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汽车设计开发中的CAE技术


第三届中国汽车车身开发与模具制造技术论文集

汽车设计开发中的CAE技术
徐志刚 吴锦

吉利汽车研究院有限公司

摘要:近年来世界各国对汽车安全和环保法规的要求愈发严格.在汽车开发过程中全面引入CAE技术,实现 全过程、整车级虚拟样机仿真,减少原型车试验次数,降低生产成本、缩短新车研发周期,是提升企业的技 术

能力和市场竞争力的有力保证.本文就吉利汽车产品设计介绍了CAE技术在自主研发中的作用. 关键词:CAE、仿真、吉利汽车.汽车设计

Utilization of CAE Technology in Automobile Development
Zhigang Xu Jin

Wu

Geely Automobile Research Institute Co.,LTD.

Abstract:Competitive market drives worldwide automakers

to

seek more efficient solutions for vehicle safety and
ensures

environmental protection.Utilization of CAE technology through the complete automobile development

the

corporation

capability of technology and market for

competition.It

reduces the number of

prototype

tests

and

new

product development cycles development.

cost

saving。This paper illustrates the CAE technology in

GEELY automobile

Keywords:CAE,Simulation,GEELY Automobile,Automobile Design

1引言
汽车凝聚了广泛的现代文明和人类智慧,其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,及时地低成本设计和制造出新车,直接体现了企业的自主创新 能力。计算机辅助工程(CAE)技术可以极人地缩短设计制造周期,使重量、J}lj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、总成的线性雨JlP-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 段成熟地解决新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪卢等强度和刚度问题,使得设计质量人幅 度提高。其广泛应用可以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。

2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,单单依靠设计者的经验无法准确地给出

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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,整车舒适性、噪声和振 动分析。图l为概念车身的气动外形分析,确定 阻力、升力、尾流等外形参数与特征。图2为概 念设计流程。 图1 概念车身的气动外形分析

图2

概念设计流程

概念设计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。 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: 1.在设计初期基于简易的CAE 模型可以进行结构性能的优化; 2.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 路径已被确定,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。 图3 概念阶段的虚拟样机仿真分析

3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 图4 基于概念乍身的关键点刚度设计

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优化设计的目的。这一阶段的工作取决丁汽车的性能目标,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

图5

车身安全框架

图6

B柱设计要求

图7

整车碰撞仿真

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拄的变形要求。图7为整车碰撞 仿真。 2.NVH性能是评价车辆舒适 图8 板什贡献量分析

性的重要指标,直接关系剑产品的市场形象。NVlt分析有助于匹配产品结构中各子系统的振动 频率特性,合理分布各子系统的振动频率和振型,以消除振动过程中的耦合现象,从而改善 产品的振动特性,降低产品的噪音,提高产品的舒适性能。噪音、振动分析包括动力总成的 刚体模态、点的传递函数、静负荷强度及动态响应、BIW动态稳定性,整车各子系统的刚度频 率匹配等。目前国内在该方面的研究能力仍较薄弱,主要原因在于试验手段的缺乏和数据积 累的不足,尚朱形成系统的分析规范。自主品牌的汽车和国外知名品牌的汽车竞争,NVH性能 是关键的衡量指标之一。图8表示不同频率下不同板件的声学贡献量。 3.在工程样车试制之前, 基于多柔体系统理论,解决汽 车机械系统没计和动态性能 的优化设计问题,将车辆作为 一个完整的控制系统进行分 析研究,可以建立整车动力学 模型,并针对操纵稳定性、平 顺性和制动性等性能进行虚 图9

整车性能仿真

图lO悬架系统分析

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拟试验场动态仿真分析,并输出标志整车动态性能的特征参数,制定优化策略。它可让设计 人员掌握部件结构参数和整车性能的关系本质规律,并对其性能进行预测、可行性研究和优 化设计。车辆多体分析内容包括悬架振动、车辆操稳性能和舒适性能等。图9表示整车操纵 性能仿真,图lO表示悬架系统分析。 4.流体分析在汽车工业中主要考虑车外流场对汽车的阻力和升力、车内空调系统通风口 的设计、发动机舱的散热、制动系统的散热等等,考察整车外形是否流畅,空调系统是否可 以快速调节车内所有地点温度,发动机舱和制动片是否散热良好等等。在产品设计阶段就可 以预测产品的空气动力学特性,确保产品制造出来后符合设计时的空气动力学的要求。通过 ~‘流体动力学分析验证和改进流体及热传导对产品性能的影响。图11表示空气滤清器流体分析。 5.产品疲劳寿命是现代设计的一个重要指标。它有助于提早发现产品结构的强度及疲劳 耐久性方面的问题,对高应力区域提供优化解决方案。通过合理地分配结构中的各种载荷, 从而改善其疲劳耐久性能,提高产品的可靠性能。疲劳寿命设计需要了解产品的使用环境。 疲劳耐久性分析包括悬挂组件强度、车门强度、引擎盖强度、行李箱盖强度等。随着市场竞 争的日趋激烈,产品的寿命成为树立产品品牌形象的重要指标。图12表示地板疲劳耐久性分
…。

析。

图ll

空气滤清器流体分析

图12疲劳耐久性分析

6.冲压成形仿真有助于确定产品的可制造性,优化冲压方向,工艺补充,坯料估算和排 样。它可以在设计阶段预测产品冲压成形中可能出现的质量缺陷(如起皱、开裂等),进而对 产品设计进行优化,以消除成形缺陷。由于此时还处于产品设计阶段,产品的修改代价最小。 此部分成熟的应用软件有ETA公司的DYNAFORM和 LSTc公司的Ls—DYNA。由于汽车车身上金属覆盖件占 的比例最高,钣金件的模具成本是整个制造过程中最 大的成本之一。工艺过程仿真是降低废品率压缩生产 成本的有效方法。图13表示极料成形厚度减薄图。

C是AE黧搿黑箸勰嚣。黧
在产品定型之前工程样车可用来验证整车性能 技术有助于汽车轻量化及制造成本的控制,并大
95

4工程样车验证阶段

鳓板料成形厚度减薄图 ”…~…1一一”3“
“~

量减少整改次数,降低试验成本。通过标定后的CAE模型可寻找影响特定性能的关键敏感因 素,并针对具体问题提出切实有效的解决方案。图14为工程样车的物理试验。

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图14工程样车的物理试验

5结论
目前,CAE技术在国外汽车工业中的应用已经非常广泛和成熟,在新车开发过程中发挥着
越来越重要的作用。据统计,采用cAE技术可以使车身模具开发周期缩短近50%,大大加快了 、.新车研发进度。安全、环保、节能是当代汽车设计的三大主题。我国新的汽车产业政策明确 提出:鼓励自主研发技术积累及新型:Ii了能环保汽车研发。这就需要汽车企业必须具备较强的

自主研发能力。吉利汽车CAE技术的应用面向整车开发的全过程,在汽车开发过程(概念设
计.详细设计.样机验证.定型生产)中实现全过程、整车级虚拟样机仿真,减少原型车试验次 数,降低生产成本、缩短新车研发周期。随着CAE应用深度及广度的提高,CAE工作实现规范 化、制度化。这是提升企业的技术能力_;f}l市场竞争力的有力保证。

参考文献:
[1]《车身覆盖件冲压成形仿真》,林忠钦等著,机械T业出版社,国家自然科学基金研究专著。 [23《车一路系统动力学中的虚拟样机》.任卫群编著,电子工业出版社。 [3]《基于ANSYS/LS.DUNA8.1进行显示动力分析》,时党勇等著,清华大学出版社。 [4]International journal
of VEHICLE SAFETY,Volume l,Nos

1/2/3,2006.



[5]Optimization Side Crash Performance Using a Hot—Stamped B—Pillar,Bryan Macek,Bcnteler Automotive.

作者简介:
[1]徐志刚,男,祖籍湖北黄梅,毕业于哈尔滨工业大学,长期从事汽车设计开发工作, CAE专家。曾 任职于哈飞汽车制造公司汽车研发中心,参加哈飞中意、路宝、民意、赛马、赛豹的设计开发并负责主 持结构分析方面的工作。现任职于浙江吉利汽车研究院有限公司CAE部,承担吉利汽车新车型的振动和 噪声的处理及结构抗撞击性能的研究。通讯地址:浙江省临海市东方大道吉利汽车研究院,邮编:317000。 [2]吴锦,男,祖籍江苏苏州,美国辛辛那提大学航空航天系博士,戴姆勒一克莱斯勒汽车公司北美总部 技术中心车身制造技术专家。研发项目负责人,美国国家技术标准协会汽车制造及新兴材料研发项目组 成员。现任浙江吉利汽车研究院有限公司副院长。

汽车设计开发中的CAE技术
作者: 作者单位: 徐志刚, 吴锦 吉利汽车研究院有限公司

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本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Conference_6298458.aspx 下载时间:2009年9月21日


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