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CAE在汽车开发中的应用与实施
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一、引言
CAE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。
本文主要介绍CAE在汽车产品开发中的应用及具体实施，并对CAE与CAD、CAPP、CAM和优化技术的关系加以探讨。
二、CAE在汽车产品开发中的应用
CAE在汽车产品开发中的应用范围非常广泛。这里就几个主要方面的应用加以介绍。
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。另外，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。另外，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。有限元法提供了解决这一问题的根本途径。
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的具体实施和软件介绍
CAE作为一种分析手段，即可单独实施，又可与其他CAX一起使用。譬如有限元分析软件，一般都提供了相应的前、后处理模块，即可单独使用，又可与CAD软件集成使用。下面对有限元分析和机械动力学仿真的实施过程和软件作一简单介绍。
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。

（图片）

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

（图片）

图2CAE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，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。有限元软件根据CAD软件生成的几何模型和机械动力学软件计算得到的结点力完成应力、应变和模态分析并输出分析结果。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。
再举一个汽车变速器CAD/CAM系统的实例。该系统由CAD几何建模、参数优化设计、有限元分析、CAPP/CAM组成。CAD软件采用Pro/E，由它完成几何建模并生成模型特征文件。参数优化设计模块读入模型特征文件，对变速器的结构参数和性能参数进行优化。优化过程中，调用有限元软件ANSYS计算零件的强度和刚度。优化后的模型返回到Pro/E，并由它完成CAPP/CAM任务。
10/23/2004

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