CAE技术在汽车设计中的应用探析

黄智达

（佛吉亚歌乐电子（厦门）有限公司，福建 厦门 361000）

本文按照理论联系实际的思路，对CAE技术的定义、作用及步骤进行了简要介绍，重点论述了该技术在汽车设计中的具体运用方法，最后对该技术应用于汽车设计上的重要价值进行了分析。

1 CAE技术概述

1.1 CAE技术的定义

CAE是一种计算机辅助技术，可细分为工程信息化辅助设计技术和制造业信息化辅助设计技术。CAE技术的研究主要集中在分析、计算、模拟等方面，其核心是以现代计算力学为基础的有限元分析技术。

1.2 CAE技术的应用范围

目前，在常用的CAE软件中，ANSYS软件可以用来求解结构、流体、电力、电磁场及碰撞等问题。LSDYNA软件可用于解决高速碰撞、爆炸和金属成型问题，MARC软件主要用于进行静力分析，随机震动分析失效和破坏分析等。FloEFD是一款通用流体传热分析软件，可完全嵌入到NX、Solid Edge、Creo、Catia等主流三维设计软件中。Moldflow仿真软件主要用于塑料产品的注塑成型仿真。AutoForm仿真软件主要用于钣金件的成型仿真分析。

一些设计软件本身也带有CA E分析模块，如CATIA软件的创成式有限元分析功能（Generative Structure Analysis）可以对结构件进行强度分析、随机震动分析及冲击震动分析。SolidWorks软件中的motion和simulation功能插件也可以对零件进行运动仿真和强度校核、传热分析。

1.3 CAE分析的步骤

（1）前处理。对设计好的3D模型进行网格划分、材料设定、约束条件设定及节点的载荷设置。前处理是一个很关键的过程，网格越精细，设置的约束条件越接近实际状态，得到的结果会越接近实际值。

（2）求解。设计软件根据用户输入的信息以及软件的模型解析方法进行运算，不同的软件求解方法各有差异。求解速度则和计算机的运算能力成正比，在设置条件及软件相同的情况下，计算机运算能力越强，则其计算时间越短。

（3）后处理。根据软件的解析报告，结合产品设计要求及实际经验判断产品是否满足要求，给出改善和优化建议[1]。同样，CAE的计算结果也需要以形象的图形输出，如生成位移图，表示应力、温度、压力分布的等值线图，表示应力、温度、压力分布的彩色明暗图，或者随机械载荷和温度载荷变化生成表示位移、应力、温度、压力等分布情况的动态显示图。

2 CAE技术在汽车设计中的具体应用

2.1 汽车结构强度分析

汽车的结构强度是保证汽车安全性和可靠性的重要指标，所以在汽车工程领域，结构强度的计算非常常见。进行汽车结构强度分析通常采用有限元方法。由于汽车的结构非常复杂，因此大部分的分析计算都集中在对汽车的某些重要部件或总成（如车架、悬架、传动系等）的计算中。分析的内容包括静力分析、特征值分析、动态分析等。结构的应力、位移分布可由静力分析得出。根据结构的应力分布，可以判定结构在工作负荷下的安全可靠性，结构的哪些部位会出现应力集中，哪些部位的强度不足，从而为改善结构设计提供依据。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。利用动态分析方法，可以得到车辆在动态荷载下的应力、位移等物理参数的变化。例如，当车辆在崎岖不平的路面上以某一速度行驶时，其应力和位移在碰撞荷载作用下的具体数值以及数值的变化情况，都可以通过动态分析方法获得[2]。

2.2 实际应用分析

某汽车安全盖体积为50 mm×50 mm×60 mm，材质为ADC12，材料密度为2.7 g/cm3，最大形变强度为170 MPa，平均壁厚为3 mm，质量为68 g。该零件的工作状态由底部的4颗螺丝决定，车辆顶部有一面在距离顶部35 mm处能承受的最大作用力为100 N，且最大应力小于1/2的屈服强度，最大形变位移小于0.1 mm。产品紧固后一阶共振频率大于1 000 Hz。

2.3 零件结构强度及模态分析

首先将初步设计的3D导入到分析软件中，选择分析项目，设置产品材料，对零件进行网格划分，设置固定点，并施加载荷，完成设置后点击运算即可。通过采用CAE软件进行分析，可以看到该零件最大应力位置在根部的四个圆角区域，最大应力值为8.37 MP，小于1/2屈强度85 MP，满足设计要求。该零件变形的最大位移部分在该零件的顶部位置，变形的最大位移为0.0051 mm，小于要求值0.1 mm（见图1）。

图1 应力、形变位移、共振频率结果

汽车行驶时，由于路面不平，发动机、传动系统和车轮等旋转部件会引起汽车振动。通常路面不平是汽车振动的根本原因。普通轿车车身振动频率大致为5～50 Hz，假设要求产品设计时要避开这些振频以防止零件产生共振。通过CAE分析可知，该零件安装状态下，其一阶共振频率为4 039.32 Hz。

2.4 汽车结构优化

“以最少的成本获得最大的收益”是沿用至今的正确理念[3]。因此，结构优化设计的基本思路是：在保证结构正常运行的条件下，追求最轻的结构（或最低成本）。随着现代计算机技术的发展、有限元方法的不断完善，结构优化设计也逐渐发展起来，并在实际工程中得到了广泛应用。采用优化设计方法，在满足设计、制造、使用等约束的前提下，对产品的结构、工艺参数和结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能和工艺过程达到最佳。

减轻质量、保证碰撞安全、降低噪音是今后汽车车身结构发展的趋势。国内外许多汽车制造商都把CAE技术运用到了结构设计中。使用CAE工程分析与预报技术，可以使设计者在零件定型和投入生产之前进行优化，通过优化结构实现降低成本、提升品质、保障安全的目的[4]。

通过以上分析，对厚度为3 mm安全盖进行结构优化。优化后产品厚度为1.5 mm，外形不变，凸台底部的圆角由原来的2 mm改为4 mm，材质不变。修改后零件质量为40 g。对其进行CAE分析，可以看到该零件最大应力部位在根部的四个圆角区域，最大应力值为29.2 MP，小于1/2屈强度85 MP，满足设计要求。该零件形变的最大位移部位在该零件的顶部位置，形变的最大位移为0.0266 mm，小于要求值0.1 mm。其一阶共振频率为2 568.5 Hz，大于1 000 Hz，满足要求（见图2）。

图2 应力、形变位移、共振频率结果

2.5 汽车碰撞安全性分析

汽车碰撞安全性测试对于保障汽车安全具有不可替代的作用。人们曾经尝试利用理论分析的方法，对汽车碰撞时的变形形态进行预测，并对汽车结构进行耐撞性评估，以实现结构的设计与改进。汽车碰撞仿真研究的重点是车体结构刚性设计和碰撞仿真。车体结构刚性设计的目的在于通过对车体结构进行能量吸收，以保证最大限度地吸收碰撞能量，确保乘客的安全。目前，汽车车体结构的防撞性研究多以非线性有限元理论为基础，而最准确的方法是车身结构的整车有限元分析，但是这种分析必须在大型甚至是超大型计算机上进行[5]。

在传统的汽车碰撞安全性测试工作中，是先制作一辆样车，然后再进行实际的碰撞测试，以检验其安全性，经济成本巨大。而将CAE技术应用于汽车设计中，使设计人员能够利用计算机模拟技术来模拟不同的碰撞状况，从而满足设计时所需的碰撞测试要求，并确认汽车在碰撞后的变形情况。在这种模式下，不仅精确模拟了各种碰撞场景，获得更加丰富的碰撞数据用于之后的分析，还大大节约了经济成本，降低了人力物力财力的消耗。

3 CAE技术在汽车设计中的重要价值

CAE技术在汽车零件的设计和开发中得到了广泛的应用，对克服整车的振动疲劳、提高零件的强度和整车的运行稳定性等都有很大的帮助。通过将CAE技术运用于汽车的设计和开发，能够有效提高汽车的设计质量和性能。因此，CAE技术在当今的汽车设计和开发中起到非常重要的作用，具有极高的应用价值[6]。

3.1 降低研发成本

由于汽车本身结构复杂，设计人员在进行实际设计时，既要充分了解其结构特点，又要考虑到未来的使用环境，所以在设计的过程中，往往要在方案设计、样车设计、样车试验和改进等环节反复更正。将CAE技术引入到汽车的设计中，可大大降低实验次数，从而降低研发成本。

3.2 降低设计风险

相对于传统汽车设计来说，CAE技术能够在试验之前，提前对其结构合理性和性能影响做出评价和预测，并对不合理的部位进行优化。通过CAE技术可以在设计初期就规避一些潜在的风险，降低开发过程中出现问题的概率。

3.3 缩短设计验证周期

相比于传统设计中资源消耗极大的现象，CAE分析技术先通过计算机模拟出最佳的设计状态，再进行模拟样机制作，从而保证设计零件能够一次性通过试验测试要求[7]，最大程度地缩短设计验证周期，提升设计效率。

4 CAE技术的不足及发展

尽管CAE技术已广泛应用于汽车设计领域，并发挥了非常重要的作用，但CAE的分析结果仅能用于参考，不能作为最终确定性结果。同时由于CAE的分析软件众多，分析方法和计算方式也会存在差异，造成额外误差的出现。

汽车市场的飞速发展，给CAE技术带来了前所未有的机遇，同时也对CAE技术发展提出了新的要求。在未来的发展中，可将CAE与人工智能结合，提高分析效率和分析的准确性。设计者仅需要输入设计要求，便可以获得准确的分析数据及由软件自动优化的三维结构，更加贴近实际的仿真结果。采用CAE技术通过对实际仿真数据进行匹配校正优化，使仿真更具有实际意义。

5 结束语

CAE技术已经融入汽车设计和生产的整个过程，为汽车工业的发展做出了巨大的贡献，是精细化设计不可缺少的工具。本文对CAE技术在汽车设计领域的应用进行了研究，提出了具体的应用方法，论述了其在汽车设计中的重要价值。在下一步的工作中，需要区分不同功能、不同车型特点，进行有针对性的研究开发。综合来看，本文立意新颖、观点明确、方法正确，对于采用CAE技术进行汽车设计，从而不断提升汽车设计效率具有一定的指导意义。■