CAE技术在汽车设计中的应用探析.pdf

DCWTechnology Application技术应用129数字通信世界2023.09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。LS-DYNA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CAE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作者简介：黄智达（1988-），男，汉族，福建泉州人，中级工程师，本科，主要研究方向为机械工程。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）摘要：随着计算机辅助工程（CAE）技术的进步，汽车设计与CAE的联系越来越紧密。针对CAE技术在汽车设计中的应用开展研究，具有重要的理论和实践意义。文章以此作为研究主题，在介绍CAE技术原理的基础上，对该技术的具体应用场景进行了分析，最后提出了其在汽车设计中具有的重要价值。关键词：CAE技术；结构优化；应用分析doi：10.3969/J.ISSN.1672-7274.2023.09.043中图分类号：U 462，TP 399 文献标志码：A 文章编码：1672-7274（2023）09-0129-03Application of CAE Technology in Automotive DesignHUANG Zhida(Faurecia Gele Electronics(Xiamen)Co.,Ltd.,Xiamen 361000,China)Abstract:With the advancement of computer-aided engineering(CAE)technology,the connection between automotive design and CAE is becoming increasingly close.Conducting research on the application of CAE technology in automotive design has important theoretical and practical significance.This article takes this as the research topic.Based on the introduction of the principles of CAE technology,it analyzes the specific application scenarios of this technology,and finally proposes its important value in automotive design.Key words:CAE technology;structural optimization;application analysisDIGITCW技术 应用Technology Application130DIGITCW2023.09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 mm50 mm60 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）。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550 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。图1 应力、形变位移、共振频率结果图2 应力、形变位移、共振频率结果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）。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，DCWTechnology Application技术应用131数字通信世界2023.09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。参考文献1 徐毅，孔凡新三维设计系列讲座（3）计算机辅助工程（CAE）技术及其应用J机械制造与自动化，2003(6):146-150.2 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):271.3 刘光勇探讨在汽车设计中CAE技术的运用J时代汽车，2019(8):80-81.4 李占旭CAE技术在汽车产品设计制造中的应用探讨J缔客世界，2020,6(5):73.5 徐群杰，唐琳琳，叶建学CAE技术在汽车设计中的运用探讨J科技风，2017(24):206.6 蔡志伟CAE技术在车辆设计开发中的应用探究J房地产导刊，2018(14):224.7 田艳飞，杜丽娜CAE技术在汽车设计中的运用简述J城市建设理论研究（电子版），2016(15):681-681.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