CAE技術(shù)應(yīng)用：汽車設(shè)計(jì)中CAE仿真應(yīng)用性能分析——整車性能數(shù)據(jù)仿真
汽車設(shè)計(jì)行業(yè)的技術(shù)方向總體分布為CAD與CAE兩個(gè)方向，在CATIA、Alias等CAD方向的工程服務(wù)軟件有著豐富經(jīng)驗(yàn)的華銳欣程，對(duì)于CAE分析的hypermesh前處理軟件和Ls-Dyna求解器同樣有著廣泛的成功案例，求解分析汽車工程和產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)力學(xué)性能，以及優(yōu)化結(jié)構(gòu)性能等，是華銳欣程的CAE分析實(shí)力體現(xiàn)，整車分析包括NVH分析、汽車碰撞分析等。 CAE技術(shù)在汽車行業(yè)的應(yīng)用從最初的線彈性部件分析到汽車結(jié)構(gòu)中大量的非線性問(wèn)題分析，到現(xiàn)在汽車疲勞壽命分析、NVH分析、碰撞模擬等，CAE分析幾乎涵蓋了汽車性能的所有方面。本文來(lái)盤點(diǎn)一下CAE技術(shù)應(yīng)用：汽車設(shè)計(jì)中CAE仿真應(yīng)用性能分析——整車性能數(shù)據(jù)仿真。
剛度和強(qiáng)度分析
01.車架和車身的強(qiáng)度和剛度分析
車架和車身是汽車結(jié)構(gòu)中最為復(fù)雜的受力部件，其強(qiáng)度和剛度分析對(duì)整個(gè)汽車的承載能力和抗變形能力至關(guān)重要。此外，基于強(qiáng)度和剛度分析的車架和車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化對(duì)整車的輕量化，從而提高經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性也有很大作用。
02.齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析
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。
03.發(fā)動(dòng)機(jī)零件的應(yīng)力分析
發(fā)動(dòng)機(jī)零件在工作過(guò)程中受到氣缸內(nèi)氣體的高壓力和熱應(yīng)力，通過(guò)有限元分析找出應(yīng)力集中的危險(xiǎn)部位加以改進(jìn)則可以預(yù)防事故發(fā)生。
NVH分析
噪音 (Noise)、振動(dòng) (Vibration)、平穩(wěn) (Harshness) 三項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)，通俗稱為乘坐 “舒適感”。隨著收入水平的提高，消費(fèi)者越來(lái)越看重汽車產(chǎn)品的舒適性即NVH性能，因此汽車開(kāi)發(fā)中也必不可少的要進(jìn)行NVH分析，主要包括動(dòng)力系統(tǒng)NVH、車身NVH、底盤NVH三大部分。而汽車NVH分析則涉及到汽車在各級(jí)頻率的模態(tài)分析，不同路面工況激勵(lì)下的汽車振型，還有風(fēng)噪、發(fā)動(dòng)機(jī)噪聲、輪胎噪聲等聲學(xué)研究，這些都離不開(kāi)CAE仿真分析。
機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析
機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析就是根據(jù)原動(dòng)件的已知運(yùn)動(dòng)規(guī)律，求該機(jī)構(gòu)其他構(gòu)件上某些點(diǎn)的位移、軌跡、速度和加速度，以及這些構(gòu)件的角位移、角速度和角加速度。通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度分析，了解從動(dòng)件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求，了解機(jī)構(gòu)的受力情況;通過(guò)對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行加速度分析，確定各構(gòu)件及構(gòu)件上某些點(diǎn)的加速度，了解機(jī)構(gòu)加速度的變化規(guī)律。機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。
車輛碰撞模擬分析
汽車安全性分為主動(dòng)安全性和被動(dòng)安全性：
主動(dòng)安全性，是指汽車能夠識(shí)別潛在的危險(xiǎn)自動(dòng)減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出 現(xiàn)時(shí)，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生交通事故的性能。
被動(dòng)安全性，是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或行人進(jìn)行保護(hù)，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最小程度。
作為最常用的交通工具，汽車的安全性能是汽車廠商和消費(fèi)者雙方都高度關(guān)注的問(wèn)題，政府相關(guān)部門也為此制定了一系列評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)，所以在汽車結(jié)構(gòu)的剛度和強(qiáng)度分析之后，還必須通過(guò)CAE工具進(jìn)行碰撞仿真分析對(duì)汽車安全性加以驗(yàn)證。在汽車安全性設(shè)計(jì)中需要執(zhí)行包括不同的碰撞方向、不同的碰撞速度、不同的重量、不同的假人及坐姿等碰撞分析，通過(guò)分析結(jié)果來(lái)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行相應(yīng)的優(yōu)化。
金屬板沖壓成型模擬分析
沖壓成型材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化生產(chǎn)，得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)過(guò)程中，無(wú)論是沖壓工序的制定、工藝參數(shù)的選取，還是沖壓模具的設(shè)計(jì)、制造，都要經(jīng)過(guò)多次修改才能確定。不過(guò)這回導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期難以保證。沖壓成型過(guò)程數(shù)值模擬技術(shù)通過(guò)對(duì)板材沖壓過(guò)程數(shù)值模擬，在計(jì)算機(jī)上觀察到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件(如壓邊力、沖壓方向、摩擦潤(rùn)滑等)和材料性能參數(shù)(如皺曲、破裂)的影響，提供最佳鈑料形狀、合理的壓料面形狀、最佳沖壓方向、以及分析卸載和切邊后的回彈量，并補(bǔ)償模具尺寸以得到尺寸和形狀精度良好的沖壓件。該技術(shù)使試模時(shí)間大大縮短，從而減少制模成本。
疲勞分析
常規(guī)設(shè)計(jì)定型樣機(jī)疲勞試驗(yàn)，需要幾年甚至更多時(shí)間來(lái)發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)失誤、修改設(shè)計(jì)?，F(xiàn)代疲勞試驗(yàn)技術(shù)只需在計(jì)算機(jī)上用仿真技術(shù)，用載荷譜模擬和加載，預(yù)測(cè)壽命和反饋優(yōu)化。這可把試驗(yàn)時(shí)間壓縮到原來(lái)的十分之一、百分之一，大大降低了開(kāi)發(fā)成本，縮短了開(kāi)發(fā)周期。根據(jù)疲勞理論，疲勞破壞主要由循環(huán)載荷引起。從理論上說(shuō)，如果汽車的輸入載荷相同，那么所引起的疲勞破壞也應(yīng)該一樣。因此，可以在試車場(chǎng)上按一定的比例混合各種路面及各種事件(如開(kāi)門、關(guān)門、剎車等)，重現(xiàn)這一載荷輸入。這一載荷重現(xiàn)通?？赡茉谳^短的時(shí)間里完成，因此，可以達(dá)到試驗(yàn)加速的目的。
空氣動(dòng)力學(xué)分析
汽車空氣動(dòng)力學(xué)主要是應(yīng)用流體力學(xué)的知識(shí)， 研究汽車行駛時(shí)，即與空氣產(chǎn)生相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)，汽車周圍的空氣流動(dòng)情況和空氣對(duì)汽車的作用力(稱為空氣動(dòng)力)，以及汽車的各種外部形狀對(duì)空氣流動(dòng)和空氣動(dòng)力的影響。此外，空氣對(duì)汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻、車廂里的通風(fēng)換氣、車身外表面的清潔、氣流噪聲、車身表面覆蓋件的振動(dòng)、甚至刮水器的性能等方面的影響。
虛擬試車場(chǎng)整車分析
CAE技術(shù)的飛速發(fā)展、軟硬件功能的大幅度提高，使得整車系統(tǒng)仿真已經(jīng)成為可能。美國(guó)工程技術(shù)合作公司 (ETA) 在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)推出的虛擬試驗(yàn)場(chǎng)技術(shù) (virtual proving ground, VPG) 就是一個(gè)對(duì)整車系統(tǒng)性能全面仿真實(shí)用軟件的代表。VPG技術(shù)是汽車CAE技術(shù)領(lǐng)域中一個(gè)很有代表性的進(jìn)展。VPG是在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺(tái)上二次開(kāi)發(fā)推出的，以整車系統(tǒng)為分析對(duì)象，考慮系統(tǒng)各類非線性，以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷，對(duì)整車系統(tǒng)同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)疲勞、權(quán)頻率振動(dòng)噪聲分析和數(shù)據(jù)處理、以及碰撞歷程仿真，達(dá)到在產(chǎn)品設(shè)計(jì)前期即可得到樣車道路實(shí)驗(yàn)結(jié)果的“整車性能預(yù)測(cè)”效果的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)。
焊裝模擬分析
傳統(tǒng)的機(jī)器人焊接路徑規(guī)劃方法，是根據(jù)設(shè)計(jì)人員提供的工位上的焊點(diǎn)數(shù)量和焊接順序，由工藝人員根據(jù)經(jīng)驗(yàn)或類似工藝離線編制機(jī)器人加工程序，設(shè)計(jì)加工工藝。所編寫(xiě)的程序輸入到相應(yīng)設(shè)備中，在實(shí)驗(yàn)室里預(yù)操作，記錄下每次偏差位置，重新編程、設(shè)計(jì)直至滿足生產(chǎn)要求。這不僅耗時(shí)、費(fèi)力，同時(shí)對(duì)于多機(jī)器人加工的碰撞問(wèn)題無(wú)法解決。一旦涉及多機(jī)器人協(xié)同加工，則往往在實(shí)驗(yàn)室中采用步進(jìn)式逼近方法配合專家經(jīng)驗(yàn)加以解決，以免發(fā)生碰撞，損壞設(shè)備。
車身焊裝模擬分析結(jié)合虛擬制造技術(shù)，在仿真環(huán)境下，運(yùn)用相應(yīng)的優(yōu)化算法對(duì)車身焊裝工位的機(jī)器人加工路徑進(jìn)行離線規(guī)劃，并通過(guò)仿真加工進(jìn)行驗(yàn)證，達(dá)到指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)的目的。虛擬制造的基礎(chǔ)是采用計(jì)算機(jī)支持的技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字建模和仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)等來(lái)模擬生產(chǎn)、加工和裝配等過(guò)程，在計(jì)算機(jī)上將產(chǎn)品“制造”出來(lái)，實(shí)現(xiàn)將工藝過(guò)程轉(zhuǎn)為數(shù)字化操作，再由數(shù)字化操作指導(dǎo)實(shí)際生產(chǎn)。通過(guò)建立生產(chǎn)加工的仿真模型研究制造活動(dòng)，使用戶在設(shè)計(jì)階段能夠了解產(chǎn)品未來(lái)制造過(guò)程，實(shí)現(xiàn)對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)性能有效的預(yù)測(cè)與評(píng)價(jià)。在仿真環(huán)境下的試運(yùn)行，有利于進(jìn)行多工藝方案比較，更有利于多機(jī)器人焊接軌跡的選取與優(yōu)化。
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