解析CAE在汽車產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域中的運(yùn)用

一、簡(jiǎn)述CAE應(yīng)用

CAE分析是利用虛擬分析方法對(duì)結(jié)構(gòu)(場(chǎng))的性能進(jìn)行模擬(仿真),猜測(cè)結(jié)構(gòu)(場(chǎng))的性能,優(yōu)化結(jié)構(gòu)(場(chǎng))的設(shè)計(jì),為產(chǎn)品研發(fā)提供指南,為解決實(shí)際工程題目提供依據(jù)。

有限元分析(FEA)是以計(jì)算機(jī)為工具的數(shù)值計(jì)算分析方法。有限元分析是CAE的重要組成部分,CAE的應(yīng)用首先是從有限元分析開始的。1965年,美國(guó)的大型通用有限元分析程序MSC.NASTRAN首先應(yīng)用于航空航天。1975年,國(guó)內(nèi)開始舉辦有限元學(xué)習(xí)班。1980年,美國(guó)的有限元結(jié)構(gòu)分析程序SAP5引進(jìn)我國(guó),有限元分析開始在我國(guó)推廣,逐漸成為產(chǎn)品研發(fā)的重要工具。有限元分析在優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量、減少試驗(yàn)樣品、縮短產(chǎn)品研發(fā)周期、降低產(chǎn)品本錢等方面發(fā)揮了巨大作用,取得了明顯的經(jīng)濟(jì)效益。

有限元分析應(yīng)用的發(fā)展與計(jì)算機(jī)軟件和硬件的發(fā)展密切相關(guān)。在有限元分析應(yīng)用的初期,有限元分析程序沒有前、后處理的功能,后來有限元分析有了前、后處理,其功能也在不斷完善。在有限元分析沒有前、后處理功能的情況下,有限元分析模型的建立和計(jì)算結(jié)果的整理都是由人工完成的。

從1995年開始,國(guó)際上先進(jìn)的三維計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)軟件(UG,PRO/E等) ,和具有前、后處理功能的大型通用有限元分析程序( MSC.NASTRAN ,ANSYS 等)先后引進(jìn)我國(guó),設(shè)計(jì)職員實(shí)現(xiàn)了從二維制圖到三維設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。有限元分析職員可以在結(jié)構(gòu)件的三維實(shí)體幾何圖形上比較方便地用前處理劃分網(wǎng)格,建立有限元模型,在計(jì)算機(jī)求解完成后用后處理顯示計(jì)算結(jié)果,計(jì)算結(jié)果的可視化(動(dòng)畫顯示)使計(jì)算結(jié)果一目了然。有限元分析和前、后處理功能不斷發(fā)展和完善,越來越自動(dòng)化和智能化,有限元分析計(jì)算結(jié)果的精度也在不斷進(jìn)步。

以前計(jì)算機(jī)硬件落后、資源有限,有限元分析只好采用超單元和子結(jié)構(gòu)的方法對(duì)大題目進(jìn)行分析。由于計(jì)算機(jī)的硬件在不斷更新?lián)Q代,以前的計(jì)算機(jī)已被淘汰,有限元分析已開始廣泛使用新的高檔微機(jī)、工作站、服務(wù)器或巨型機(jī)?，F(xiàn)在,有限元分析已經(jīng)很少采用超單元和子結(jié)構(gòu)的分析方法,而是經(jīng)常采用一個(gè)模型多用的方法,對(duì)有幾十萬個(gè)結(jié)點(diǎn)規(guī)模的題目進(jìn)行分析已經(jīng)是輕而易舉的事情。

在有限元分析廣泛應(yīng)用的同時(shí),各廠礦企業(yè)、高等院校和科研單位等有關(guān)部分也開展了C4P(CAD/CAE/CAPP/CAM/PDM)的工作,建立了計(jì)算機(jī)集成制造系統(tǒng)(CIMS)。國(guó)際上先進(jìn)的多剛體動(dòng)力學(xué)分析軟件ADAMS、空氣動(dòng)力學(xué)(CFD)分析軟件FLUENT、用于碰撞分析的LS-DYNA軟件、用于振動(dòng)噪聲(NVH)分析的LMS軟件、用于系統(tǒng)過程集成及優(yōu)化分析的軟件OPTIMUS等也在我國(guó)逐漸廣泛應(yīng)用起來。產(chǎn)品研發(fā)實(shí)現(xiàn)了從經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)到計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)變。人們實(shí)現(xiàn)了多年的夢(mèng)想,CAE與CAD同步,CAE指導(dǎo)CAD,CAE為CAD提供依據(jù)?，F(xiàn)在,CAE已廣泛用于航空航天、電子電器、機(jī)械制造、材料工程、汽車、鐵道、造船、水力、土木工程、醫(yī)療器械、石油化工、核能、鋼鐵冶金、電力、地礦、一般產(chǎn)業(yè)、日常生活用品、教學(xué)和科研等各個(gè)領(lǐng)域。

二、CAE在汽車產(chǎn)品研發(fā)領(lǐng)域中的應(yīng)用

在汽車產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)過程中,CAE分析可以對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度、剛度、車輛的振動(dòng)噪聲(NVH)、舒適性(平順性)、耐久性、多剛體動(dòng)力學(xué)、碰撞、乘員的安全性,以及動(dòng)力總成(發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱)的性能等方面進(jìn)行模擬(仿真)分析、猜測(cè)結(jié)構(gòu)(場(chǎng))的性能、判定設(shè)計(jì)的公道性、優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。此外,用CAE還可以對(duì)沖壓成型、鑄造和鑄造的工藝過程進(jìn)行模擬分析,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),解決產(chǎn)品質(zhì)量題目。

由于汽車在批量生產(chǎn)以后改進(jìn)設(shè)計(jì)的本錢明顯地高于汽車在研發(fā)初期改進(jìn)設(shè)計(jì)的本錢,CAE的模擬分析主要應(yīng)用在工藝設(shè)備、模具和樣車制造之前,也就是從汽車產(chǎn)品研發(fā)初期就開始用CAE進(jìn)行模擬分析,及時(shí)發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)中的隱患,優(yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),進(jìn)步產(chǎn)品質(zhì)量,使汽車滿足國(guó)家的法規(guī)和用戶的需求。通過CAE 的優(yōu)化分析,有關(guān)部分可以只對(duì)一種較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案進(jìn)行試制和試驗(yàn),減少試制用度,縮短新產(chǎn)品的研發(fā)周期,使新產(chǎn)品早日投進(jìn)市場(chǎng),增強(qiáng)企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。在汽車產(chǎn)品批量生產(chǎn)以后,CAE分析主要用于解決汽車在使用過程中發(fā)生的質(zhì)量題目。CAE、CAD和試驗(yàn)分析相結(jié)合,明顯地進(jìn)步了汽車產(chǎn)品研發(fā)的水平。盡管現(xiàn)在車輛的道路試驗(yàn)和用戶使用仍然是評(píng)價(jià)車輛性能唯一有效的途徑,但是CAE的終極目標(biāo)是用虛擬樣車的分析完全代替車輛試驗(yàn)。固然目前還沒有實(shí)現(xiàn),但這是努力的方向。

三、CAE分析能力的形成

a. 實(shí)現(xiàn)三維CAD,根據(jù)要分析的題目選擇合適的CAE分析軟件;

b. CAE和CAD數(shù)據(jù)傳遞一體化, 實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)和分析同步;

c. 形成設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)和試驗(yàn)規(guī)范;

d. 通過CAE分析的典型算例與試驗(yàn)結(jié)果的比較,形成CAE分析指南;

e. 建立數(shù)據(jù)庫(kù);

f. 培養(yǎng)一定數(shù)目的CAE分析職員;

g. 將常規(guī)的CAE分析項(xiàng)目納進(jìn)產(chǎn)品研發(fā)程序,將CAE分析報(bào)告作為鑒定新產(chǎn)品研發(fā)成果的依據(jù)。

4.CAE分析時(shí)應(yīng)留意的題目

a. 將實(shí)際工程題目轉(zhuǎn)化為力學(xué)題目要正確。

b. 分析對(duì)象的選取、載荷工況和施加載荷的確定、邊界條件(位移約束條件)的確定、結(jié)構(gòu)的剛度和質(zhì)量、載荷傳遞路徑和應(yīng)力集中等題目的處理是CAE 分析的關(guān)鍵。

c. CAE模型的建立是在對(duì)分析對(duì)象進(jìn)行力學(xué)定性分析之后進(jìn)行的。

d. 在解決實(shí)際工程題目時(shí)要區(qū)分靜強(qiáng)度破壞、疲憊破壞和振動(dòng)耦合破壞。由于結(jié)構(gòu)破壞的原因不同,解決題目的方法也不同。

e. 在分析汽車結(jié)構(gòu)件疲憊題目時(shí),不能用材料的應(yīng)力(S)-疲憊壽命(N)曲線,必須用結(jié)構(gòu)件的載荷(P)-疲憊壽命(N)曲線。

f. 在一般情況下,建立的有限元模型與分析目的有關(guān)。根據(jù)分析目的建立的專用有限元模型不宜提供分析目的以外的正確信息,建議在提出分析目的時(shí)要一次性說明。很多公司和企業(yè)有時(shí)也采用一個(gè)有限元模型多用的方法,這要根據(jù)具體情況靈活把握。

g. 應(yīng)熟悉到建立CAE分析指南對(duì)CAE分析的重要性。在建立CAE分析指南之后,就可以減少試驗(yàn)分析的次數(shù)。 在沒有CAE分析指南的情況下,千萬不要以為有了初步計(jì)算結(jié)果后CAE分析就是正確的。應(yīng)該熟悉到CAE分析模型的正確性和計(jì)算結(jié)果的公道性必須用力學(xué)分析(理論)、分析經(jīng)驗(yàn)、試驗(yàn)分析和實(shí)際使用情況進(jìn)行判定。

h. CAE 分析的主要目的是優(yōu)化設(shè)計(jì)、通過多方案比較和設(shè)計(jì)優(yōu)化分析選擇較優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。在一般情況下,不用CAE的計(jì)算結(jié)果評(píng)價(jià)結(jié)構(gòu)“行”還是“不行”。

i. 關(guān)于試驗(yàn)驗(yàn)證題目,應(yīng)熟悉到試驗(yàn)分析和CAE分析都存在誤差,二者是互相驗(yàn)證的關(guān)系。試驗(yàn)分析的結(jié)果和CAE分析的結(jié)果(至少在規(guī)律方面)應(yīng)該基本相同,不能有明顯差異,數(shù)值誤差應(yīng)在答應(yīng)的范圍之內(nèi)。

五、如何提高CAE的應(yīng)用水平

如何做好CAE分析,也就是如何用CAE分析的結(jié)果指導(dǎo)產(chǎn)品研發(fā)(設(shè)計(jì)),這是極為重要的。

關(guān)于CAE分析,表明上看起來簡(jiǎn)單,事實(shí)上是有很大科技含量的一項(xiàng)辛勞工作。在一些情況下,找出分析對(duì)象的載荷和邊界條件是非常困難的,要對(duì)分析對(duì)象的使用情況進(jìn)行仔細(xì)的觀察和分析,最后還要對(duì)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析和確認(rèn),不是像有人說的那樣做CAE分析很輕易,所謂一按電鈕,計(jì)算結(jié)果就出來了?？磩e人CAE分析輕易,自己做起來就不一定輕易。CAE分析進(jìn)門輕易,但做好分析就不輕易了。國(guó)內(nèi)外的很多實(shí)例表明,CAE分析職員責(zé)任重大,做好CAE分析就能給公司和企業(yè)帶來輝煌,做不好CAE分析就會(huì)誤導(dǎo)設(shè)計(jì),給公司和企業(yè)帶來損失。

學(xué)好CAE分析,60%在于理論,40%在于經(jīng)驗(yàn)。建議CAE分析職員努力學(xué)習(xí)力學(xué)和有關(guān)專業(yè)的基本理論,在工作中對(duì)CAE分析產(chǎn)生愛好和激情,在思考中產(chǎn)生靈感和聰明,在分析題目時(shí)積極動(dòng)腦筋,對(duì)每個(gè)數(shù)據(jù)認(rèn)真負(fù)責(zé)。從學(xué)習(xí)到理解、從升華到創(chuàng)新,將日積月累的分析技巧和經(jīng)驗(yàn)理性化、規(guī)范化,用來指導(dǎo)以后的工作。發(fā)揮設(shè)計(jì)部分、分析部分和試驗(yàn)部分的團(tuán)隊(duì)精神,不斷研究設(shè)計(jì)方法、進(jìn)步CAE分析和試驗(yàn)分析的綜合應(yīng)用能力。