的应用

3.1 在汽车结构强度设计分析中的应用

对汽车而言，自身的结构强度是保证汽车安全性、可靠性的关键指标，因此，汽车结构设计完成之后，必须对结构强度进行全面分析，应用CAE技术进行汽车结构强度分析，可保证分析结果的准确性。通过CAE技术可对汽车结构强度进行静力学仿真、传力路径识别、模态振型提取等。

在结构强度分析中，应用CAE技术进行静力分析，可得到结构的总体应力、位移分布情况等，从而获知汽车结构在一定工作荷载之下，是否仍然可以保持稳定性、安全、可靠性，以及那些部分存在应力集中，那些结构强度不足，从而进行有针对性的改进设计，保证汽车结构强度符合要求。

在特征值分析中应用CAE技术，可获知汽车结构的一些固有频率、振型等，保证设计人员可以及时找到和分析出引发结构振动的主要原因，对结构进行改造设计，从而避免车辆在行驶中因为共振发展安全问题[2]。

在瞬态动力分析中应用CAE技术，可准确计算出汽车结构在动荷载影响下发生应力、位移的变化情况。比如：汽车在以一定的速度通过颠簸路段时，形成的冲击荷载，会导致一些零部件发展发生变化，为优化汽车结构设计提供相应的数据支持和理论指导。

3.2 在车身覆盖件计算仿真中的应用

和其他零部件相比，汽车车身覆盖件的尺寸规格比较大，形状也比较复杂，多呈现空间自由曲面，制造过程比较复杂，涉及到几何非线性、材料非线性、复合接触、摩擦等，任何一个环节处理不当，都会影响设计效果。而传统制造中多由冲压形成，但冲压的工序、參数等都要通过大量实践才能获知，是一个试错逼近的过程，不但会造成大量财力、物力、人力的无故消耗，而且制造成本比较高， 周期比较长，难免满足实际需求。应用CAE技术可大幅度提升车身覆盖件设计效率，缩短设计周期，可进行大范围推广应用，主要包括以下内容：

第一，通过塑性CAE技术和动态显示格式相互结合方法，可对大型覆盖冲压过程进行计算机仿真模拟研究，快速获得冲压工序和相关参数等数据。

第二，利用对CAE技术对板坯的形状、性能、规格等进行综合分析，从而快速获知各种因素的影响条件，降低回弹修正对模量设计造成的影响，保证设计效果，更好的符合汽车性能和结构稳定性的需求。

第三，通过动力显式CAE技术和预压加载相互结合的方法，可各冲压工序之间的相关性、继承性等进行全面分析，实现大型覆盖件冲压过程的完整工序仿真模拟[3]。

第四，回弹对大型覆盖件的影响比较大，因此，当回弹结束之后，需要通过CAE技术对冲压覆盖件的形状、理想误差形状等进行全面分析，从而控制缺陷的约束条件。并对坯料各个参数进行全方位的迭代优化，直至获得最优的工艺参数组合形式。

3.3 在汽车碰撞安全性分析中的应用

汽车在使用过程中，难免会发生不同程度的刮碰，汽车的行驶轨迹，内部驾驶人员及其他乘员的具体运动状态无法准确获知，大大提升了汽车运动方程和求解的复杂性[4]。车辆发生碰撞后，其运动规律无章可循，在激烈的碰撞状态下，汽车车身可能会发生不同程度的变化，导致人体和车身之间的距离缩小，造成方程求解工况较为复杂。而汽车碰撞安全是衡量汽车性能的主要指标，也是顾客购车的主要参考依据。而即便是无人驾驶的汽车安全碰撞试验，也是破坏性试验，成本非常昂贵。而将CAE技术应用到汽车碰撞安全性分析中，可有效降低成本和代价，提升汽车碰撞的性能，保证乘员及行人的安全性，CAE技术在汽车碰撞安全性分析的应用主要体现在以下几个方面：

第一，通过CAE技术分析汽车碰撞，可实现车身、车架变形和动态响应，快速获得准确有效的数据。

第二，可充分研究人体在多种碰撞时条件下的响应情况。

第三，可实现多体动力学计算，降低碰撞安全分析的难度。

将CAE技术应用到汽车碰撞安全性分析中，可对乘员约束系统如：安全气囊、安全带、被动约束等系统进行仿真模拟，也可以进行汽车碰撞受害人员的计算机仿真模拟及碰撞事故再现仿真模拟，从而为汽车设计人员设计汽车安全性能提供必要的数据参考和理论指导[5]。

3.4 在整车系统性能仿真中的应用

汽车复杂的结构系统、苛刻多样的工作环境以及汽车行驶时所受路面的动态激励载荷等诸多因素，使得很难对汽车的整车系统性能进行仿真模拟。随着科学技术的飞速发展，CAE技术的也在不断进步，美国的eta公司，基于ANSYS/LS-DYAN软件平台，开发出来虚拟试验场技术（VPG技术），可对汽车整车系统的性能进行计算机仿真模拟，有效解决了整车性能仿真模拟瓶颈问题。VPG具有非常完善且正在不断扩大的数据库，可为客户提供全面的悬架系统模型、轮胎模型、标准道路条件、碰撞安全条件等，使得汽车整车性能分析更加便捷，分析条件也更加标准化[6]。可使在开发设计阶段的汽车在模拟的标准道路上试验形式，从而对汽车的整车性能进行预测，发现问题及时处理，降低汽车设计研发的费用，减少投资风险，缩短企业研发时间，从而提升企业的市场竞争力，获得更大的经济效益。

4 结束语

综上所述，本文结合理论与实践，研究了CAE技术在汽车设计中的应用，研究结果表明，汽车设计是一项非常复杂、系统、技术含量高的工作，工序繁多，内容繁杂，任何一个环节控制不当，都会影响汽车的设计效果。而CAE技术的日趋成熟和广泛应用，不仅大大降低了汽车设计的难度，而且还能有效节约成本，缩短设计周期。在汽车设计阶段进行静态、动态分析，平顺性和操纵稳定性仿真模拟，能及时发现设计中存在的问题和缺陷，通过对缺陷和问题的改进，降低了设变的风险以及由此造成的经济成本，缩短了汽车制造和试验的时间。因此，将CAE技术科学合理的应用到汽车设计中，帮助企业获得更多效益，实现可持续发展。

参考文献：

[1]李红伟，孙洪霞，刘昭.CAD/CAE技术在机械设计与模具设计中应用[J].工程技术研究，2018，No.17（01）：240-241.

[2]陳伊娜.基于某车型翼子板典型案例的冲压CAE分析重要性研究[J].中国高新科技，2018（7）：89-91.

[3]卢海山，王志奇，彭德其.融合CAE技术的过程设备设计实验教学改革与实践[J].广东化工，2019（14）：207-208.