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汽车设计中CAE技术的运用

2019-07-15 16:33 来源:汽车设计论文 人参与在线咨询

摘要:随着物质消费水平的快速增长,中国成为全球第一大汽车消费市场,并随即进入千千万万的中国家庭。一个全新车型的开发除了需要大量资金投入之外,还需经过缜密的调查设计,而CAE技术在开发设计过程中的全面普及与应用,凭借自身仿真功能特性解决了传统汽车设计过程中所面临问题。文章研究并分析了CAE技术在汽车设计中的重要性,结合其在各设计阶段的具体任务和流程,对其应用效果以及未来发展趋势进行综合探讨,在确保汽车设计质量和设计效率全面提升的同时,最大限度的节省和降低开发所需时间和费用,为全球市场开发新型车型提供了技术支持。

关键词:汽车设计;CAE技术;运用

1引言

对于汽车设计和开发而言,若未能在设计活动开展前进行深入分析,后期容易发生多次返工现象,丧失上市的最佳时机。为促使汽车设计质量以及设计效率的大幅提升,降低团队在时间和费用方面的过度消耗,可尝试性的在前期设计阶段引入CAE技术。当前阶段,CAE技术逐渐成为整车开发过程中一项较为关键的技术,无论是在汽车零部件结构设计还是其他相关产品设计方面均起到十分重要作用。从技术内容层面来看,CAE技术涵盖了工程和制造业的方方面面,主要是通过对计算机技术的运用,实现对汽车产品可靠性以及性能等的综合分析,与此同时,可对汽车产品的运动轨迹和失效形式进行仿真模拟,掌握汽车设计过程中各种潜藏性的隐患,因此,进一步扩大CAE技术在汽车设计中的应用范围具有十分重要的现实意义。

2在汽车设计中应用CAE技术的重要性

第一,降低了汽车研发成本。传统技术在汽车设计研发过程中表现出极强的复杂性,在设计、测试以及改进等流程中存在重复性。而CAE技术则通过仿真方法应对和解决汽车设计环节所面临一系列问题,在某种程度上有助于设计研发成本的有效降低。第二,缩短设计周期。CAE技术彻底颠覆了传统汽车设计理念和手段,以定量分析方式将设计方案的试验保持在一定时间范围之内,选择其中最佳方案,减少了设计方案选择的盲目性,极大的缩短了设计所需时长。第三,有效规避设计风险。对于汽车设计方案自身结构和性能的有效性,可通过CAE技术进行预先评估,以达到降低设计风险的目的。第四,优化汽车产品结构。CAE技术能够促使汽车设计过程中相关产品结构的不断优化,实现轻量化汽车结构参数的目标,减轻整车重量,提升汽车操作的稳定性与可靠性。

3CAE在整车开发各阶段的任务

3.1可行性研究和概念设计阶段

在汽车设计过程中尤其是轿车产品,通常情况下,都以“原车型”为基本车型,超前的“概念车”除外。但在实际开发设计过程中不可能与“原型车”达成高度一致,参数改变的可能性相对较大。在汽车设计系统中各参数之间具有一定的关联性,临时更改参数可能发生各种不良后果,因此需以CAE仿真技术对该问题进行深度解答。例如,即便是底盘结构始终保持不变,单纯对车身造型做出调整,那么整车系统的质心、惯性矩等也会随之产生变化,并对系统整体操纵稳定性、行驶性以及舒适性等产生直接影响。除此之外,车身结构的变化还在某种程度上间接影响车身的强度、自然频率、空气动力学特性、刚度、寿命、内部空气流、热交换以及轿厢的隔热、通风、噪声等等。对“原型车”和开发车系统以CAE技术进行仿真,可在概念设计阶段实现对零部件、整车性能结构等可靠性的精准预测和控制,在开发设计前期阶段便能够为汽车性能和结构指标提供有效保障。

3.2产品设计阶段

在产品设计阶段,需对上一阶段所确定设计目标进行验证,如,整车设计目标、重要总成的设计目标等等。该阶段在具体管理汽车零部件配套商时,应以CAE技术对零部件进行分析,综合验证传统难以完成的各种设计目标。一方面,可积极推动相关配套的逐步健全与完善;另一方面,通过CAE技术对汽车零部件进行分析最终所得结果均属于整车性能CAE的输入。比如,在对汽车车身进行设计时,CAE技术则主要负责验证车身结构。在具体分析和验证车身时,交叉结构连接方法的选择是其中一个重点,容易影响车身刚度和强度,应加强对其分析力度。通过大量试验研究证明,车身结构之所以发生失效现象,主要是由于车身长时间处于过度疲劳状态。且其中很大一部分原因是受车身在实际运行过程路面随机载荷的形成而造成的影响。除此之外,深入研究并分析汽车车身结构的振动因素和疲劳原因便成为当前汽车设计主要任务之一。

3.3确认设计和投产准备阶段

在设计和投产准备阶段,已经生产制出汽车实物,逐渐开始了各种试验,重点研究CAE相关性试验内容,在与CAE相互联合的基础上完成对汽车产品的有效验证和系统设计,对前期设计各环节所存在问题进行积极有效的调整与改进,有效提升汽车本身的安全性与可靠性。全面调查分析试验过程中所形成的一系列轻量化、碰撞安全、刚度、NVH、疲劳、振动噪声等问题,围绕问题产生的主要原因,实现对后期各类优化措施从将的全面实施与有效验证。与此同时,围绕汽车所形成的相关设计图纸资料基本上已经得到有效明确,供参考的试验结果与试验资料较为丰富,详细分析汽车产品,以技术档案形式对结果进行保存,并全面总结技术等相关内容。

4CAE分析的一般流程

图1是在汽车设计过程中CAE分析所必须遵循的基本流程,可以看出以实验标准以及CAE相关性研究为依据,当CAE分析在结果和实车试验结果两方面存在较大出入时,需对相关数据进行重新分析,直至与研究结果相一致时,方可开展对下一环节数据的优化,确保设计方案的最优化。

5CAE技术在汽车设计中的应用

5.1汽车产品结构、疲劳及NVH分析

深入分析汽车及其周边产品的结构、NVH以及疲劳等情况,其中子系统及其零部件的强度、刚度、耐久特性等内容均属于所需研究范围。所谓NVH特性其主要指的是一种影响,该影响对象主要集中在汽车驾驶环境以及汽车振动噪声性能等两方面,主要包括整车、各子系统及各零部件的模态,主要为路面、发动机激励的频率响应分析、噪声分析等等。

5.2汽车安全性能分析

汽车安全性能与驾驶员以及相关乘客生命财产安全息息相关,在汽车被动结构安装过程中如何提升车身的防碰撞能力是其中所面临的关键问题。对汽车正碰、后碰、侧碰、行人保护和40%偏置碰等碰撞过程以CAE技术进行仿真模拟,由于碰撞属大变形的非线性问题,汽车在对不同碰撞方式进行模拟时,需消耗大量试验成本,而仿真模拟可有效弥补传统技术在试验陈本方面的不足,实现对试验成本的有效缩短。

5.3汽车多体动力学分析

对汽车动力性能以多体动力学进行仿真试验,提前预测整车的动力性能并做出系统优化,可促使汽车产品性能的有效提升,团队在汽车设计研发过程中所消耗时间周期,避免在资金方面的过度浪费。而多体动力学所涵盖范围主要涉及两个方面,一方面是动力学;另一方面是运动学仿真,具体到实际则包括汽车在具体操作过程中是否稳定、是否平顺,汽车玻璃的升降效果以及雨刮器运动轨迹等等。

6CAE技术应用现状及发展趋势

作为机械制造行业的中坚力量,国家汽车工业发展水平是对国家制造业总体发展态势的有效反映,无论是发达国家还是发展中国家,汽车工业都是其发展进程中至关重要的环节,一直以来,汽车工业在机械制造业中都起着标杆性作用,也代表高新技术行列的先驱。在现代计算机技术迅猛发展的今天,不断有大量新型计算机仿真软件出现,对CAE技术实际应用范畴进行了拓宽和强化,汽车工业中所能容纳的CAE技术领域越来越广泛,各学科之间通过相互渗透、相互联系,以更加系统、更加全面的形式服务于汽车设计。此外,CAE分析对象实现了宏观向微观的积极转变,现有的有限元网络技术被无网格有限元技术所替代,神经网络以及遗传算法等优化算法的大范围运用,成为未来CAE发展的主要趋势,也在某种程度上有利于CAE技术的全面发展。

7结语

综上所述,随着科技的不断进步与社会经济的快速发展,汽车企业在开发设计中对CAE技术的应用越来越频繁。CAE技术除了能够降低设计研发陈本,缩短开发周期,规避风险之外,还能够通过相关技术原理最大限度的发挥自身优势,有效保障汽车设计的质量和效率,以自身直观性特征展现汽车的真实的一面。此外,通过对CAE技术的有效应用,可实现对汽车产品结构、多体动力学以及安全性能等的全面分析,保护驾驶员的生命安全。

参考文献:

[1]刘成强,徐海港,王通,等.CAE分析技术在汽车产品设计中的应用研究[J].农业装备与车辆工程,2016,54(11):396-398.

[2]李世芸,李华,邓荣兵.三维CAD/CAE技术在汽车部件设计中的研究及应用[J].昆明理工大学学报(自然科学版),2015,28(03):41-44.

[3]周宏睿.基于CAE技术的汽车产品设计制造研究[J].科技创新与应用,2015,09(30):132-133.

作者:刘光勇 单位:重庆理工大学

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