cae技术在汽车产品设计制造中的应用

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1、CAE技术在汽车产品设计制造中的应用柴山，焦学健，王树凤（山东理工大学交通与车辆工程学院，山东济南255049）摘要：介绍了CAE的概念及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、整车系统性能仿真、汽车结构优化设计和汽车运动学、动力学仿真六个方面讲述了CAE技术在汽车产品设计制造中的应用。关键词：CAE；汽车设计制造；仿真1在设计前期引入CAE技术的意义在激烈的市场竞争的压力下，产品的生命周期越来越短，产品从概念设计到出成品的时间越来越短，设计后期发现

2、的任何设计缺陷都可能推迟新产品的适时推出，并可能大幅度提高产品的成本，因此越来越多的企业已经意识到在设计前期发现并修改设计缺陷的重要性。580%075%1产品定义产品开发工艺规划制造检验应用0图1修改设计的成本图2产品形成过程在质量上的重要性图1表示了在产品形成的不同过程中修改设计的成本，从图中可见，若在详细设计阶段发现错误并进行修改的成本是x，则在生产阶段发现错误并进行修改的成本将是100x。图2表示的是产品形成过程中质量的重要性，从图中可见，75%的错误发生在设计阶段，而这些错误的80%是在制造阶段发现并改正的，这一发现错误、改正错误的滞后，就带来了生产成本的巨大增加。因此需要尽

3、早发现错误，尽快修正错误，越晚修正错误，其造成的影响越大产品设计（CAD）产品制造（CAM）发现设计缺陷不采用CAE技术的产品设计、制造流程产品设计产品分析产品制造（CAD）（CAE）（CAM）发现设计缺陷154采用CAE技术的产品设计、制造流程图3设计、制造流程对比采用什么样的技术和方法可以实现尽早发现错误，尽快修正错误的目标呢？CAE技术就为实现这一目标提供了一种强有力的技术上的保证。图3表示了采用CAE技术与不采用CAE技术的设计、制造流程对比情况。CAE技术的价值就在于可以在产品设计初期，即图纸设计阶段，通过建立基本的计算机分析模型，对所设计的产品进行强度、寿命分析，运动学、

4、动力学仿真，以得到所设计产品的各种性能，从而指导产品设计，有效地提高设计产品的可靠性，缩短设计周期。如在汽车产品的设计中采用CAE技术，在汽车概念设计的同时，进行静态、动态分析，平顺性、操纵稳定性仿真，在设计阶段即可发现设计中存在的缺陷、错误，及时地改进这些缺陷和错误，可以大大地减少了样车的制作和试验时间。2计算机辅助工程CAE(ComputerAidedEngineering)简介CAE技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。CAE软件是由计算力学、计算数学、结构动力学、数字仿真技术、工程管理学与计算机技术相结合而形成的一种综合性、知识密集型产品，CAE的理论基础是有限

5、元理论和数值计算方法，核心技术为有限元技术与虚拟样机的运动/动力学仿真技术。CAE是一个很广的概念，可以包括工程和制造业信息化的所有方面，传统的CAE主要是指用计算机对工程和产品的运行性能与安全可靠性分析，对其未来的工作状态和运行状态进行模拟、及早地发现设计计算中的缺陷，并证实未来工程、产品功能和性能的可用性和可靠性。CAE主要包括以下方面：①工程数值分析运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量，给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析。分析内容包括：静力分析：线性静力分析非线性静力分析材料非线性（弹塑

6、性）几何非线性（大变形）状态非线性（接触）动力分析：稳态动力分析特征值(固有频率)分析谐响应分析瞬态动力分析谱分析②结构优化设计运用优化设计的方法在满足设计、制造、使用的约束条件下，对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计，使产品结构性能、工艺过程达到最优。结构优化的几个层次：•截面优化（只改变结构的截面尺寸）•几何优化（改变结构节点的几何尺寸）155•拓扑优化（改变结构节点间的拓扑关系）•结构类型优化（改变结构的类型）③运动学/动力学仿真运用运动/动力学的理论、方法，对由CAD实体造型设计出动的机构、整机进行运动/动力学仿真，给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力

7、的大小等。3CAE在汽车产品设计制造中的应用3.1汽车结构强度分析汽车结构强度是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对汽车的结构进行数值计算。由于汽车是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要的部件或总成（例如车架、悬架、传动系等）。进行分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。通过静力分析可以得到结构的应力、位移分布情况，通过