CAE在汽车开发中的应用

第 5卷 第 8 期 中 国 水 运 Vol.5 No.8 2007 年 8 月 China Water Transport August 2007 收稿日期：2007-6-28 作者简介：温志伟 男（1975-） 浙江浙大华是科技有限公司 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 师 CAE 在汽车开发中的应用 温志伟 陈江海 摘 要：本文首先对 CAE 在汽车产品开发过程中的作用进行了介绍，接着对 CAE 在汽车产品开发中的应用范围 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 ， 然后结合具体实例，用CAE进行了 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 ；最后给出了CAE与 CAD联合开发的流程图。 关键词：CAE 汽车开发 中图分类号：TP311 文献标识码：A 文章编号：1006-7973（2007）08-0149-02 一、引言 CAE（Computer Aided Engineering）在汽车等机械 产品的开发中应用非常广泛。如采用有限法（FEM）计算机 械零件的应力和变形进行强度和刚度分析；采用多体动力学 方法 快递客服问题件处理详细方法山木方法pdf计算方法pdf华与华方法下载八字理论方法下载 进行汽车整车的操纵稳定性和行驶平顺性的动态仿真分 析；采用有限元法进行汽车碰撞分析；采用有限元法和边界 方法（BEM）分析汽车的噪声等等。可以说，CAE 在汽车 产品开发过程中所发挥的作用已经无法被取代。 CAE在汽车产品开发过程中的作用集中体现在三方面： （1）CAE 极大地缩短了产品的研制周期，在建模和分 析过程中采用实体造型和参数化，模型和参数的修改都很方 便，最终确定合理的结构参数所需时间得到大幅度的缩短。 （2）减少了开发费用。相对于道路试验和室内台架试验 而言，利用CAE分析汽车整车及零部件的各种性能所需要的 费用大幅减少。 （3）有利于通过优化等手段开发出性能更为优越的汽车 整车和零部件。譬如通过优化车架和车身的结构参数减轻整 车重量；通过优化行走系和转向系的参数提高整车的操纵稳 定性和行驶平顺性等。 当然，从实际应用的角度来说，汽车CAE作用的发挥还 依赖于两个重要前提。其一是对CAE技术的熟练掌握，另一 个是要提供最基本的实验数据和相关数据库。这里所指的基 本实验数据，是指像轮胎特性数据、道路特性数据、各种材 料的力学特性等。所谓相关数据库是指企业在产品设计和开 发过程中不断积累的、能够提供结构形式和主要参数（包括 价格、外协情况等）的数据库。除此之外，要更好地实施CAE 并发挥其作用，必需与CAD/CAPP/CAM、优化技术等结合 起来加以综合运用。 二、CAE 在汽车产品开发中的应用 1．结构强度和刚度的分析 有限元法在机械结构强度和刚度分析方面因具有较高的 计算精度而到普遍采用，特别是在材料应力应变的线性范围 内更是如此当考虑机械应力与热应力的偶合时，像ANSYS、 NASTRAN等大型软件都提供了极为方便的分析手段。 （1）车架和车身的强度和刚度分析 车架和车身是汽车中结构和受力都较复杂的部件，对于 全承载式的客车车身更是如此。车架和车身有限元分析的目 的在于提高其承载能力和抗变形能力、减轻其自身重量并节 省材料。就整个汽车而言，当车架和车身重量减轻后，整车 重量也随之降低，从而改善整车的动力性和经济性等性能。 （2）齿轮的弯曲应力和接触应力分析 齿轮是汽车发动机和传动系中普遍采用的传动零件。通 过对齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结 构参数，提高齿轮的承载载力和使用寿命。 （3）发动机零件的应力分析 以发动机的缸盖为例，其工作工程中不仅受到气缸内高 压气体的作用，还会产生复杂的热应力。缸盖开裂事件时有 发生。如果仅采用在开裂处局部加强的办法加以改进，无法 从根本上解决问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 。有限元法提供了解决这一问题根本途径。 2．汽车被动安全性方面的应用 安全、环保和节能是汽车面临的三大热点问题。如何提 高车身的抗碰撞能力是汽车被动安全性中需要解决的问题之 一。利用有限元法进行汽车碰撞过程的模拟计算，涉及到大 变形等非线性问题，不同于一般的有限元分析。由于模拟计 算可以节省昂贵的实车碰撞试验经费，且在设计阶段模拟分 析是唯一的分析手段，国内、外汽车公司普遍采用这一方法。 ANSYS软件中的 LSDYNA模块常被用来进行汽车碰撞过程 的模拟分析。 3．汽车动力学仿真分析 采用多体（刚体和柔体）动力学分析方法进行汽车动力 学仿真，可在研究阶段预测整车的动力学性能，对这些性能 进行优化，以达到提高产品性能、缩短开发时间、减少开发 费用的目的。以整车的操纵稳定性为例，由于影响因素涉及 到轮胎、悬架、转向等多个方面，简单的计算难以得到合理 的结论，哪怕是定性的结论往往也不可靠。为此，已开发出 多种机械动力学仿真软件。值得一提的是美国 MDI 公司的 ADAMS 软件，被广泛用来进行汽车操纵稳定性、汽车行驶 平顺性的动态仿真。ADAMS 中的 TIRE 模块提供若干种轮 胎模型供分析时选用，以准确地建立轮胎的动力学模型。 ADAMS中的 CAR模块是专为汽车动力学仿真而设计的，使 150 中 国 水 运 第 5 卷 用十分方便。国内已有多家汽车公司利用该软件进行了货车、 轿车、汽车列车和大客车的动力学仿真分析，并取得了较好 的效果。 三、CAE 在汽车开发中的具体应用 1．汽车零件有限元分析过程和有限元软件 可以列出几十种有限元分析商用软件。这里仅介绍在汽 车零件结构分析中使用最为广泛的 IDEAS、ANSYS 和 NASTRAN。 SDRC公司的 IDEAS软件是包括CAD、CAE、 CAPP/CAM、PDM 等在内的集成软件。实体建模、网络划 分、载荷和约束的施加、求解和后处理可由该软件的不同模 块来完成。ANSYS公司的 ANSYS软件是专门的有限元分析 软件，前、后处理和求解也都可由该软件完成。MSC公司的 NASTRAN有限元软件有专门的前、后处理软件 PATRAN。 其分析过程与 IDEAS、ANSYS等大同小异。 图 1 由 Pro/E 建模并划分网格的十字轴模型 以上说明各公司的有限元软件都能独立完成有限元分析 任务。当然，上述各种软件还提供了与多种CAD软件的接口。 一般来说，有限元软件的建模功能不如专门的 CAD 软件强 大。只有将他们结合起来使用才能更好地发挥各自的功能。 笔者在分析汽车传动装置零件十字轴的弯曲强度时，采取的 路线是：先由Pro/E建立十字轴的几何模型并完成网络划分， 并以 ANSYS 文件格式.ans 输出模型，然后由 ANSYS 读入 该模型并完成后续分析。图 1为由 Pro/E建模并划分网格的 十字轴模型。当然，ANSYS 也可直接读入 Pro/E 的.prt 文 件，网格划分及有限元分析的后续任务都由ANSYS完成。 几乎所有的 CAD 软件都可输出 IGES 格式的几何模型 文件，但该格式中只包含线和面的信息，而没有体的信息， 而且 IGES 格式文件中会丢掉部分信息甚至产生错误几何信 息。以下介绍一种解决该问题的方法： （1）用 UGS 公司的 CAD/CAM 软件 UG读入待转换 的 IGES格式文件。 （2）在UG中修改模型，并用缝合（即Sewing）命令 将零件的所有面缝合在一起，从而生成实体模型。 （3）将实体模型存成UG格式的.prt 文件。 （4）用NASTRAN的前处理软件 PATRAN读入UG生 成的.prt 文件，将得到有限元分析所需的实体模型。 （5）由 PATRAN和 NASTRAN完成有限元分析的其他 工作。 2．机械动力学仿真软件在汽车中的应用 与有限元分析软件一样，机械动力学仿真分析软件既可 单独使用，也可与其他CAX软件集成使用。在汽车动力学仿 真中使用较多的软件是ADAMS和DADDS。以 ADAMS为 例，介绍机械动力学仿真分析的步骤。 当采用 ADAMS 软件单独进行分析时，可用其 AVIEW 模块建立待分析的多体模型，然后用其SOLVER模块求解。 然而，为了使仿真分析得以更加顺利地进行，常常采用多种 软件协同工作。以下是将机械动力学仿真软件与CAD、FEM 集成使用的一些好处： （1）采用CAD软件建模更加方便、准确，生成的图形 更加逼真，动态仿真效果更好。 （2）从准确的CAD模型中可更方便地得到准确的质量 参数，即零件的质量、质心位置、惯性矩等。 （3）机械动力学仿真软件建立柔体模型的功能非常有 限，而利用有限元分析软件的生成的MNF（模态中性文件） 可输入到机械动力学仿真软件中生成的准确的柔体模型。 （4）尽管机械动力学软件能够确定零件间的相互动力关 系和作用力，但不能分析零件的应力，只能借助有限元分析 软件来完成。 四、CAE 与其他 CAX 的集成 图 2 CAE 与 CAD 集成的流程图 从以上的分析知道，要想更好地完成CAE任务，将CAE 软件与其他的CAX集成使用会获得更好的效果。作为一个例 子，图 2是实施这一集成的流程图。这个例子中，首先由CAD 软件生成几何模型，按.IGES 格式或其他格式将模型输出， 然后由有限元软件和机械动力学软件分别读入几何模型。机 械动力学软件所需要的模型分成两种类型：刚体模型从CAD 软件获得；柔体模型从有限元软件获得（.MNF格式文件）。 另外，如果某些零件的模型由机械动力学软件自己生成，根 据需要可从CAD软件得到质量参数。机械动力学仿真分析除 了输出最终结果外，还可输出零件的运动关系和结点力供有 限元分析之用。 参考文献 [1] 贺美洋 .CAE 设计实例分析 .中国高等教育出版 社.2001.3. [2] 张贵社.AutoCAD实用教程.人民邮电出版社.2003.4. [3] 黄勇.CAE 应用研究与制作.北京航空航天大学出版 社.2002.3.