一、引言

    CAE在汽車等機(jī)械產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)中應(yīng)用非常廣泛。如采用有限法（FEM）計(jì)算機(jī)械零件的應(yīng)力和變形進(jìn)行強(qiáng)度和剛度分析；采用多體動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行汽車整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真分析；采用有限元法進(jìn)行汽車碰撞分析；采用有限元法和邊界方法（BEM）分析汽車的噪聲等等�？梢哉f(shuō)，CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中所發(fā)揮的作用已經(jīng)無(wú)法被取代。
    CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程中的作用集中體現(xiàn)在三方面：
    1．CAE極大地縮短了產(chǎn)品的研制周期，在建模和分析過(guò)程中采用實(shí)體造型和參數(shù)化，模型和參數(shù)的修改都很方便，最終確定合理的結(jié)構(gòu)參數(shù)所需時(shí)間得到大幅度的縮短。
    2．減少了開(kāi)發(fā)費(fèi)用。相對(duì)于道路試驗(yàn)和室內(nèi)臺(tái)架試驗(yàn)而言，利用CAE分析汽車整車及零部件的各種性能所需要的費(fèi)用大幅減少。
    3．有利于通過(guò)優(yōu)化等手段開(kāi)發(fā)出性能更為優(yōu)越的汽車整車和零部件。譬如通過(guò)優(yōu)化車架和車身的結(jié)構(gòu)參數(shù)減輕整車重量；通過(guò)優(yōu)化行走系和轉(zhuǎn)向系的參數(shù)提高整車的操縱穩(wěn)定性和行駛平順性等。
    當(dāng)然，從實(shí)際應(yīng)用的角度來(lái)說(shuō)，汽車CAE作用的發(fā)揮還依賴于兩個(gè)重要前提。其一是對(duì)CAE技術(shù)的熟練掌握，另一個(gè)是要提供最基本的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)。這里所指的基本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，是指像輪胎特性數(shù)據(jù)、道路特性數(shù)據(jù)、各種材料的力學(xué)特性等。所謂相關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)是指企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)過(guò)程中不斷積累的、能夠提供結(jié)構(gòu)形式和主要參數(shù)（包括價(jià)格、外協(xié)情況等）的數(shù)據(jù)庫(kù)。除此之外，要更好地實(shí)施CAE并發(fā)揮其作用，必需與CAD/CAPP/CAM、優(yōu)化技術(shù)等結(jié)合起來(lái)加以綜合運(yùn)用。
    本文主要介紹CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用及具體實(shí)施，并對(duì)CAE與CAD、CAPP、CAM和優(yōu)化技術(shù)的關(guān)系加以探討。

    二、CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用

    CAE在汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)中的應(yīng)用范圍非常廣泛。這里就幾個(gè)主要方面的應(yīng)用加以介紹。
    1．結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度的分析
    有限元法在機(jī)械結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和剛度分析方面因具有較高的計(jì)算精度而到普遍采用，特別是在材料應(yīng)力應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。另外，當(dāng)考慮機(jī)械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時(shí)，像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。
    （1）車架和車身的強(qiáng)度和剛度分析
    車架和車身是汽車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)雜的部件，對(duì)于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。另外，就整個(gè)汽車而言，當(dāng)車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之降低，從而改善整車的動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性等性能。
    （2）齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析
    齒輪是汽車發(fā)動(dòng)機(jī)和傳動(dòng)系中普遍采用的傳動(dòng)零件。通過(guò)對(duì)齒輪齒根彎曲應(yīng)力和齒面接觸應(yīng)力的分析，優(yōu)化齒輪結(jié)構(gòu)參數(shù)，提高齒輪的承載載力和使用壽命。
    （3）發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析
    以發(fā)動(dòng)機(jī)的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣體的作用，還會(huì)產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。缸蓋開(kāi)裂事件時(shí)有發(fā)生。如果僅采用在開(kāi)裂處局部加強(qiáng)的辦法加以改進(jìn)，無(wú)法從根本上解決問(wèn)題。有限元法提供了解決這一問(wèn)題的根本途徑。
    2．汽車被動(dòng)安全性方面的應(yīng)用
    安全、環(huán)保和節(jié)能是汽車面臨的三大熱點(diǎn)問(wèn)題。如何提高車身的抗碰撞能力是汽車被動(dòng)安全性中需要解決的問(wèn)題之一。利用有限元法進(jìn)行汽車碰撞過(guò)程的模擬計(jì)算，涉及到大變形等非線性問(wèn)題，不同于一般的有限元分析。由于模擬計(jì)算可以節(jié)省昂貴的實(shí)車碰撞試驗(yàn)經(jīng)費(fèi)，且在設(shè)計(jì)階段模擬分析是唯一的分析手段，國(guó)內(nèi)、外汽車公司普遍采用這一方法。ANSYS軟件中的LSDYNA模塊常被用來(lái)進(jìn)行汽車碰撞過(guò)程的模擬分析。
    3．汽車動(dòng)力學(xué)仿真分析
    采用多體（剛體和柔體）動(dòng)力學(xué)分析方法進(jìn)行汽車動(dòng)力學(xué)仿真，可在研究階段預(yù)測(cè)整車的動(dòng)力學(xué)性能，對(duì)這些性能進(jìn)行優(yōu)化，以達(dá)到提高產(chǎn)品性能、縮短開(kāi)發(fā)時(shí)間、減少開(kāi)發(fā)費(fèi)用的目的。
    以整車的操縱穩(wěn)定性為例，由于影響因素涉及到輪胎、懸架、轉(zhuǎn)向等多個(gè)方面，簡(jiǎn)單的計(jì)算難以得到合理的結(jié)論，哪怕是定性的結(jié)論往往也不可靠。為此，已開(kāi)發(fā)出多種機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件。值得一提的是美國(guó)MDI公司的ADAMS軟件，被廣泛用來(lái)進(jìn)行汽車操縱穩(wěn)定性、汽車行駛平順性的動(dòng)態(tài)仿真。ADAMS中的TIRE模塊提供若干種輪胎模型供分析時(shí)選用，以準(zhǔn)確地建立輪胎的動(dòng)力學(xué)模型。ADAMS中的CAR模塊是專為汽車動(dòng)力學(xué)仿真而設(shè)計(jì)的，使用十分方便。國(guó)內(nèi)已有多家汽車公司利用該軟件進(jìn)行了貨車、轎車、汽車列車和大客車的動(dòng)力學(xué)仿真分析，并取得了較好的效果。

    三、CAE的具體實(shí)施和軟件介紹

    CAE作為一種分析手段，即可單獨(dú)實(shí)施，又可與其他CAX一起使用。譬如有限元分析軟件，一般都提供了相應(yīng)的前、后處理模塊，即可單獨(dú)使用，又可與CAD軟件集成使用。下面對(duì)有限元分析和機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真的實(shí)施過(guò)程和軟件作一簡(jiǎn)單介紹。

    1．汽車零件有限元分析過(guò)程和有限元軟件
    可以列出幾十種有限元分析商用軟件。這里僅介紹在汽車零件結(jié)構(gòu)分析中使用最為廣泛的IDEAS、ANSYS和NASTRAN。
    SDRC公司的IDEAS軟件是包括CAD、CAE、CAPP/CAM、PDM等在內(nèi)的集成軟件。實(shí)體建模、網(wǎng)絡(luò)劃分、載荷和約束的施加、求解和后處理可由該軟件的不同模塊來(lái)完成。
    ANSYS公司的ANSYS軟件是專門(mén)的有限元分析軟件，前、后處理和求解也都可由該軟件完成。
    MSC公司的NASTRAN有限元軟件有專門(mén)的前、后處理軟件PATRAN。其分析過(guò)程與IDEAS、ANSYS等大同小異。

    圖1由Pro/E建模并劃分網(wǎng)格的十字軸模型
    以上說(shuō)明各公司的有限元軟件都能獨(dú)立完成有限元分析任務(wù)。當(dāng)然，上述各種軟件還提供了與多種CAD軟件的接口。一般來(lái)說(shuō)，有限元軟件的建模功能不如專門(mén)的CAD軟件強(qiáng)大。只有將他們結(jié)合起來(lái)使用才能更好地發(fā)揮各自的功能。筆者在分析汽車傳動(dòng)裝置零件十字軸的彎曲強(qiáng)度時(shí)，采取的路線是：先由Pro/E建立十字軸的幾何模型并完成網(wǎng)絡(luò)劃分，并以ANSYS文件格式.ans輸出模型，然后由ANSYS讀入該模型并完成后續(xù)分析。圖1為由Pro/E建模并劃分網(wǎng)格的十字軸模型。當(dāng)然，ANSYS也可直接讀入Pro/E的.prt文件，網(wǎng)格劃分及有限元分析的后續(xù)任務(wù)都由ANSYS完成。
    幾乎所有的CAD軟件都可輸出IGES格式的幾何模型文件，但該格式中只包含線和面的信息，而沒(méi)有體的信息，而且IGES格式文件中會(huì)丟掉部分信息甚至產(chǎn)生錯(cuò)誤幾何信息。以下介紹一種解決該問(wèn)題的方法：
    （1）用UGS公司的CAD/CAM軟件UG讀入待轉(zhuǎn)換的IGES格式文件。
    （2）在UG中修改模型，并用縫合（即Sewing）命令將零件的所有面縫合在一起，從而生成實(shí)體模型。
    （3）將實(shí)體模型存成UG格式的.prt文件。
    （4）用NASTRAN的前處理軟件PATRAN讀入U(xiǎn)G生成的.prt文件，將得到有限元分析所需的實(shí)體模型。
    （5）由PATRAN和NASTRAN完成有限元分析的其他工作。

　　2．機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件在汽車中的應(yīng)用
    與有限元分析軟件一樣，機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析軟件既可單獨(dú)使用，也可與其他CAX軟件集成使用。在汽車動(dòng)力學(xué)仿真中使用較多的軟件是ADAMS和DADDS。以ADAMS為例，介紹機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析的步驟。
    當(dāng)采用ADAMS軟件單獨(dú)進(jìn)行分析時(shí)，可用其AVIEW模塊建立待分析的多體模型，然后用其SOLVER模塊求解。然而，為了使仿真分析得以更加順利地進(jìn)行，常常采用多種軟件協(xié)同工作。以下是將機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件與CAD、FEM集成使用的一些好處：
    （1）采用CAD軟件建模更加方便、準(zhǔn)確，生成的圖形更加逼真，動(dòng)態(tài)仿真效果更好。
    （2）從準(zhǔn)確的CAD模型中可更方便地得到準(zhǔn)確的質(zhì)量參數(shù)，即零件的質(zhì)量、質(zhì)心位置、慣性矩等。
    （3）機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件建立柔體模型的功能非常有限，而利用有限元分析軟件的生成的MNF（模態(tài)中性文件）可輸入到機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真軟件中生成的準(zhǔn)確的柔體模型。
    （4）盡管機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件能夠確定零件間的相互動(dòng)力關(guān)系和作用力，但不能分析零件的應(yīng)力，只能借助有限元分析軟件來(lái)完成。

    四、CAE與其他CAX的集成


    圖2CAE與CAD集成的流程圖
    從以上的分析知道，要想更好地完成CAE任務(wù)，將CAE軟件與其他的CAX集成使用會(huì)獲得更好的效果。作為一個(gè)例子，圖2是實(shí)施這一集成的流程圖。這個(gè)例子中，首先由CAD軟件生成幾何模型，按.IGES格式或其他格式將模型輸出，然后由有限元軟件和機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件分別讀入幾何模型。有限元軟件根據(jù)CAD軟件生成的幾何模型和機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件計(jì)算得到的結(jié)點(diǎn)力完成應(yīng)力、應(yīng)變和模態(tài)分析并輸出分析結(jié)果。機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件所需要的模型分成兩種類型：剛體模型從CAD軟件獲得；柔體模型從有限元軟件獲得（.MNF格式文件）。另外，如果某些零件的模型由機(jī)械動(dòng)力學(xué)軟件自己生成，根據(jù)需要可從CAD軟件得到質(zhì)量參數(shù)。機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真分析除了輸出最終結(jié)果外，還可輸出零件的運(yùn)動(dòng)關(guān)系和結(jié)點(diǎn)力供有限元分析之用。
    再舉一個(gè)汽車變速器CAD/CAM系統(tǒng)的實(shí)例。該系統(tǒng)由CAD幾何建模、參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)、有限元分析、CAPP/CAM組成。CAD軟件采用Pro/E，由它完成幾何建模并生成模型特征文件。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)模塊讀入模型特征文件，對(duì)變速器的結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化過(guò)程中，調(diào)用有限元軟件ANSYS計(jì)算零件的強(qiáng)度和剛度。優(yōu)化后的模型返回到Pro/E，并由它完成CAPP/CAM任務(wù)。

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