整车开发中的CAE应用

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简介

CAE技术的应用几乎贯穿着汽车研发设计的整个流程，在现代汽车产品设计中扮演的角色也越来越重要。特别是在试验样车和工装样车之前，通过CAE来验证整车性能，并通过优化改进，可以大大降低整车开发问题的风险，提升开发效率，降低开发成本。

一般来说，CAE主要分布于概念设计阶段、详细设计阶段、样车阶段、投产阶段、改进阶段。CAE作为计算机辅助工程，也只能是这几个阶段中的一部分，有CAE则必有设计，有设计则总是需要CAE来辅助，设计出来的产品需要制造，制造出来后又需要试验来验证，因此设计-CAE-试验，构成一个产品设计的回路。

传统的汽车CAE分析，我们按照计算类型的不同来进行分类，分别是刚强度分析、NVH分析、疲劳耐久分析、碰撞安全分析、流体分析。

钢强度分析

刚度是结构在正常工作时的许可变形量，用刚度表示结构抵抗变形的能力, 刚度是结构在外力作用下发生单位变形所需要的力。我们更关注变形量，简单来说刚度好就是变形量不能大；强度是结构在正常工作时能承受的载荷，一般用工作应力的峰值来表示结构强度的水平。我们更关注应力是否超过材料本身的屈服极限或者强度极限。简单来说强度好就是不能坏。刚度和强度可能完全是同一个模型，只是我们关注的点不一样而已。很多时候，工程师是两个点（宏观变形量，微观应力）都关注的，因此，刚度强度也就不区分了，干脆合到一起，叫刚强度了。

NVH分析

汽车在外载荷（路面激励、发动机的怠速和工作转速的激励）的作用下发生振动，用有限元分析的方法识别汽车结构的模态参数（振型、频率和阻尼），对汽车结构的振动噪声和舒适性（NVH，Noise、Vibration，Harshness）进行分析。好的NVH设计，会让车内的人感觉到更平稳，更安静，更舒服。汽车NVH是个很庞大的家族。比如白车身NVH、发动机NVH、动力总成的悬置系统NVH、进排气系统NVH、路面-轮胎-悬架系统的NVH、传动系统NVH、整车NVH等，整体来讲的研究思路就是先解决各个子系统的NVH问题，再整合起来解决匹配后的NVH问题。

疲劳耐久分析

疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。目前采用的CAE方法是利用道路试验所采集的载荷，计算车身及关键部件连接处载荷的时间历程，用有限元方法计算单位载荷作用下的应力应变，结合材料的疲劳破坏试验曲线，计算车身及其他关键部件的疲劳寿命，从而减少道路模拟试验。疲劳耐久性问题是任何机械产品都会面临的问题，无论是燃油汽车还是新能源汽车也都逃不开这个问题。

碰撞安全分析

汽车安全通常可以概括为主动安全与被动安全两块。主动安全领域更多的是涉及电子和软件控制模块，对控制模型的建立和程序的测试；而在被动安全领域则涉及到汽车碰撞、约束系统的设计开发、车身的性能优化、材料性能研究等等，在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓和冲击；二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能，以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。这些方面均需要利用CAE技术进行仿真建模分析，不仅重要而且投入巨大。各个国家都有自己强制性的标准，同时也催生了开展新车评价规程（NCAP- New Car Assessment Program）的相关组织和机构，我国则是由中汽中心主导的C-NCAP，面向社会测试发布新车安全性能。目前CAE分析已成为设计中的一项不可或缺的流程，几乎每一款车型都要进行碰撞安全CAE仿真分析，也积累了丰富的标杆车型和开发车型的分析经验和数据，可以根据不同需求设计出合理的安全车身结构，以满足法规及C-NCAP要求。

流动分析

流场分析是基于计算流体力学 (CFD) 的分析方法。在汽车开发过程中的应用主要集中在：汽车外流分析，以得到较低的空气阻力系数；发动机舱的流场分析，使得发动机舱有畅通的流场分布，将发动机产生的热量高效地带出发动机舱，使得周围部件及驾驶室不至于过热；车内乘员空间的冷热舒适及风窗玻璃除霜除雾分析；发动机燃烧及排放分析；以及发动机进排气及水套流场分析。其中汽车空气动力学的研究将影响整车的造型、风阻、经济性、风噪等，市面上很多车体造型炫酷，流线动感，各种空气动力学组件使用都是基于提升整车空气动力学性能。