近年來，愈發(fā)嚴(yán)格的汽車安全和環(huán)保法規(guī)對(duì)于汽車OEM廠商在時(shí)間和成本方面提出了更高的要求，在汽車開發(fā)過程中全面引入計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全過程、整車級(jí)虛擬樣機(jī)仿真達(dá)到了減少原型車試驗(yàn)次數(shù)、降低生產(chǎn)成本、縮短新車研發(fā)周期的目標(biāo)。

汽車開發(fā)和制造技術(shù)涵蓋了當(dāng)代諸多基礎(chǔ)學(xué)科和技術(shù)前沿，如何實(shí)現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)和部件總成的正向設(shè)計(jì)與制造技術(shù)、縮短汽車開發(fā)周期、降低成本、減少汽車產(chǎn)品開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)等因素直接體現(xiàn)了企業(yè)的自主創(chuàng)新能力。CAE技術(shù)可以極大地縮短設(shè)計(jì)制造周期，使重量、用料、結(jié)構(gòu)、成本達(dá)到最優(yōu)化。

CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍極其廣泛，包括零部件和總成的線性與非線性結(jié)構(gòu)、振動(dòng)、屈曲、疲勞壽命、動(dòng)力響應(yīng)分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)；水箱、風(fēng)扇等熱交換性能分析；進(jìn)排氣系統(tǒng)、車身空氣動(dòng)力學(xué)性能分析；沖壓、鍛造、鑄造等工藝過程仿真和工藝設(shè)備設(shè)計(jì)。CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)階段成功地解決了新車開發(fā)中的疲勞、壽命、振動(dòng)、噪聲等強(qiáng)度和剛度問題，使得設(shè)計(jì)質(zhì)量大幅度提高。其廣泛應(yīng)用可以幫助企業(yè)建立真正的產(chǎn)品開發(fā)能力，打造汽車車身造型、設(shè)計(jì)、制造一體化的技術(shù)平臺(tái)。本文就吉利汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)的三個(gè)階段分別介紹CAE技術(shù)在其中發(fā)揮的作用。

概念設(shè)計(jì)階段

概念設(shè)計(jì)是汽車設(shè)計(jì)中最重要的階段，許多整車參數(shù)都在此階段確定。這些參數(shù)決定了整車結(jié)構(gòu)尺寸的詳細(xì)設(shè)計(jì)。由于整個(gè)系統(tǒng)的復(fù)雜性，僅依靠設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)無法準(zhǔn)確地給出這些數(shù)據(jù)。基于CAE技術(shù)及大量經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)數(shù)據(jù)的整車數(shù)字化仿真體系可以模擬整車在不同路況下的實(shí)際響應(yīng)，為各零部件的精確CAE分析提供載荷條件，從而進(jìn)行復(fù)雜的非線性動(dòng)力學(xué)分析、關(guān)鍵部件疲勞壽命分析、整車NVH分析。圖1為概念車身的氣動(dòng)外形分析圖，通過該分析來確定阻力、升力、尾流等外形參數(shù)與特征。

圖1   概念車身的氣動(dòng)外形分析

概念設(shè)計(jì)（圖2）階段確定整個(gè)汽車產(chǎn)品的目標(biāo)定位，確定整車、各大總成（例如車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、控制系統(tǒng)等）的性能參數(shù)（圖3 概念階段的虛擬樣機(jī)仿真分析，確定底盤參數(shù)及動(dòng)態(tài)性能），制定各大總成設(shè)計(jì)任務(wù)書，規(guī)定設(shè)計(jì)控制數(shù)據(jù)，完成可行性研究報(bào)告。僅依靠經(jīng)驗(yàn)和樣車試驗(yàn)，無法形成完整科學(xué)的設(shè)計(jì)控制指標(biāo)。使用CAE分析驅(qū)動(dòng)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方法,在詳細(xì)CAD設(shè)計(jì)過程之前介入對(duì)各種方案的粗略分析，定量地分配強(qiáng)度、剛度、質(zhì)量等設(shè)計(jì)控制指標(biāo)，并設(shè)置碰撞安全性目標(biāo)和NVH性能目標(biāo)，明確車輛動(dòng)態(tài)性能的目標(biāo)。概念設(shè)計(jì)階段決定了車輛整體結(jié)構(gòu)性能，要求設(shè)計(jì)者具有豐富的設(shè)計(jì)和制造工藝經(jīng)驗(yàn)。圖4為基于概念車身的關(guān)鍵點(diǎn)剛度設(shè)計(jì)，確定連接剛度、斷面形狀。

圖4   基于概念車身的關(guān)鍵點(diǎn)剛度設(shè)計(jì)

以CAE分析驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法較將CAE工作放在CAD設(shè)計(jì)之后的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法有以下優(yōu)勢(shì)：在設(shè)計(jì)初期基于簡(jiǎn)易的CAE模型可以進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的優(yōu)化；通過CAE分析中力的傳遞形式可以在設(shè)計(jì)初期確定適當(dāng)?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料以滿足性能要求，一旦在設(shè)計(jì)過程中主要的斷面尺寸和載荷路徑被確定，設(shè)計(jì)師就比較容易使用概念結(jié)構(gòu)的模板建立詳細(xì)的CAD模型，有助于縮短開發(fā)周期。

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的CAE技術(shù)具有傳統(tǒng)的應(yīng)用，支持產(chǎn)品設(shè)計(jì)，保證設(shè)計(jì)滿足強(qiáng)度、剛度、疲勞壽命、振動(dòng)噪聲要求和設(shè)計(jì)質(zhì)量控制目標(biāo)，達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的。這一階段的工作取決于汽車的性能目標(biāo)，關(guān)鍵在于建立完善的分析方法和評(píng)價(jià)策略，主要包括以下分析內(nèi)容：

1、碰撞分析的目的在于提高產(chǎn)品的被動(dòng)安全性能，通過正面、側(cè)面、后面、翻滾等各種實(shí)車安全性能方面的模擬分析，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品被動(dòng)安全性能方面的缺陷，提出改進(jìn)措施，確保產(chǎn)品及時(shí)通過國家規(guī)定的各種被動(dòng)安全性能方面的法規(guī)，避免產(chǎn)品投入市場(chǎng)后出現(xiàn)不良的反映及其帶來的各種嚴(yán)重后果。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動(dòng)安全性中需要解決的問題?？古鲎残阅苤苯佑绊懙疆a(chǎn)品最終能否投向市場(chǎng)。為了提高抗碰撞性能同時(shí)考慮到輕量化的要求，當(dāng)前汽車產(chǎn)品越來越多地使用超高強(qiáng)度鋼板和輕質(zhì)合金材料，如鋁、鎂合金。圖5為車身安全架構(gòu)，是車身上主要承載結(jié)構(gòu)。圖6表示在側(cè)碰過程中對(duì)B柱的變形要求。圖7為整車碰撞仿真。 #p#page_title#e#

2、NVH性能是評(píng)價(jià)車輛舒適性的重要指標(biāo)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場(chǎng)形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率特性，合理分布各子系統(tǒng)的振動(dòng)頻率和振型，以消除振動(dòng)過程中的耦合現(xiàn)象 ，從而改善產(chǎn)品的振動(dòng)特性，降低產(chǎn)品的噪音，提高產(chǎn)品的舒適性能。噪音、振動(dòng)分析包括動(dòng)力總成的剛體模態(tài)、點(diǎn)的傳遞函數(shù)、靜負(fù)荷強(qiáng)度及動(dòng)態(tài)響應(yīng)、BIW動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性，整車各子系統(tǒng)的剛度頻率匹配等。目前國內(nèi)在該方面的研究能力仍較薄弱，主要原因在于試驗(yàn)手段的缺乏和數(shù)據(jù)積累的不足，尚未形成系統(tǒng)的分析規(guī)范。自主品牌的汽車和國外知名品牌的汽車競(jìng)爭(zhēng)，NVH性能是關(guān)鍵的衡量指標(biāo)之一。圖8表示不同頻率下不同板件的聲學(xué)貢獻(xiàn)量。

3、在工程樣車試制之前，基于多柔體系統(tǒng)理論，解決汽車機(jī)械系統(tǒng)設(shè)計(jì)和動(dòng)態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計(jì)問題，將車輛作為一個(gè)完整的控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究，可以建立整車動(dòng)力學(xué)模型，并針對(duì)操縱穩(wěn)定性、平順性和制動(dòng)性等性能進(jìn)行虛擬試驗(yàn)場(chǎng)動(dòng)態(tài)仿真分析，并輸出標(biāo)志整車動(dòng)態(tài)性能的特征參數(shù)，制定優(yōu)化策略。它可讓設(shè)計(jì)人員掌握部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和整車性能的關(guān)系本質(zhì)規(guī)律，并對(duì)其性能進(jìn)行預(yù)測(cè)、可行性研究和優(yōu)化設(shè)計(jì)。車輛多體分析內(nèi)容包括懸架振動(dòng)、車輛操穩(wěn)性能和舒適性能等。圖9表示整車操縱性能仿真，圖10表示懸架系統(tǒng)分析。

4、流體分析在汽車工業(yè)中主要考慮車外流場(chǎng)對(duì)汽車的阻力和升力、車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)通風(fēng)口的設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)艙的散熱、制動(dòng)系統(tǒng)的散熱等，考察整車外形是否流暢，空調(diào)系統(tǒng)是否可以快速調(diào)節(jié)車內(nèi)所有地點(diǎn)溫度，發(fā)動(dòng)機(jī)艙和制動(dòng)片是否散熱良好等。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段就可以預(yù)測(cè)產(chǎn)品的空氣動(dòng)力學(xué)特性，確保產(chǎn)品制造出來后符合設(shè)計(jì)時(shí)的空氣動(dòng)力學(xué)的要求。通過流體動(dòng)力學(xué)分析驗(yàn)證和改進(jìn)流體及熱傳導(dǎo)對(duì)產(chǎn)品性能的影響。圖11是空氣濾清器的流體分析。

5、產(chǎn)品疲勞壽命是現(xiàn)代設(shè)計(jì)的一個(gè)重要指標(biāo)。它有助于提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度及疲勞耐久性方面的問題，對(duì)高應(yīng)力區(qū)域提供優(yōu)化解決方案。通過合理地分配結(jié)構(gòu)中的各種載荷，從而改善其疲勞耐久性能，提高產(chǎn)品的可靠性能。疲勞壽命設(shè)計(jì)需要了解產(chǎn)品的使用環(huán)境。疲勞耐久性分析包括懸掛組件強(qiáng)度、車門強(qiáng)度、引擎蓋強(qiáng)度、行李箱蓋強(qiáng)度等。隨著市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)的日趨激烈，產(chǎn)品的壽命成為樹立產(chǎn)品品牌形象的重要指標(biāo)。圖12是地板疲勞耐久性分析。

6、沖壓成形仿真有助于確定產(chǎn)品的可制造性，優(yōu)化沖壓方向，工藝補(bǔ)充，坯料估算和排樣。它可以在設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)產(chǎn)品沖壓成形中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷(如起皺、開裂等), 進(jìn)而對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化, 以消除成形缺陷。由于此時(shí)還處于產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段, 產(chǎn)品的修改代價(jià)最小。此部分成熟的應(yīng)用軟件有ETA公司的DYNAFORM 和LSTC公司的LS-DYNA。由于汽車車身上金屬覆蓋件占的比例最高，鈑金件的模具成本是整個(gè)制造過程中最大的成本之一。工藝過程仿真是降低廢品率壓縮生產(chǎn)成本的有效方法。圖13是板料成形厚度減薄圖。

工程樣車驗(yàn)證階段

在產(chǎn)品定型之前工程樣車可用來驗(yàn)證整車性能是否達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)，繼而進(jìn)一步制定整改方案。采用CAE技術(shù)有助于汽車輕量化及制造成本的控制，并大量減少整改次數(shù)，降低試驗(yàn)成本。通過標(biāo)定后的CAE模型可尋找影響特定性能的關(guān)鍵敏感因素，并針對(duì)具體問題提出切實(shí)有效的解決方案。圖14 為工程樣車的物理試驗(yàn)。

結(jié)論

目前，CAE技術(shù)在國外汽車工業(yè)中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛和成熟，在新車開發(fā)過程中發(fā)揮著越來越重要的作用。據(jù)統(tǒng)計(jì)，采用CAE技術(shù)可以使車身模具開發(fā)周期縮短近50%，大大加快了新車研發(fā)進(jìn)度。安全、環(huán)保、節(jié)能是當(dāng)代汽車設(shè)計(jì)的三大主題。我國新的汽車產(chǎn)業(yè)政策明確提出：鼓勵(lì)自主研發(fā)技術(shù)積累及新型節(jié)能環(huán)保汽車研發(fā)。這就需要汽車企業(yè)必須具備較強(qiáng)的自主研發(fā)能力。吉利汽車CAE技術(shù)的應(yīng)用面向整車開發(fā)的全過程，在汽車開發(fā)過程（概念設(shè)計(jì)-詳細(xì)設(shè)計(jì)-樣機(jī)驗(yàn)證-定型生產(chǎn)）中實(shí)現(xiàn)全過程、整車級(jí)虛擬樣機(jī)仿真，減少原型車試驗(yàn)次數(shù)，降低生產(chǎn)成本、縮短新車研發(fā)周期。隨著CAE應(yīng)用深度及廣度的提高，實(shí)現(xiàn)CAE工作的規(guī)范化和制度化是提升企業(yè)的技術(shù)能力和市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有力保證。 #p#page_title#e#