汽车整车开发中的CAE分析

汽车设计开发过程中的CAE分析包括多体动力学分析，整车性能分析、强度和疲劳寿命分析、结构动力学分析、模态分析、NVH分析、刚度分析、安全性分析、冲压成型分析、电磁兼容性分析、热结构耦合分析、流体力学分析、优化分析等。分析的对象涉及到整车、系统、零部件等。

近年，在市场中不断投入高质低价的新产品是成为制造商重要的竞争手段。缩短新品开发周期、降低整车制造成本、提高产品质量是保证自己在市场较量中能否胜出的关键因素。

在提升汽车研发能力的众多因素中，CAE是数字化产品开发过程中最为重要的技术手段，也被认为是继福特流水线生产、丰田精益生产之后，汽车工业具有革命性意义的重大技术进步。CAE的应用在提高产品质量、解决关键设计开发技术，降低成本和缩短新品投放市场的周期方面有着非常显著的作用。

在整车的开发实例中，日本丰田汽车制造公司运用CAE技术，无需制造大量试验样车，由此将开发时间缩短到了18个月。马自达依靠CAE与试验结合来缩短产品试验和样车完成的时间，其产品样车的完成将由3.5个月缩短到1.5个月，试验周期从4.5个月缩短到2.5个月。

美国福特汽车公司新车型开发周期从36个月降低到12-18个月；开发后期设计修改率减少50%；原型车制造和试验成本减少50%。统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80%-90%下降到8%-12%。

汽车设计开发过程中的CAE分析包括多体动力学分析，整车性能分析、强度和疲劳寿命分析、结构动力学分析、模态分析、NVH分析、刚度分析、安全性分析、冲压成型分析、电磁兼容性分析、热结构耦合分析、流体力学分析、优化分析等。分析的对象涉及到整车、系统、零部件等。

CAE分析的工作流程

CAE分析的主要工作内容是有限元分析。有限元分析的主要流程包括前处理、计算分析和后处理，前处理也就是 格划分和施加边界载荷条件。后处理也就是计算结果的显示和分析，具体流程显示如下：前处理 格划分需要按照一定的设计规范完成，根据分析的目的不同 格单元的大小、 格数量、CAE模型包含的内容不同。

整车动力学以及悬架的性能分析

整车动力性、平顺性、操纵稳定性、制动性、悬架的动力学和运动学性能在产品开发的过程是必须首先考虑的重要整车性能，整车和悬架动力学运动学仿真主要是用来解决整车性能的 重要手段。整车包括的机械系统和电控系统比较复杂，所以整车模型同样也必须全面考虑，包括悬架系统、动力传动系统、制动系统、转向系统等重要的系统模型。

通过系统的分析，可以获得良好的悬架运动学和动力学特性，保证车轮定位参数变化的合理性，从而确保获得良好的整车动力学性能。除此之外动力学分析还应用在汽车车身以及底盘系统的其他运动件设计上，以进行运动学干涉分析和校核。

整车强度和疲劳寿命分析

强度和疲劳寿命分析是汽车CAE分析的重要组成部分，也是最基础的分析设计部分。通过模拟汽车在实际行驶过程中包括制动、驱动、转向、坡道、单轮腾空、高频激励等工况，采用动态法进行强度分析，从而进行减重设计、部件优化，改进局部不合理结构。分析包括底盘以及车身系统零部件和整车等。通过白车身强度分析，得到各个零部件的应力值和应力分布云图，对零部件的选材和结构设计具有重要的指导意义。

强度也是评价零部件性能的重要指标之一。通过模拟零部件边界条件，进行静态或动态分析，计算出零部件应力值或应力分布，从而得到零部件的结构薄弱处，为选材和结构设计提供重要的参考依据。根据零部件应力值和材料的屈服应力，可以粗略了解零部件的疲劳寿命。同时也可以结合强度分析以及其他分析内容对整车各系统和零部件进行优化设计以实现对结构设计进行改进（尺寸优化、形状优化和拓扑优化）、 进行模型匹配、灵敏度分析、分析模型与实验结果相关联、对系统参数进行识别等

模态分析

白车身模态分析的目的是了解和评价白车身总成结构的固有频率及振动型式是否合理，为基于白车身动态特性的设计开发提供参考依据。结构的动态响应由外界激励频率和结构本身的固有频率和相应振型决定。在结构设计时，应尽量提高结构的刚度，以提高前几阶模态的固有频率，从而提高刚性改善汽车整车的振动性能，通常结构固有频率应尽量错幵载荷激励频率2Hz 以上。汽车的激励主要为路面激励、车轮不平衡激励、发动机的怠速激励，所以在进行模态结果评价中要充分考虑上述输入条件的影响。安装到车身总成上的各零件系统也必须进行模态分析，通常零部件受结构和车身激励产生动态响应。对零部件进行模态分析时，了解其在汽车运行过程中的固有频率和振动形式是否合理。车身零部件模态固有频率应错开白车身的固有频率，以免发生共振。

白车身以及零件系统刚度分析

车身是轿车的关键总成。除了保证外形美观以外，车身结构必须有足够的静刚度以保证其装配和使用的要求。参照试验法规，对白车身进行弯扭刚度分析，可在设计图纸生产成产品前对其结构刚度等有充分认识，对不足之处及时改进，是提髙产品可靠性的方法之一。

对干白车身刚度的评价，除了评价位移云图中的变形量以外，还应注意刚度曲线的平滑性，即位移云图中的分布是否均匀。
从安全性考虑，合理的刚度布局是发生事故时，乘客有足够的生存空间，车厢以外的部件应尽量通过变形吸收冲击能量，使到达乘客区的剩余能量减到最小。

汽车实验法规中对车门、舱盖等零部件有明确的评价指标。通过对这些零部件刚度分析，使产品在设计阶段就可验证设计方案是否能满足使用要求，从而缩短设计试验周期，节省大量的试验费用。

NVH分析

晚声（Noise)、振动（Vibration)、 声振粗糙度（Harshness)统称NVH, 主要研究车辆的噪声和振动对整车性能与舒适性的影响。 从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（发动机、变速器、路面等）、振动传递（由悬架系统、悬置系统和边接件组成）和噪声发射器（车身）组成的系统。要研究汽车在不同的激励情况下整车的噪音和振动情况。

碰撞安全性分析

目前，在美国、曰本、欧洲及澳洲都有称为NCAP的组织机构，对不同车型进行汽车碰撞安全性评估。汽车碰撞安全性评估主要包括正面碰撞、侧面碰撞、儿童保护和行人保护等方面。防正面碰撞的车身结构设计已经成熟。由刚性的乘员舱与前后的吸能区组成。并注意吸能后撞击力的分流；防侧面碰撞的车身结构设计也正趋完善。重点是放在加强车身刚性和冲击力分流等方面；为满足保护行人法规要求，整车的造型和汽车前部结构发生了很大的变化。

通过CAE安全性分析可以优化安全带安全气囊约束系统，同时改进车身结构设计从而满足法规要求为成员提供更加安全的驾驶保障。

流休力学分析

流体力学需要解决的汽车设计问题包括：
1）外流场分析及风阻计算

现在轿车的风阻系数低于2.8，如何实现空气动力学和造型以及结构的完美结合是流体力学分析的重要课题。

2）空调系统气流分析以及玻璃除霜模拟

空调系统是轿车常见的重要标准配置，确保空调的空气流动合理、制冷能力足够、玻璃除霜是CAE分析的重要目的。

3）驾驶室内部流动计算

4）发动机舱内流动及传热计算

5）各种油泵、风扇模拟

热结构耦合分析

发动机机体承受高热负荷和机械负荷工作，本质上是多物理场耦合工作体，可以用CAE分析手段详尽地进行发动机机体的热分析、结构分析、动力分析和热结构耦合分析，对产品开发作用特别明确。

汽车CAE分析是正向设计开发的重要技术支持手段，也是对产品设计开发中理论验证的重要手段，同济捷通过多年的开发设计经验总结了大量的CAE分析设计标准，为整车开发奠定了重要的技术基础。