CAE設(shè)計(jì)的分類及發(fā)展方向

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1、1 CAE設(shè)計(jì)的分類及發(fā)展方向 CAE(Computer Aided Engineering)是計(jì)算機(jī)輔助工程的英文縮寫，被廣泛應(yīng)用在包括國(guó)防、航空、航天、機(jī)械制造、汽車、船舶、兵器、電子、鐵道、石化、土木工程、能源、材料工程、科學(xué)研究及教育等各個(gè)領(lǐng)域當(dāng)中，分為結(jié)構(gòu)分析、CFD（流體動(dòng)力學(xué)分析）、NVH（震動(dòng)與噪聲分析）、多體動(dòng)力學(xué)分析、材料成型性能分析、熱傳導(dǎo)分析及巖土力學(xué)分析等等。其中結(jié)構(gòu)分析又可以分為：剛度、強(qiáng)度分析；碰撞分析；疲勞分析；優(yōu)化分析等。NVH分析可以分為：模態(tài)分析；頻響分析；震動(dòng)分析及噪聲分析等。 近年來(lái)隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的普及和計(jì)算速度的不斷提高，CAE分析在工程設(shè)計(jì)和分

2、析中得到了越來(lái)越廣泛的重視，已經(jīng)成為解決復(fù)雜的工程分析計(jì)算問題的有效途徑，現(xiàn)在從汽車到航天飛機(jī)幾乎所有的設(shè)計(jì)制造都已離不開有CAE分析計(jì)算。在進(jìn)入了CAE軟件商品化的發(fā)展階段，CAE開發(fā)商為滿足市場(chǎng)需求和適應(yīng)計(jì)算機(jī)硬、軟件技術(shù)的迅速發(fā)展，在大力推銷其軟件產(chǎn)品的同時(shí)，對(duì)軟件的功能、性能，用戶界面和前、后處理能力，都進(jìn)行了大幅度的改進(jìn)與擴(kuò)充。這就使得目前市場(chǎng)上知名的CAE軟件，在功能、性能、易用性﹑可靠性以及對(duì)運(yùn)行環(huán)境的適應(yīng)性方面，基本上滿足了用戶的當(dāng)前需求，從而幫助用戶解決了成千上萬(wàn)個(gè)工程實(shí)際問題。根據(jù)當(dāng)今國(guó)際上CAE軟件的發(fā)展情況，可以看出CAE分析方法的一些發(fā)展趨勢(shì)： 1.1 與CAD軟件

3、的無(wú)縫集成； 當(dāng)今有限元分析軟件的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)是與通用CAD軟件的集成使用，即在用CAD軟件完成部件和零件的造型設(shè)計(jì)后，能直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求則重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)水平和效率。 1.2 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力; 由于網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性，近年來(lái)各軟件開發(fā)商都加大了其在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高，但在有些方面卻一直沒有得到改進(jìn)，如對(duì)三維實(shí)體模型進(jìn)行自動(dòng)六面體網(wǎng)格劃分; 1.3 由求解線性問題發(fā)展到求解非線性問題; 隨著科學(xué)技

4、術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決，必須進(jìn)行非線性分析求解，例如薄板成形就要求同時(shí)考慮結(jié)構(gòu)的大位移、大應(yīng)變（幾何非線性）和塑性（材料非線性）；而對(duì)塑料、橡膠、陶瓷、混凝土及巖土等材料進(jìn)行分析或需考慮材料的塑性、蠕變效應(yīng)時(shí)則必須考慮材料非線性。 1.4 由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問題的求解; 有限元分析方法最早主要用來(lái)求解線性結(jié)構(gòu)問題，實(shí)踐證明這是一種非常有效的數(shù)值分析方法?，F(xiàn)在用于求解結(jié)構(gòu)線性問題的有限元方法和軟件已經(jīng)比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問題的求解。例如熱力耦合問題、流固耦合問題

5、等。由于有限元的應(yīng)用越來(lái)越深入，人們關(guān)注的問題越來(lái)越復(fù)雜，耦合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向； 1.5 程序面向用戶的開放性 隨著商業(yè)化的提高，由于用戶的要求千差萬(wàn)別，因此必須給用戶一個(gè)開放的環(huán)境，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。 2 適用的范圍及在汽車設(shè)計(jì)中能解決的實(shí)際問題 CAE與傳統(tǒng)的工程驗(yàn)算或強(qiáng)度校核計(jì)算是一脈相承的，隨著有CAE技術(shù)的完善，它已經(jīng)成為現(xiàn)代產(chǎn)品開發(fā)中關(guān)鍵的一部分，核心作用是對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量的控制和提升。

6、汽車CAE在國(guó)外已經(jīng)得到非常廣泛和深入的應(yīng)用，通過對(duì)產(chǎn)品的全面仿真模擬計(jì)算，達(dá)到對(duì)產(chǎn)品性能的全方位預(yù)演和掌控。在現(xiàn)代汽車企業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)中，產(chǎn)品的質(zhì)量、成本和投放市場(chǎng)的周期是最核心的競(jìng)爭(zhēng)力的體現(xiàn)。CAE在汽車開發(fā)中的作用也主要體現(xiàn)在這三個(gè)方面，它能指導(dǎo)設(shè)計(jì)工程師完成最優(yōu)化的設(shè)計(jì)，計(jì)算機(jī)模擬又能大量的壓縮樣車試驗(yàn)論證的內(nèi)容和周期。 汽車CAE，幾乎已經(jīng)涵蓋了我們對(duì)汽車性能要求的所有方面，包括剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命、振動(dòng)噪聲、運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力性分析、碰撞仿真和乘員保護(hù)、空氣動(dòng)力學(xué)特性等等；主要能解決的實(shí)際工程問題如下： 2.1 汽車碰撞及乘員安全性分析: 汽車碰撞主要分為兩個(gè)領(lǐng)域：結(jié)構(gòu)碰撞分析和乘員安全

7、分析。 結(jié)構(gòu)碰撞用來(lái)模擬在碰撞過程中汽車結(jié)構(gòu)本身所表現(xiàn)出來(lái)的性能：主要吸能部件的能量吸收情況、乘員生存空間的變化情況、與乘員接觸區(qū)域的速度、加速度的變化等。通過修改結(jié)構(gòu)、更換金屬材料等方式提高汽車本身的耐撞性能，從而達(dá)到在設(shè)計(jì)初期優(yōu)化設(shè)計(jì)、并縮短研發(fā)周期、節(jié)約經(jīng)費(fèi)的目的。 當(dāng)前主要的汽車結(jié)構(gòu)碰撞法規(guī)有前碰、偏置碰、側(cè)碰、后碰。 汽車結(jié)構(gòu)碰撞模型包括：有限元網(wǎng)格（車身、底盤、四門兩蓋、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、油箱及排氣系統(tǒng)）、材料模型（汽車材料的應(yīng)力應(yīng)變曲線、應(yīng)變率曲線、鈑金料厚）、膠套的力學(xué)曲線（底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)懸置、排氣系統(tǒng)吊掛）、焊點(diǎn)的失效力。 乘員安全分析主要模擬在碰撞過程中假人的響應(yīng)情

8、況，相應(yīng)于結(jié)構(gòu)碰撞，主要考慮假人在正碰、偏置碰、側(cè)碰、后碰過程中假人的響應(yīng)，模擬假人的損傷情況。主要性能指標(biāo)有：頭部HIC值、頭部加速度、頸部損傷、胸部壓潰量、大腿受力等。通過修改車體結(jié)構(gòu)、重新匹配乘員約束系統(tǒng)等方式，從而達(dá)到減小碰撞過程中乘員損傷的目的。 乘員安全分析模型包括：假人、座椅、安全帶、安全氣囊。 當(dāng)前常用的有限元假人有LSTC假人和FTSS假人，LSTC假人的單元較少、精度一般，但計(jì)算速度快，因此一般常用于設(shè)計(jì)初期。而FTSS假人計(jì)算速度慢，常用于后期的設(shè)計(jì)驗(yàn)證。安全帶模型必須具有正確的卷收器拉出和回收的力學(xué)性能曲線，并準(zhǔn)確定位。安全氣囊模型需要定義輸入氣體的質(zhì)量流曲線、溫度

9、流曲線、織物及泄露孔的氣體泄露等。 汽車碰撞是一個(gè)繁瑣的模擬過程，在其間有太多的因素影響分析結(jié)果，因此必須有實(shí)驗(yàn)作為驗(yàn)證，以實(shí)驗(yàn)為基準(zhǔn)來(lái)調(diào)整模型，這樣的分析結(jié)果才有更高的可信度。 2.2 多體運(yùn)動(dòng)與動(dòng)力性能分析： 多體動(dòng)力學(xué)分析是復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的機(jī)構(gòu)分析，是分析系統(tǒng)運(yùn)行過程中這些部件間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)關(guān)系；多體動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS的汽車專業(yè)模塊可以模擬包括車身、懸架、傳動(dòng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、制動(dòng)系統(tǒng)等，可以在高速動(dòng)畫下直觀的再現(xiàn)在各種實(shí)驗(yàn)工況下（例如：天氣、道路狀況、駕駛員經(jīng)驗(yàn)）整車動(dòng)力學(xué)響應(yīng)，并輸出標(biāo)志操縱穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性的特征參數(shù)。也可以同控制系統(tǒng)模擬相結(jié)合，協(xié)助

10、開發(fā)如ABS、ESP等制動(dòng)系統(tǒng)；也可以通過其駕駛員模擬駕駛員的行為特征，確定各種操縱工況（如：穩(wěn)態(tài)轉(zhuǎn)向、轉(zhuǎn)彎制動(dòng)、ISO變線實(shí)驗(yàn)、側(cè)向風(fēng)實(shí)驗(yàn)等），同時(shí)確定轉(zhuǎn)向盤轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，加速踏板位置、作用在制動(dòng)踏板上的力、離合器的位置、變速器擋位等，提高車輛動(dòng)力學(xué)仿真的真實(shí)感，還可以通過調(diào)整駕駛員行為適應(yīng)各種汽車特定的動(dòng)力學(xué)特性，并具有記憶功能。 多體動(dòng)力學(xué)分析也可以模擬汽車局部機(jī)構(gòu)的靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力曲線，也可以預(yù)測(cè)虛擬機(jī)械系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。 2.3 流體動(dòng)力學(xué)分析： 汽車空氣動(dòng)力學(xué)研究主要有兩種方法，一種是進(jìn)行

11、風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，一種是利用CFD(ＣｏｍｐｕｔａｔｉｏｎａｌＦｌｕｉｄＤｙｎａｍｉｃｓ)程序進(jìn)行數(shù)值模擬，即計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析。傳統(tǒng)的風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)結(jié)果一般可靠性比較高，但由于它有許多局限性，如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)成本高、周期長(zhǎng)、需要制作一系列油泥模型等，阻礙了它在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。與風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)相比，CFD方法精度不如風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，但卻幾乎克服了它的所有局限性。在過去的十幾年中，隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，CFD被越來(lái)越多的應(yīng)用到汽車設(shè)計(jì)中。 CFD使用的方法是對(duì)所需分析的問題先抽象出其流場(chǎng)的控制方程，然后再用計(jì)算數(shù)學(xué)的算法將其離散到一系列空間網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)上求其離散的數(shù)值解的一種方法?？刂埔磺辛黧w流動(dòng)的基本定律是：質(zhì)量守恒定律、動(dòng)

12、量守恒定律和能量守恒定律。由它們可以分別導(dǎo)出連續(xù)性方程、動(dòng)量方程(又稱納維爾—斯托克斯方程)和能量方程。由它們可以聯(lián)立得到納維爾—斯托克斯方程組,簡(jiǎn)稱為N-S方程組。N-S方程組是流體流動(dòng)所需遵守的普遍規(guī)律。 CFD在汽車領(lǐng)域中的大部分應(yīng)用都集中于進(jìn)行汽車外流場(chǎng)的數(shù)值模擬。空氣動(dòng)力學(xué)指標(biāo)是汽車(特別是轎車)最重要的參數(shù)之一,它對(duì)汽車的動(dòng)力性、經(jīng)濟(jì)性、操縱穩(wěn)定性等有著極其重要的影響。根據(jù)對(duì)汽車的不同部位的大量的計(jì)算結(jié)果表明修改車身的幾何外形不應(yīng)該僅僅依據(jù)對(duì)氣動(dòng)阻力大小的影響，局部流場(chǎng)結(jié)構(gòu)同樣非常重要。通過CFD的模擬能夠確定局部幾何形體的改變對(duì)氣動(dòng)力的影響,并且能夠直接比較兩種不同車身設(shè)計(jì)的氣

13、動(dòng)性能。CFD軟件是進(jìn)行車型空氣動(dòng)力學(xué)性能選優(yōu)的重要工具。 在汽車內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，CFD已經(jīng)被作為一種重要而有效的工具加以利用。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程很大程度上受燃料與空氣混合程度的影響。這種混合是一種復(fù)雜的瞬態(tài)流動(dòng)。目前，絕大多數(shù)CFD商用軟件均可以解決此問題，它們均提供有求解多元混合流動(dòng)的模塊，而且計(jì)算精度均比較高。 另外，CFD分析也廣泛應(yīng)用于汽車空調(diào)與風(fēng)道系統(tǒng)的開發(fā)，乘員艙熱舒適性分析，除霜/除霧分析，發(fā)動(dòng)機(jī)艙換熱分析；而且在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套分析，底盤、外形、后視鏡及繞流部件的阻力分析，汽動(dòng)噪音分析，油箱加注分析，剎車盤冷卻分析，在汽車制冷風(fēng)扇的葉片設(shè)計(jì)以及液力變矩器流動(dòng)分析，增壓器

14、流動(dòng)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)排氣系統(tǒng)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)三維催化裝置等分析中，CFD分析結(jié)果也被大量地使用。 2.4 強(qiáng)度分析： 可以計(jì)算白車身、四門兩蓋的剛度、強(qiáng)度；底盤零部件及其他汽車零件的剛度、強(qiáng)度校合計(jì)算?？梢蕴摂M計(jì)算白車身、前后門，前后蓋等的剛度、強(qiáng)度及在各階模態(tài)下的振型、頻率；也可以虛擬計(jì)算各個(gè)零部件在各種極限工況下的位移、應(yīng)力云圖，得出最大應(yīng)力、位移的數(shù)值及發(fā)生的位置等。 2.5 NVH模擬分析： NVH是指Noise（噪聲）、Vibration（振動(dòng)）、Harshness（聲振粗糙度），由于他們?cè)谲囕v等機(jī)械中是同時(shí)出現(xiàn)且密不可分的，因此常把它們放在一起來(lái)研究。簡(jiǎn)單地講，乘員在汽車中的

15、一切觸覺和聽覺感受都屬于NVH研究的范疇，此外，還包括汽車零部件由于振動(dòng)引起的強(qiáng)度和壽命等問題。 從NVH的觀點(diǎn)來(lái)看，汽車是一個(gè)由激勵(lì)源(發(fā)動(dòng)機(jī)、變速器等)、振動(dòng)傳遞器(由懸掛系統(tǒng)和邊接件組成)和噪聲發(fā)射器〔車身〕組成的系統(tǒng)。汽車NVH特性的研究應(yīng)該是以整車作為研究對(duì)象的，但由于汽車系統(tǒng)極為復(fù)雜，因此經(jīng)常將它分解成多個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行研究，如底盤子系統(tǒng)(主要包括前、后懸架系統(tǒng))、車身子系統(tǒng)等，也可以研究某一個(gè)激勵(lì)源產(chǎn)生的或某一種工況下的NVH特性。 基于CAE技術(shù)，要分別建立汽車的白車身、閉合件、懸架、動(dòng)力總成、轉(zhuǎn)向系統(tǒng)、聲腔、座椅乘員等各子系統(tǒng)的有限元模型，然后再裝配成整車模型。利用Nastr

16、an、ABAQUS等求解器來(lái)模擬汽車的工作狀態(tài)，在整車模型上施加相應(yīng)動(dòng)態(tài)裁荷，計(jì)算出動(dòng)態(tài)響應(yīng)、得到相應(yīng)動(dòng)態(tài)性能進(jìn)行評(píng)估和優(yōu)化設(shè)計(jì)。 針對(duì)上述子系統(tǒng)，應(yīng)用模態(tài)分析、瞬態(tài)響應(yīng)分析、隨機(jī)響應(yīng)分析、頻率響應(yīng)分析來(lái)模擬各種工作狀態(tài)。對(duì)于駕駛艙要使用聲振耦合分析來(lái)模擬。 2.6 車身及其零部件的結(jié)構(gòu)構(gòu)優(yōu)化、疲勞分析等： a:可以通過對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，達(dá)到零件減重，提高剛度強(qiáng)度的效果； b:可以對(duì)零部件在設(shè)計(jì)階段進(jìn)行疲勞分析，從而可以預(yù)估零件的使用年限； 3 目前主流CAE軟件的應(yīng)用特點(diǎn) 3.1 Hypermesh： HyperMesh是一個(gè)高性能的有限元前后處理器，它能讓CAE分析工

17、程師在高度交互及可視化的環(huán)境下進(jìn)行仿真分析工作。與其他的有限元前后處理器比較，HyperMesh的圖形用戶界面易于學(xué)習(xí)，特別是它支持直接輸入已有的三維CAD幾何模型(Pro/E,CATIA等)已有的有限元模型，并且導(dǎo)入的效率和模型質(zhì)量都很高，可以大大減少很多重復(fù)性的工作，使得CAE分析工程師能夠投入更多的精力和時(shí)間到分析計(jì)算工作上去。在處理幾何模型和有限元網(wǎng)格的效率和質(zhì)量方面，HyperMesh具有很好的速度，適應(yīng)性和可定制性，并且模型規(guī)模沒有軟件限制。高速度、高質(zhì)量的自動(dòng)網(wǎng)格劃分極大地簡(jiǎn)化復(fù)雜幾何的有限元建模過程。同樣，Hypermesh也具有先進(jìn)的后處理功能，可以保證形象地表現(xiàn)各種各樣的復(fù)

18、雜的仿真結(jié)果，如云圖，曲線標(biāo)和動(dòng)畫等。 3.2 NASTRAN： NASTRAN是一具有高度可靠性的結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，它的分析功能覆蓋了絕大多數(shù)工程應(yīng)用領(lǐng)域，并為用戶提供了方便的模塊化功能選項(xiàng)，主要功能模塊有基本分析模塊（含靜力、模態(tài)、屈曲、熱應(yīng)力、流固耦合等）、動(dòng)力學(xué)分析模塊、熱傳導(dǎo)模塊、非線性分析模塊、設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化模塊、超單元分析模塊、氣動(dòng)彈性分析模塊等； 3.3 ABAQUS： ABAQUS是一套功能強(qiáng)大的模擬工程的有限元軟件，其解決的問題從相對(duì)簡(jiǎn)單的線形分析到許多復(fù)雜的線形問題。它包括一個(gè)十分豐富的、可模擬任意實(shí)際形狀的單元庫(kù)。并與之對(duì)應(yīng)擁有各種類型的材料模型庫(kù)，

19、可以模擬大多數(shù)典型工程材料的性能，其中包括金屬、橡膠、高分子材料、復(fù)合材料、鋼筋混凝土、可壓縮有彈性的泡沫材料以及類似于土和巖石等地質(zhì)材料。 3.4 LS-DYNA： LS-DYNA作為通用非線形有限元軟件，其分布存儲(chǔ)顯示解算器提供了最快的計(jì)算速度，主要用來(lái)分析三非彈性結(jié)構(gòu)的非線形動(dòng)態(tài)響應(yīng)。其全自動(dòng)接觸分析能力和錯(cuò)誤校驗(yàn)功能可以幫助用戶解決復(fù)雜的碰撞和成型問題。 3.5 ADAMS： ADAMS軟件是機(jī)械體統(tǒng)動(dòng)力學(xué)仿真軟件，它使用交互試圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)等創(chuàng)建完全參數(shù)化的幾何模型，求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)虛擬機(jī)械系統(tǒng)進(jìn)行

20、靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出位移、速度、加速度和反作用力等曲線。ADAMS軟件的仿真可用于預(yù)測(cè)機(jī)械系統(tǒng)的性能、運(yùn)動(dòng)范圍、碰撞檢測(cè)、峰值載荷以及計(jì)算有限元的輸入載荷等。ADAMS軟件還有針對(duì)不同行業(yè)開發(fā)的專業(yè)模塊，其中汽車行業(yè)模塊包括 ADASM/Car( 轎車模塊)、ADAMS/Chassis(底盤模塊)、ADAMS/Driver(駕駛員模塊)、ADAMS/3D Road(三維路面模塊)、ADAMS/Tire(輪胎模塊)、ADAMS/Engine powered by FEV(發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)模塊)；還包括與有限元分析軟件及CAD軟件的接口模塊等。 3.6 Star-CD: STAT-CD

21、是流體分析軟件，它采用基于完全非結(jié)構(gòu)化網(wǎng)格和有限體積方法的核心解算器，具有豐富的物理模型、內(nèi)存占用較小、具有易用性、收斂性和二次開發(fā)接口。用于汽車、航空航天、兵器、核動(dòng)力、家電等行業(yè)的流體分析。 4 針對(duì)整車及各系統(tǒng)CAE設(shè)計(jì)的技術(shù)要求、能夠達(dá)到的精確程度及設(shè)計(jì)流程 4.1CAE設(shè)計(jì)流程:見圖（1） 圖（1） 4.2FEA（有限元分析）設(shè)計(jì)要求： （1） CAD數(shù)模要求：設(shè)計(jì)工程師提供完整的CATIA數(shù)模，數(shù)模坐標(biāo)系為

22、車身坐標(biāo)系；特別涉及到焊點(diǎn)的零部件，一定要有完整的焊點(diǎn)數(shù)模； （2） 模型清理：CAD模型導(dǎo)入到前處理軟件后，連接面之間不可以有重復(fù)邊，不可以有重復(fù)面存在； （3） 材料特性要求：要求輸入材料的密度、彈性模量、泊松比；對(duì)于有橡膠襯套的零件要有襯套的剛度數(shù)據(jù)； （4） 網(wǎng)格劃分要求： a:對(duì)于板材件，劃分成四邊形與三角形混合類型的網(wǎng)格，三角型網(wǎng)格的數(shù)量要盡可能的少； b:對(duì)于有孔的的面，位置不重要的小孔可以忽略不計(jì)，位置比較重要的孔周圍不可以有三角形； c:在同一個(gè)零件中，為保證單元之間的連續(xù)性，必須合并模型的所有重節(jié)點(diǎn)，不可以有重復(fù)單元，單元法向要一致； d:對(duì)于非板材如轉(zhuǎn)向節(jié)之

23、類的零件盡量劃分成六面體網(wǎng)格，如果形狀比較復(fù)雜，可以用四面體網(wǎng)格代替； e:在檢查網(wǎng)格質(zhì)量時(shí)，不可以存在紅色單元； （5） 編輯單元屬性：定義單元的材料、單元類型，如果是殼單元，還要定義單元的厚度； （6） 裝配要求：裝配在一個(gè)模型中的各個(gè)零件的單元之間不可以有穿透； （7） 加載要求： a:加載約束與力的方向一定要符合要求的坐標(biāo)系的方向；不同工況下的力與約束要放在不同的組中； b:在靜態(tài)分析中，要保證被約束的零件在空間沒有位移，否則運(yùn)算會(huì)出現(xiàn)運(yùn)算錯(cuò)誤； （8） 輸出文件： a:在前處理軟件中，各個(gè)零件組的命名要有統(tǒng)一的編號(hào)； b:為保證零件單元與幾何的完整性，需要備份的文件

24、要有hm格式的備份。 （9） 提交運(yùn)算：設(shè)置運(yùn)算與輸出條件，將文件保存后提交給ABAQUS等求解器中進(jìn)行運(yùn)算； （10） 分析結(jié)果：在Hyperview中觀察運(yùn)算結(jié)果，如：最大應(yīng)力與最大位移的云圖與數(shù)值、剛度曲線、模態(tài)的振型及頻率等，并輸出圖片或數(shù)據(jù)。 4.3運(yùn)動(dòng)學(xué)分析要求數(shù)模要求：要求設(shè)計(jì)工程師提供整個(gè)機(jī)構(gòu)的的裝配圖，并提供各個(gè)零部件的硬點(diǎn)坐標(biāo)、質(zhì)量等相關(guān)參數(shù)；對(duì)于彈性元件如彈簧、減振器等要輸入其剛度、阻尼數(shù)據(jù)； （1） 運(yùn)動(dòng)學(xué)建模 a: 用給定的數(shù)據(jù)建立點(diǎn)、零件體等； b: 建立運(yùn)動(dòng)副，添加力、驅(qū)動(dòng)等； b: 檢驗(yàn)?zāi)Ｐ?，剛體之間約束副約束的自由度的方向一定要與物理模型的方向一

25、致，否則會(huì)造成機(jī)構(gòu)鎖死； （2） 仿真分析 a:進(jìn)行仿真過程中，分析時(shí)間與步長(zhǎng)要相互匹配，一般步長(zhǎng)越小，仿真的效果越好，但是運(yùn)算的時(shí)間比較長(zhǎng)； b:只有在模型的自由度為零時(shí)，才可以進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，在自由度不為零時(shí)，可以進(jìn)行靜平衡分析及動(dòng)力學(xué)分析； （3） 輸出仿真動(dòng)畫：可以將機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)輸出成avi格式的動(dòng)畫，用于生成分析報(bào)告；如有需要可以進(jìn)行零件之間的干涉檢驗(yàn)； （4） 輸出曲線：在輸出曲線時(shí)，注意橫坐標(biāo)與縱坐標(biāo)的匹配關(guān)系，默認(rèn)橫坐標(biāo)為時(shí)間； 5 計(jì)算、分析輸出的表達(dá)方式（文字+公式、圖形、圖表） 5.1軟件應(yīng)用要求 （1） 前處理軟件用Hypermesh; （2） 線性剛度

26、、強(qiáng)度模態(tài)、頻響分析用NASTRAN軟件； （3） 非線形分析用ABAQUS軟件； （4） 碰撞分析用LS-DYNA軟件； （5） 多體分析用ADAMS軟件; （6） 后處理軟件用Hyperview。 5.2 CAE分析概述 5.2.1白車身分析描述： 白車身的結(jié)構(gòu)分析大體可以分為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度、靜態(tài)彎曲剛度分析及模態(tài)分析，白車身的機(jī)構(gòu)分析目標(biāo)值如下表（1）： 表（1） 目標(biāo)值 C-Class PNGV-Class 靜態(tài)彎曲剛度（N/mm） 11,000 12,000 靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度（N/mm） 12,000 13,000 一階彎曲模態(tài)（Hz） 48 48 一

27、階扭轉(zhuǎn)模態(tài)（Hz） 35 40 白車身的剛度模型是基于白車身的CAD模型建立的，在CAE模型上添加載荷及邊界條件，確定工況（即彎曲和扭轉(zhuǎn)），剛度模型由三角形與四邊形的混合殼單元構(gòu)成，焊點(diǎn)模型采用剛性單元。兩種類型車的CAE模型規(guī)格見表（2）： 表（2） 剛度模型尺寸 C-Class PNGV-Class 節(jié)點(diǎn)數(shù) 約61000 約66100 單元數(shù) 約59000 約64000 1） 扭轉(zhuǎn)剛度邊界條件描述 在約束了白車身在后減振器上點(diǎn)處的縱向、垂直方向和側(cè)向及車身對(duì)稱中心面最前點(diǎn)的垂直方向后，在前減振器上點(diǎn)加載荷，如圖（2）： 圖（2） 2） 彎曲剛度邊界條件描述

28、 在約束了后減振器上點(diǎn)的縱向、側(cè)向和垂直方向及前減振器的垂直方向后，分別在前排坐椅，后排坐椅中心施加載荷，如圖（3）： 圖（3） 5.2.2碰撞分析描述： 5.3分析報(bào)告規(guī)范 5.3.1報(bào)告格式 分析報(bào)告統(tǒng)一用研發(fā)中心發(fā)放的幻燈片標(biāo)準(zhǔn)格式，要有CAE分析原因、分析結(jié)果及相應(yīng)的數(shù)據(jù)、表格、對(duì)比圖片等； 5.3.2白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析 3） 給出白車身扭轉(zhuǎn)變形云圖，如圖（2）： 圖（2） 4） 給出白車身測(cè)量點(diǎn)示意圖，如圖（3）： 圖（3） 5） 給出白車身測(cè)量點(diǎn)位移曲線，如圖（4）： 圖（4） 5.3.3白車身彎曲剛度分析： 1） 給

29、出彎曲變形云圖，如圖（5）： 圖（5） 2） 給出白車身測(cè)量點(diǎn)示意圖，如圖（6）： 圖（6） 3） 給出白車身測(cè)量點(diǎn)位移曲線，如圖（7）： 圖（7） 5.3.4模態(tài)分析 1） 給出白車身一階彎曲的頻率及位移云圖，如圖（8）： 圖（8） 2） 給出一階扭轉(zhuǎn)頻率及位移云圖，如圖（9）： 圖（9） 3） 給出局部模態(tài)頻率及位移云圖，如圖（10）： 圖（10） 4） 給出模態(tài)數(shù)據(jù)結(jié)果表，如表（1）： 表（1） 模態(tài) 頻率值（Hz） 振型描述 1 27.852 發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)擺動(dòng) 2 32.998 彎曲 3 37.703

30、扭轉(zhuǎn) 4 39.213 行李箱局部模態(tài) 5 42.666 彎曲 6 47.225 發(fā)動(dòng)機(jī)倉(cāng)扭轉(zhuǎn) 7 48.353 彎曲、車頭左側(cè)上下擺動(dòng) 8 51.352 后貨架局部模態(tài) 1、風(fēng)道設(shè)計(jì)與分析 采用CFD方法對(duì)M1中華經(jīng)濟(jì)型風(fēng)道和空調(diào)除霜性能進(jìn)行分析，以得到風(fēng)道的風(fēng)量分配、速度矢量、壓力分布以及空調(diào)除霜性能等的情況。分別選擇HVAC、風(fēng)道和車身的內(nèi)表面生成模擬空間，利用STAR-CD軟件對(duì)模型進(jìn)行模擬和預(yù)測(cè)，考察氣流流型以及工作區(qū)參數(shù)（流速、壓力）并進(jìn)行優(yōu)化，直到滿足要求為止。 2、除霜除霧分析 汽車除霜、除霧的溫度風(fēng)

31、速應(yīng)符合GB11555-1994《汽車風(fēng)窗玻璃除霧系統(tǒng)的性能要求及實(shí)驗(yàn)方法》。 3、發(fā)動(dòng)機(jī)艙換熱分析 發(fā)動(dòng)機(jī)艙換熱的目的是使工作中的發(fā)動(dòng)機(jī)得到適度的冷卻，從而使其保持在最適宜的溫度范圍內(nèi)工作。發(fā)動(dòng)機(jī)艙冷卻的CFD分析是目前汽車流場(chǎng)分析過程中必不可少的計(jì)算分析手段，利用該計(jì)算分析技術(shù)，可以保證在發(fā)動(dòng)機(jī)周圍有良好的空氣流動(dòng)，而壓力損失相對(duì)較低。 4、發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒噴霧分析 在汽車內(nèi)燃機(jī)的設(shè)計(jì)和開發(fā)中，CFD已經(jīng)被作為一種重要而有效的工具加以利用。內(nèi)燃機(jī)的燃燒過程很大程度上受燃料與空氣混合程度的影響。這種混合是一種復(fù)雜的瞬態(tài)流動(dòng)。目前，絕大多數(shù)CFD商用軟件均可以解決此問題，它們均提供有求解多元混合流動(dòng)的模塊，而且計(jì)算精度均比較高。 5、其它分析 另外，CFD分析也廣泛應(yīng)用于剎車盤冷卻分析，在汽車制冷風(fēng)扇的葉片設(shè)計(jì)以及液力變矩器流動(dòng)分析，發(fā)動(dòng)機(jī)三維催化裝置等分析中，而且在發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻水套分析，底盤、外形優(yōu)化、后視鏡及繞流部件的阻力分析，汽動(dòng)噪音分析，油箱加注分析中，CFD分析結(jié)果也被大量地使用。