隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，自20世紀(jì)60年代末CAE技術(shù)開始在汽車研發(fā)領(lǐng)域應(yīng)用以來，目前CAE技術(shù)已經(jīng)在汽車研發(fā)、產(chǎn)品開發(fā)過程中得到了廣泛而深入的應(yīng)用，并已成為世界各大汽車主機(jī)廠及零部件供應(yīng)商在激烈競(jìng)爭(zhēng)的市場(chǎng)環(huán)境中保持產(chǎn)品領(lǐng)先地位的重要手段。
回顧汽車研發(fā)技術(shù)的發(fā)展，從汽車誕生開始，隨著技術(shù)的進(jìn)步，汽車研發(fā)經(jīng)歷了由道路試驗(yàn)驗(yàn)證、實(shí)驗(yàn)室試驗(yàn)驗(yàn)證，到今天主要以CAE作為研發(fā)工具、以試驗(yàn)為輔的發(fā)展道路。
在這個(gè)發(fā)展過程中，CAE技術(shù)的應(yīng)用已可以部分甚至完全取代實(shí)物試驗(yàn)，并由此減少了大量零部件及整車實(shí)物的制造，降低了開發(fā)成本，縮短了從概念到市場(chǎng)的開發(fā)時(shí)間，同時(shí)，它還突破了試驗(yàn)的局限性，可以模擬極限工況，優(yōu)化系統(tǒng)性能，從而提高產(chǎn)品質(zhì)量、降低整車質(zhì)量，并提高燃油經(jīng)濟(jì)性。
CAE技術(shù)的應(yīng)用熱點(diǎn)
目前，國(guó)內(nèi)外CAE技術(shù)的應(yīng)用都主要集中在幾個(gè)方面，但國(guó)內(nèi)應(yīng)用水平與國(guó)外相比仍有較大差距，不過近幾年發(fā)展速度也非?？?，在很多領(lǐng)域中已有突破性進(jìn)展。
以下主要介紹目前CAE技術(shù)的一些應(yīng)用熱點(diǎn)：
1. 動(dòng)力學(xué)操縱穩(wěn)定性
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(shí)跟蹤車道的穩(wěn)定性，改變行駛車道時(shí)的靈敏性，直線行駛時(shí)的方向保持性，制動(dòng)時(shí)的方向穩(wěn)定性，以及泊車時(shí)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(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)參數(shù)有密切關(guān)系。應(yīng)用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件（MBS）建立整車模型，計(jì)算不同使用工況下的系統(tǒng)響應(yīng)特性評(píng)價(jià)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(jì)參數(shù)，是動(dòng)力學(xué)計(jì)算仿真的主要內(nèi)容。國(guó)際通用的軟件為ADAMS及CarSim。
2. NVH性能
NVH 是噪聲、振動(dòng)和舒適性的縮寫(Noise, Vibration and Harshness)。根據(jù)振動(dòng)頻率的不同，可以將NVH性能研發(fā)劃分為低頻振動(dòng)和高頻噪聲。25Hz以下的為低頻振動(dòng)，其中低于5Hz的簧載質(zhì)量的剛體振動(dòng)屬于傳統(tǒng)的乘坐舒適性研發(fā)范疇，要求振動(dòng)頻率避開人體器官的自然頻率，一般將其設(shè)計(jì)在人體行走時(shí)的振動(dòng)頻率；5～25Hz范圍內(nèi)的振動(dòng)主要是指底盤零部件、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)及發(fā)動(dòng)機(jī)剛體的振動(dòng)。25Hz以上的振動(dòng)及噪聲，要解決的是車身的局部共振，制動(dòng)器制動(dòng)時(shí)產(chǎn)生的不穩(wěn)定噪音，以及整車在路面(Road Noise)、傳動(dòng)系（Powertrain Noise），及高速駕駛時(shí)的風(fēng)流 (Wind Noise)激勵(lì)下的共振現(xiàn)象，從而避免激勵(lì)起乘員空腔的聲學(xué)模態(tài)。
3. 疲勞耐久性能
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(shí)間，評(píng)價(jià)指標(biāo)為失效時(shí)的行駛里程數(shù)。傳統(tǒng)的試驗(yàn)方法是駕駛樣車在試車場(chǎng)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(shí)的行駛里程。為了縮短開發(fā)時(shí)間，目前各大主機(jī)廠普遍采用的方法是加速疲勞設(shè)計(jì)驗(yàn)證方法(Accelerated Damage Road Test)。在試車場(chǎng)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(shí)驗(yàn)室再現(xiàn)，由大功率液壓系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)做功器，對(duì)樣車進(jìn)行晝夜循環(huán)試驗(yàn)。各大主機(jī)廠都有自己的加速疲勞試驗(yàn)循環(huán)次數(shù)標(biāo)準(zhǔn)，一定的循環(huán)次數(shù)對(duì)應(yīng)一定的使用里程。在實(shí)驗(yàn)室的循環(huán)試驗(yàn)，稱之為道路模擬試驗(yàn)(Road Test Simulation)。
目前采用的CAE方法是利用所采集的載荷，計(jì)算車身及關(guān)鍵部件連接處載荷的時(shí)間歷程，用有限元方法（FEM）計(jì)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(yàn)曲線，計(jì)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(yàn)。
4. 碰撞安全性
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(shí)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(dòng)，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(guó)家及其他非官方認(rèn)證測(cè)試機(jī)構(gòu)在進(jìn)行整車碰撞測(cè)試時(shí)的碰撞形式及車速，計(jì)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(dòng)力學(xué)模型，計(jì)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(jì)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。
5. 流場(chǎng)分析及熱管理
流場(chǎng)分析是基于計(jì)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(dòng)機(jī)艙的流場(chǎng)分析，使得發(fā)動(dòng)機(jī)艙有暢通的流場(chǎng)分布，將發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的熱量高效地帶出發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)燃燒及排放分析；以及發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣及水套流場(chǎng)分析。
有待解決的問題
在以上CAE的主要應(yīng)用領(lǐng)域中，目前CAE技術(shù)尚有一些待進(jìn)一步研究解決的問題，主要有以下幾個(gè)方面：
1. 數(shù)據(jù)管理
在CAE分析過程中，大量的文本、圖表及動(dòng)畫數(shù)據(jù)產(chǎn)生，如何有效地管理這些數(shù)據(jù)，并使之能根據(jù)設(shè)計(jì)的改進(jìn)自動(dòng)更新是一個(gè)難題。這其實(shí)是一個(gè)如何將CAE模型及計(jì)算計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)庫(kù)與CAD數(shù)據(jù)庫(kù)有效鏈接起來的問題，目前尚沒有一個(gè)好的解決方案。
2. 過程自動(dòng)化
如何減少分析過程中工程人員的參與，把工程師從重復(fù)的模型構(gòu)建及任務(wù)提交中解放出來，使其將有效的時(shí)間利用在創(chuàng)新方法的研究及工程問題的分析，以及方案的制定上，是提高CAE應(yīng)用效率的關(guān)鍵。將程式化的流程自動(dòng)化是必經(jīng)之路。
3. 計(jì)算分析方法
以輪胎數(shù)學(xué)模型為例，其建立涉及到處理接觸、超彈性、多重材料、氣固耦合、摩擦和熱產(chǎn)生及傳導(dǎo)等問題，模型異常復(fù)雜。加之要將如此復(fù)雜的模型應(yīng)用到時(shí)域內(nèi)的動(dòng)力學(xué)仿真過程中，其困難不言而喻。這也正是制約通過虛擬道路模擬計(jì)算疲勞載荷，從而完全替代道路載荷測(cè)試，在樣車制造之前進(jìn)行疲勞壽命計(jì)算的關(guān)鍵所在。
同樣，精確模擬內(nèi)燃機(jī)噴霧燃燒過程，建立復(fù)雜的物理化學(xué)變化模型，也一直是制約CAE技術(shù)進(jìn)一步在內(nèi)燃機(jī)開發(fā)應(yīng)用的難題。
總之，汽車開發(fā)過程是一個(gè)多性能相互沖突調(diào)和的過程，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，在設(shè)計(jì)成本允許的設(shè)計(jì)空間實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的設(shè)計(jì)參數(shù)組合，是CAE技術(shù)的另一個(gè)難點(diǎn)。
結(jié)語
可以預(yù)言，隨著計(jì)算技術(shù)的發(fā)展，以及汽車主機(jī)廠在CAE分析驗(yàn)證方面經(jīng)驗(yàn)的不斷積累，CAE分析可以完全取代試驗(yàn)，使整個(gè)汽車研發(fā)在虛擬環(huán)境下完成成為可能。公開信息表明，Fiat公司為適應(yīng)市場(chǎng)對(duì)低油耗小型車的需要，在短短18個(gè)月的時(shí)間內(nèi)完成了新車Bravo從設(shè)計(jì)到批量生產(chǎn)的整個(gè)過程，其工程開發(fā)過程幾乎是在虛擬環(huán)境下由CAE完成的。我們期待著這一天的到來！
（轉(zhuǎn)載）
