汽車開發(fā)和制造技術(shù)涵蓋了當代諸多基礎(chǔ)學科和技術(shù)前沿，如何實現(xiàn)汽車結(jié)構(gòu)和部件總成的正向設(shè)計與制造技術(shù)、縮短汽車開發(fā)周期、降低成本、減少汽車產(chǎn)品開發(fā)風險等因素直接體現(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)計制造周期，使重量、用料、結(jié)構(gòu)、成本達到最優(yōu)化。
CAE技術(shù)的應用范圍極其廣泛，包括零部件和總成的線性與非線性結(jié)構(gòu)、振動、屈曲、疲勞壽命、動力響應分析和優(yōu)化設(shè)計；水箱、風扇等熱交換性能分析；進排氣系統(tǒng)、車身空氣動力學性能分析；沖壓、鍛造、鑄造等工藝過程仿真和工藝設(shè)備設(shè)計。CAE技術(shù)在汽車設(shè)計階段成功地解決了新車開發(fā)中的疲勞、壽命、振動、噪聲等強度和剛度問題，使得設(shè)計質(zhì)量大幅度提高。其廣泛應用可以幫助企業(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、制造一體化的技術(shù)平臺。本文就吉利汽車產(chǎn)品設(shè)計的三個階段分別介紹CAE技術(shù)在其中發(fā)揮的作用。
概念設(shè)計階段
概念設(shè)計是汽車設(shè)計中最重要的階段，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)尺寸的詳細設(shè)計。由于整個系統(tǒng)的復雜性，僅依靠設(shè)計者的經(jīng)驗無法準確地給出這些數(shù)據(jù)?；?/SPAN>CAE技術(shù)及大量經(jīng)驗和試驗數(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際響應，為各零部件的精確CAE分析提供載荷條件，從而進行復雜的非線性動力學分析、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 概念車身的氣動外形分析
概念設(shè)計（圖2）階段確定整個汽車產(chǎn)品的目標定位，確定整車、各大總成（例如車身、發(fā)動機、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仿真分析，確定底盤參數(shù)及動態(tài)性能），制定各大總成設(shè)計任務書，規(guī)定設(shè)計控制數(shù)據(jù)，完成可行性研究報告。僅依靠經(jīng)驗和樣車試驗，無法形成完整科學的設(shè)計控制指標。使用CAE分析驅(qū)動車身結(jié)構(gòu)設(shè)計的方法,在詳細CAD設(shè)計過程之前介入對各種方案的粗略分析，定量地分配強度、剛度、質(zhì)量等設(shè)計控制指標，并設(shè)置碰撞安全性目標和NVH性能目標，明確車輛動態(tài)性能的目標。概念設(shè)計階段決定了車輛整體結(jié)構(gòu)性能，要求設(shè)計者具有豐富的設(shè)計和制造工藝經(jīng)驗。圖4為基于概念車身的關(guān)鍵點剛度設(shè)計，確定連接剛度、斷面形狀。
圖4 基于概念車身的關(guān)鍵點剛度設(shè)計
以CAE分析驅(qū)動的設(shè)計方法較將CAE工作放在CAD設(shè)計之后的傳統(tǒng)設(shè)計方法有以下優(yōu)勢：在設(shè)計初期基于簡易的CAE模型可以進行結(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)計初期確定適當?shù)慕Y(jié)構(gòu)材料以滿足性能要求，一旦在設(shè)計過程中主要的斷面尺寸和載荷路徑被確定，設(shè)計師就比較容易使用概念結(jié)構(gòu)的模板建立詳細的CAD模型，有助于縮短開發(fā)周期。
詳細設(shè)計階段
詳細設(shè)計階段的CAE技術(shù)具有傳統(tǒng)的應用，支持產(chǎn)品設(shè)計，保證設(shè)計滿足強度、剛度、疲勞壽命、振動噪聲要求和設(shè)計質(zhì)量控制目標，達到優(yōu)化設(shè)計的目的。這一階段的工作取決于汽車的性能目標，關(guān)鍵在于建立完善的分析方法和評價策略，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)品的被動安全性能，通過正面、側(cè)面、后面、翻滾等各種實車安全性能方面的模擬分析，在產(chǎn)品設(shè)計階段及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品被動安全性能方面的缺陷，提出改進措施，確保產(chǎn)品及時通過國家規(guī)定的各種被動安全性能方面的法規(guī)，避免產(chǎn)品投入市場后出現(xiàn)不良的反映及其帶來的各種嚴重后果。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動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。為了提高抗碰撞性能同時考慮到輕量化的要求，當前汽車產(chǎn)品越來越多地使用超高強度鋼板和輕質(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B柱的變形要求。圖7為整車碰撞仿真。
2、NVH性能是評價車輛舒適性的重要指標，直接關(guān)系到產(chǎn)品的市場形象。NVH分析有助于匹配產(chǎn)品結(jié)構(gòu)中各子系統(tǒng)的振動頻率特性，合理分布各子系統(tǒng)的振動頻率和振型，以消除振動過程中的耦合現(xiàn)象 ，從而改善產(chǎn)品的振動特性，降低產(chǎn)品的噪音，提高產(chǎn)品的舒適性能。噪音、振動分析包括動力總成的剛體模態(tài)、點的傳遞函數(shù)、靜負荷強度及動態(tài)響應、BIW動態(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爭，NVH性能是關(guān)鍵的衡量指標之一。圖8表示不同頻率下不同板件的聲學貢獻量。
3、在工程樣車試制之前，基于多柔體系統(tǒng)理論，解決汽車機械系統(tǒng)設(shè)計和動態(tài)性能的優(yōu)化設(shè)計問題，將車輛作為一個完整的控制系統(tǒng)進行分析研究，可以建立整車動力學模型，并針對操縱穩(wěn)定性、平順性和制動性等性能進行虛擬試驗場動態(tài)仿真分析，并輸出標志整車動態(tài)性能的特征參數(shù)，制定優(yōu)化策略。它可讓設(shè)計人員掌握部件結(jié)構(gòu)參數(shù)和整車性能的關(guān)系本質(zhì)規(guī)律，并對其性能進行預測、可行性研究和優(yōu)化設(shè)計。車輛多體分析內(nèi)容包括懸架振動、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對汽車的阻力和升力、車內(nèi)空調(diào)系統(tǒng)通風口的設(shè)計、發(fā)動機艙的散熱、制動系統(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)所有地點溫度，發(fā)動機艙和制動片是否散熱良好等。在產(chǎn)品設(shè)計階段就可以預測產(chǎn)品的空氣動力學特性，確保產(chǎn)品制造出來后符合設(shè)計時的空氣動力學的要求。通過流體動力學分析驗證和改進流體及熱傳導對產(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)計的一個重要指標。它有助于提早發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的強度及疲勞耐久性方面的問題，對高應力區(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度、車門強度、引擎蓋強度、行李箱蓋強度等。隨著市場競爭的日趨激烈，產(chǎn)品的壽命成為樹立產(chǎn)品品牌形象的重要指標。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，工藝補充，坯料估算和排樣。它可以在設(shè)計階段預測產(chǎn)品沖壓成形中可能出現(xiàn)的質(zhì)量缺陷(如起皺、開裂等), 進而對產(chǎn)品設(shè)計進行優(yōu)化, 以消除成形缺陷。由于此時還處于產(chǎn)品設(shè)計階段, 產(chǎn)品的修改代價最小。此部分成熟的應用軟件有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。
工程樣車驗證階段
在產(chǎn)品定型之前工程樣車可用來驗證整車性能是否達到設(shè)計目標，繼而進一步制定整改方案。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)，降低試驗成本。通過標定后的CAE模型可尋找影響特定性能的關(guān)鍵敏感因素，并針對具體問題提出切實有效的解決方案。圖14 為工程樣車的物理試驗。
結(jié)論
目前，CAE技術(shù)在國外汽車工業(yè)中的應用已經(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，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)進度。安全、環(huán)保、節(jié)能是當代汽車設(shè)計的三大主題。我國新的汽車產(chǎn)業(yè)政策明確提出：鼓勵自主研發(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)必須具備較強的自主研發(fā)能力。吉利汽車CAE技術(shù)的應用面向整車開發(fā)的全過程，在汽車開發(fā)過程（概念設(shè)計-詳細設(shè)計-樣機驗證-定型生產(chǎn)）中實現(xiàn)全過程、整車級虛擬樣機仿真，減少原型車試驗次數(shù)，降低生產(chǎn)成本、縮短新車研發(fā)周期。隨著CAE應用深度及廣度的提高，實現(xiàn)CAE工作的規(guī)范化和制度化是提升企業(yè)的技術(shù)能力和市場競爭力的有力保證。
