汽車開發(fā)中CAE技術(shù)主要應(yīng)用方向

汽車的操縱穩(wěn)定性是指汽車的可控性能,表現(xiàn)在轉(zhuǎn)彎行駛時跟蹤車道的穩(wěn)定性,改變行駛車道時的靈敏性,直線行駛時的方向保持性,制動時的方向穩(wěn)定性,以及泊車時的靈敏性和輕便性。操縱穩(wěn)定性與整車的質(zhì)量分布,前后懸架結(jié)構(gòu)、彈性及阻尼參數(shù),輪胎結(jié)構(gòu)及轉(zhuǎn)向系統(tǒng)形式及布置,以及制動系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù)有密切關(guān)系。應(yīng)用多體系統(tǒng)動力學(xué)分析軟件(MBS)建立整車模型,計算不同使用工況下的系統(tǒng)響應(yīng)特性評價指標(biāo),并應(yīng)用多目標(biāo)參數(shù)優(yōu)化方法,確定各自系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計參數(shù),是動力學(xué)計算仿真的主要內(nèi)容。國際通用的軟件為ADAMS及CarSim。

NVH 是噪聲、振動和舒適性的縮寫(Noise, Vibration and Harshness)。根據(jù)振動頻率的不同,可以將NVH性能研發(fā)劃分為低頻振動和高頻噪聲。25Hz以下的為低頻振動,其中低于5Hz的簧載質(zhì)量的剛體振動屬于傳統(tǒng)的乘坐舒適性研發(fā)范疇,要求振動頻率避開人體器官的自然頻率,一般將其設(shè)計在人體行走時的振動頻率;5~25Hz范圍內(nèi)的振動主要是指底盤零部件、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及發(fā)動機(jī)剛體的振動。25Hz以上的振動及噪聲,要解決的是車身的局部共振,制動器制動時產(chǎn)生的不穩(wěn)定噪音,以及整車在路面(Road Noise)、傳動系(Powertrain Noise),及高速駕駛時的風(fēng)流 (Wind Noise)激勵下的共振現(xiàn)象,從而避免激勵起乘員空腔的聲學(xué)模態(tài)。

疲勞耐久性能是指汽車在正常的使用條件下,各主要結(jié)構(gòu)部件在功能失效前所經(jīng)歷的時間,評價指標(biāo)為失效時的行駛里程數(shù)。傳統(tǒng)的試驗方法是駕駛樣車在試車場代表用戶使用環(huán)境的典型路段上循環(huán)行駛,記錄樣車主要結(jié)構(gòu)部件失效時的行駛里程。為了縮短開發(fā)時間,目前各大主機(jī)廠普遍采用的方法是加速疲勞設(shè)計驗證方法(Accelerated Damage Road Test)。在試車場建設(shè)加速疲勞破壞環(huán)路,樣車制造出來后,在疲勞耐久環(huán)路上采集載荷路譜,將所采集載荷在實驗室再現(xiàn),由大功率液壓系統(tǒng)驅(qū)動做功器,對樣車進(jìn)行晝夜循環(huán)試驗。各大主機(jī)廠都有自己的加速疲勞試驗循環(huán)次數(shù)標(biāo)準(zhǔn),一定的循環(huán)次數(shù)對應(yīng)一定的使用里程。在實驗室的循環(huán)試驗,稱之為道路模擬試驗(Road Test Simulation)。

目前采用的CAE方法是利用所采集的載荷,計算車身及關(guān)鍵部件連接處載荷的時間歷程,用有限元方法(FEM)計算單位載荷作用下的應(yīng)力應(yīng)變,結(jié)合材料的疲勞破壞試驗曲線,計算車身及其他關(guān)鍵部件的疲勞壽命,從而減少道路模擬試驗。

碰撞安全性是指汽車發(fā)生碰撞,結(jié)構(gòu)發(fā)生塑性變形后,能夠保持乘員具有足夠的安全空間,同時碰撞能量在車體前端得到最大吸收,從而使傳遞給乘員約束系統(tǒng)的能量減少到最低;車內(nèi)乘員約束系統(tǒng)能夠有效約束乘員的運(yùn)動,避免乘員被拋出車外,以及不與內(nèi)飾件發(fā)生二次碰撞。

整車結(jié)構(gòu)碰撞由以LSDYNA為代表的顯式有限元軟件來模擬,碰撞的邊界條件設(shè)定為國家及其他非官方認(rèn)證測試機(jī)構(gòu)在進(jìn)行整車碰撞測試時的碰撞形式及車速,計算結(jié)構(gòu)的碰撞變形及碰撞減速度。乘員約束系統(tǒng)仿真以結(jié)構(gòu)碰撞得到的減速度波形為輸入,建立碰撞假人的多體系統(tǒng)動力學(xué)模型,計算假人在安全帶、安全氣囊的約束下,頭部胸部及大腿等處的傷害值,優(yōu)化約束系統(tǒng)的設(shè)計參數(shù),使得乘員的傷害最低。乘員約束仿真的通用軟件為MADYMO。車輛與行人的碰撞也越來越受到官方認(rèn)證機(jī)構(gòu)的重視,這方面的法規(guī)正在完善,開展車輛與行人的碰撞仿真模擬,以使產(chǎn)品具有良好的行人保護(hù)性能,越來越受到各大主機(jī)廠的重視。

流場分析是基于計算流體力學(xué)(CFD)的分析方法。在汽車開發(fā)過程中的應(yīng)用主要集中在汽車外流分析,以得到較低的空氣阻力系數(shù);發(fā)動機(jī)艙的流場分析,使得發(fā)動機(jī)艙有暢通的流場分布,將發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的熱量高效地帶出發(fā)動機(jī)艙,使得周圍部件及駕駛室不至于過熱;車內(nèi)乘員空間的冷熱舒適及除霜除霧分析;發(fā)動機(jī)燃燒及排放分析;以及發(fā)動機(jī)進(jìn)排氣及水套流場分析。