CAE在汽车开发制造中的应用

时间:2009-01-30   来源:吉利汽车研究院有限公司   网友评论:0   人气: 361 作者: 徐志刚

近年来,愈发严格的汽车安全和环保法规对于汽车OEM厂商在时间和成本方面提出了更高的要求,在汽车开发过程中全面引入计算机辅助工程技术,实现全过程、整车级虚拟样机仿真达到了减少原型车试验次数、降低生产成本、缩短新车研发周期的目标。

汽车开发和制造技术涵盖了当代诸多基础学科和技术前沿,如何实现汽车结构和部件总成的正向设计与制造技术、缩短汽车开发周期、降低成本、减少汽车产品开发风险等因素直接体现了企业的自主创新能力。CAE技术可以极大地缩短设计制造周期,使重量、用料、结构、成本达到最优化。

CAE技术的应用范围极其广泛,包括零部件和总成的线性与非线性结构、振动、屈曲、疲劳寿命、动力响应分析和优化设计;水箱、风扇等热交换性能分析;进排气系统、车身空气动力学性能分析;冲压、锻造、铸造等工艺过程仿真和工艺设备设计。CAE技术在汽车设计阶段成功地解决了新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题,使得设计质量大幅度提高。其广泛应用可以帮助企业建立真正的产品开发能力,打造汽车车身造型、设计、制造一体化的技术平台。本文就吉利汽车产品设计的三个阶段分别介绍CAE技术在其中发挥的作用。

概念设计阶段

概念设计是汽车设计中最重要的阶段,许多整车参数都在此阶段确定。这些参数决定了整车结构尺寸的详细设计。由于整个系统的复杂性,仅依靠设计者的经验无法准确地给出这些数据。基于CAE技术及大量经验和试验数据的整车数字化仿真体系可以模拟整车在不同路况下的实际响应,为各零部件的精确CAE分析提供载荷条件,从而进行复杂的非线性动力学分析、关键部件疲劳寿命分析、整车NVH分析。图1为概念车身的气动外形分析图,通过该分析来确定阻力、升力、尾流等外形参数与特征。

图1   概念车身的气动外形分析

概念设计(图2)阶段确定整个汽车产品的目标定位,确定整车、各大总成(例如车身、发动机、底盘、控制系统等)的性能参数(图3 概念阶段的虚拟样机仿真分析,确定底盘参数及动态性能),制定各大总成设计任务书,规定设计控制数据,完成可行性研究报告。仅依靠经验和样车试验,无法形成完整科学的设计控制指标。使用CAE分析驱动车身结构设计的方法,在详细CAD设计过程之前介入对各种方案的粗略分析,定量地分配强度、刚度、质量等设计控制指标,并设置碰撞安全性目标和NVH性能目标,明确车辆动态性能的目标。概念设计阶段决定了车辆整体结构性能,要求设计者具有丰富的设计和制造工艺经验。图4为基于概念车身的关键点刚度设计,确定连接刚度、断面形状。

 





图4   基于概念车身的关键点刚度设计

以CAE分析驱动的设计方法较将CAE工作放在CAD设计之后的传统设计方法有以下优势:在设计初期基于简易的CAE模型可以进行结构性能的优化;通过CAE分析中力的传递形式可以在设计初期确定适当的结构材料以满足性能要求,一旦在设计过程中主要的断面尺寸和载荷路径被确定,设计师就比较容易使用概念结构的模板建立详细的CAD模型,有助于缩短开发周期。

详细设计阶段

详细设计阶段的CAE技术具有传统的应用,支持产品设计,保证设计满足强度、刚度、疲劳寿命、振动噪声要求和设计质量控制目标,达到优化设计的目的。这一阶段的工作取决于汽车的性能目标,关键在于建立完善的分析方法和评价策略,主要包括以下分析内容:

1、碰撞分析的目的在于提高产品的被动安全性能,通过正面、侧面、后面、翻滚等各种实车安全性能方面的模拟分析,在产品设计阶段及时发现产品被动安全性能方面的缺陷,提出改进措施,确保产品及时通过国家规定的各种被动安全性能方面的法规,避免产品投入市场后出现不良的反映及其带来的各种严重后果。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。抗碰撞性能直接影响到产品最终能否投向市场。为了提高抗碰撞性能同时考虑到轻量化的要求,当前汽车产品越来越多地使用超高强度钢板和轻质合金材料,如铝、镁合金。图5为车身安全架构,是车身上主要承载结构。图6表示在侧碰过程中对B柱的变形要求。图7为整车碰撞仿真。


 

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