解析CAE在汽车产品研发领域中的运用

一、简述CAE应用

CAE分析是利用虚拟分析方法对结构(场)的性能进行模拟(仿真),猜测结构(场)的性能,优化结构(场)的设计,为产品研发提供指南,为解决实际工程题目提供依据。

有限元分析(FEA)是以计算机为工具的数值计算分析方法。有限元分析是CAE的重要组成部分,CAE的应用首先是从有限元分析开始的。1965年,美国的大型通用有限元分析程序MSC.NASTRAN首先应用于航空航天。1975年,国内开始举办有限元学习班。1980年,美国的有限元结构分析程序SAP5引进我国,有限元分析开始在我国推广,逐渐成为产品研发的重要工具。有限元分析在优化结构设计、进步产品质量、减少试验样品、缩短产品研发周期、降低产品本钱等方面发挥了巨大作用,取得了明显的经济效益。

有限元分析应用的发展与计算机软件和硬件的发展密切相关。在有限元分析应用的初期,有限元分析程序没有前、后处理的功能,后来有限元分析有了前、后处理,其功能也在不断完善。在有限元分析没有前、后处理功能的情况下,有限元分析模型的建立和计算结果的整理都是由人工完成的。

从1995年开始,国际上先进的三维计算机辅助设计(CAD)软件(UG,PRO/E等) ,和具有前、后处理功能的大型通用有限元分析程序( MSC.NASTRAN ,ANSYS 等)先后引进我国,设计职员实现了从二维制图到三维设计的转变。有限元分析职员可以在结构件的三维实体几何图形上比较方便地用前处理划分网格,建立有限元模型,在计算机求解完成后用后处理显示计算结果,计算结果的可视化(动画显示)使计算结果一目了然。有限元分析和前、后处理功能不断发展和完善,越来越自动化和智能化,有限元分析计算结果的精度也在不断进步。

以前计算机硬件落后、资源有限,有限元分析只好采用超单元和子结构的方法对大题目进行分析。由于计算机的硬件在不断更新换代,以前的计算机已被淘汰,有限元分析已开始广泛使用新的高档微机、工作站、服务器或巨型机。现在,有限元分析已经很少采用超单元和子结构的分析方法,而是经常采用一个模型多用的方法,对有几十万个结点规模的题目进行分析已经是轻而易举的事情。

在有限元分析广泛应用的同时,各厂矿企业、高等院校和科研单位等有关部分也开展了C4P(CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM)的工作,建立了计算机集成制造系统(CIMS)。国际上先进的多刚体动力学分析软件ADAMS、空气动力学(CFD)分析软件FLUENT、用于碰撞分析的LS-DYNA软件、用于振动噪声(NVH)分析的LMS软件、用于系统过程集成及优化分析的软件OPTIMUS等也在我国逐渐广泛应用起来。产品研发实现了从经验设计到计算机辅助设计的转变。人们实现了多年的梦想,CAE与CAD同步,CAE指导CAD,CAE为CAD提供依据。现在,CAE已广泛用于航空航天、电子电器、机械制造、材料工程、汽车、铁道、造船、水力、土木工程、医疗器械、石油化工、核能、钢铁冶金、电力、地矿、一般产业、日常生活用品、教学和科研等各个领域。

二、CAE在汽车产品研发领域中的应用

在汽车产品研发的整个过程中,CAE分析可以对汽车结构的强度、刚度、车辆的振动噪声(NVH)、舒适性(平顺性)、耐久性、多刚体动力学、碰撞、乘员的安全性,以及动力总成(发动机和变速箱)的性能等方面进行模拟(仿真)分析、猜测结构(场)的性能、判定设计的公道性、优化结构设计。此外,用CAE还可以对冲压成型、铸造和铸造的工艺过程进行模拟分析,优化结构设计,解决产品质量题目。

由于汽车在批量生产以后改进设计的本钱明显地高于汽车在研发初期改进设计的本钱,CAE的模拟分析主要应用在工艺设备、模具和样车制造之前,也就是从汽车产品研发初期就开始用CAE进行模拟分析,及时发现产品设计中的隐患,优化结构设计,进步产品质量,使汽车满足国家的法规和用户的需求。通过CAE 的优化分析,有关部分可以只对一种较优的设计方案进行试制和试验,减少试制用度,缩短新产品的研发周期,使新产品早日投进市场,增强企业的竞争力。在汽车产品批量生产以后,CAE分析主要用于解决汽车在使用过程中发生的质量题目。CAE、CAD和试验分析相结合,明显地进步了汽车产品研发的水平。尽管现在车辆的道路试验和用户使用仍然是评价车辆性能唯一有效的途径,但是CAE的终极目标是用虚拟样车的分析完全代替车辆试验。固然目前还没有实现,但这是努力的方向。

三、CAE分析能力的形成

a. 实现三维CAD,根据要分析的题目选择合适的CAE分析软件;

b. CAE和CAD数据传递一体化, 实现设计和分析同步;

c. 形成设计标准和试验规范;

d. 通过CAE分析的典型算例与试验结果的比较,形成CAE分析指南;

e. 建立数据库;

f. 培养一定数目的CAE分析职员;

g. 将常规的CAE分析项目纳进产品研发程序,将CAE分析报告作为鉴定新产品研发成果的依据。

4.CAE分析时应留意的题目

a. 将实际工程题目转化为力学题目要正确。

b. 分析对象的选取、载荷工况和施加载荷的确定、边界条件(位移约束条件)的确定、结构的刚度和质量、载荷传递路径和应力集中等题目的处理是CAE 分析的关键。

c. CAE模型的建立是在对分析对象进行力学定性分析之后进行的。

d. 在解决实际工程题目时要区分静强度破坏、疲惫破坏和振动耦合破坏。由于结构破坏的原因不同,解决题目的方法也不同。

e. 在分析汽车结构件疲惫题目时,不能用材料的应力(S)-疲惫寿命(N)曲线,必须用结构件的载荷(P)-疲惫寿命(N)曲线。

f. 在一般情况下,建立的有限元模型与分析目的有关。根据分析目的建立的专用有限元模型不宜提供分析目的以外的正确信息,建议在提出分析目的时要一次性说明。很多公司和企业有时也采用一个有限元模型多用的方法,这要根据具体情况灵活把握。

g. 应熟悉到建立CAE分析指南对CAE分析的重要性。在建立CAE分析指南之后,就可以减少试验分析的次数。 在没有CAE分析指南的情况下,千万不要以为有了初步计算结果后CAE分析就是正确的。应该熟悉到CAE分析模型的正确性和计算结果的公道性必须用力学分析(理论)、分析经验、试验分析和实际使用情况进行判定。

h. CAE 分析的主要目的是优化设计、通过多方案比较和设计优化分析选择较优的设计方案。在一般情况下,不用CAE的计算结果评价结构“行”还是“不行”。

i. 关于试验验证题目,应熟悉到试验分析和CAE分析都存在误差,二者是互相验证的关系。试验分析的结果和CAE分析的结果(至少在规律方面)应该基本相同,不能有明显差异,数值误差应在答应的范围之内。

五、如何提高CAE的应用水平

如何做好CAE分析,也就是如何用CAE分析的结果指导产品研发(设计),这是极为重要的。

关于CAE分析,表明上看起来简单,事实上是有很大科技含量的一项辛劳工作。在一些情况下,找出分析对象的载荷和边界条件是非常困难的,要对分析对象的使用情况进行仔细的观察和分析,最后还要对计算结果进行分析和确认,不是像有人说的那样做CAE分析很轻易,所谓一按电钮,计算结果就出来了。看别人CAE分析轻易,自己做起来就不一定轻易。CAE分析进门轻易,但做好分析就不轻易了。国内外的很多实例表明,CAE分析职员责任重大,做好CAE分析就能给公司和企业带来辉煌,做不好CAE分析就会误导设计,给公司和企业带来损失。

学好CAE分析,60%在于理论,40%在于经验。建议CAE分析职员努力学习力学和有关专业的基本理论,在工作中对CAE分析产生爱好和激情,在思考中产生灵感和聪明,在分析题目时积极动脑筋,对每个数据认真负责。从学习到理解、从升华到创新,将日积月累的分析技巧和经验理性化、规范化,用来指导以后的工作。发挥设计部分、分析部分和试验部分的团队精神,不断研究设计方法、进步CAE分析和试验分析的综合应用能力。