汽车设计中CAE 技术的应用分析

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摘要：

在当前社会经济快速发展过程中，汽车已成为人们日常出行的重要工具，这也有效的促进了汽车制造行业的发展。在当前汽车设计工作中，环保意识的增加促使CAE 技术广泛应用，利用CAE 技术来对汽车工艺进行优化和改善，可以有效的降低生产成本，简化了汽车设计的流程，进一步缩短了汽车研发的整体周期，而且对汽车设计的舒适性和安全性的提升也具有积极的促进作用。文中分析了CAE 技术在汽车设计中应用的重要性，并进一步对汽车设计中CAE 技术的应用进行了具体的阐述。

关键词：汽车设计；CAE 技术；安全性能；车架设计；轻量化；覆盖件

目前CAE 在汽车产品设计中应用十分普遍，利用计算机技术分析汽车产品的可靠性和性能，并针对产品的失效形式和运动模式进行仿真模拟，及时找出产品设计问题，并加以完善，全面提高产品的设计质量和性能，积极促进汽车行业的健康发展。

CAE 技术在汽车设计中应用的重要性

1.1 降低研发成本

汽车自身具有较强的复杂性，在汽车设计过程中，要求设计人员要考虑汽车结构特点、未来使用环境及批量生产中存在的问题，并在实际设计过程中，针对整体汽车设计制造过程基于方案设计、样本制造、样车测试及问题改进等步骤进行重复循环，但当应用CAE 技术后，利用CAE 技术中的仿直技术来进行样本制造和测试，可以有效的缩短研发流程，减少研发时长，实现研发成本的降低。

1.2 降低设计风险

在利用CAE 技术进行汽车设计过程中，在具体测试前需要评估预测整体设计方案结构的合理性和性能效果，进一步优化设计中不合理的位置，全面提升设计方案中的稳定性和整车的可操作性，确保设计研发过程中风险下降。

CAE 技术在汽车设计中的应用

2.1 汽车安全性能设计中的应用

汽车设计过程中，为了保证车内人员的生命安全，一般需要实施汽车碰撞和防碰撞性能试验。传统汽车设计工作中，在设计方案完成后，宜制造样本实施碰撞试验，以此来对汽车安全性能进行验证。在当前汽车设计中应用CAE 技术过程中，设计人员运用仿真技术来模拟汽车的各种碰撞情况，完成汽车设计过程中的碰撞试验，并对碰撞后汽车变形情况进行验证。整个过程中不需要再利用样本开展碰撞试验，这对于汽车设计成本和风险的降低具有极为重要的意义。

2.2 汽车车架设计中的应用

运用CAE 技术来针对车架及主要附件开展三维设计。通过建立车架模型，搭建车架纵梁、横梁及主要承载零件的模型，将车架及附件承受的质量简化为质心，通过质心位置实施模拟。并利用刚性单元来对轮胎地蚝模拟，确定对轮胎的约束。钢板弹簧则应利用两根刚度不同的弹簧单元进行模拟，采用不同截面的梁单元连接，使其成为一个整体。同时还要在车架上分别施加侧向载荷和纵向载荷，具体宜通过约束前后悬与车架的连接处，实现对车架的约束。并通过不同工况下车架应用进行分析，获得相应工况下准确的车架静态安全因子，以此来保证不同工况下车架的可靠性和安全性。

2.3 CAE 技术在汽车轻量化设计中的应用

2.3.1 车身轻量化设计

车身结构的轻量化对于汽车节能和环节都具有极为重要的意义，由于当前汽车车身质量占整车质量比例较大，通过减轻汽车自身质量，不仅能够实现原材料的节约，降低汽车生产成本，同时还有利于降低燃油消耗，达到环保的目的。在当前计算机技术快速发展的新形势下，在车身轻量化设计中CAE 技术应用十分广泛，并取得了较好的成效。

2.3.2 发动机零部件轻量化设计

对于汽车而言，发动机作为其动力来源，在当前汽车发展过程中，对于发动机的要求不断提升，而且要求现代发动机要具有高效率、高可靠性、体积小及质量轻的特点，同时对燃油消耗率和排放也具有较高的要求。因此宜利用CAE 技术来实现发动机轻量化设计，有效的减轻发动机的质量，这对于降低汽车自身质量具有极为重要的意义。

2.3.3 车架结构轻量化设计

汽车车架是汽车结构件中结构和载荷都很复杂的重要部件，也是人们首先开展结构分析和结构优化设计的研究对象。近年来，随着CAE 技术的发展，拓扑优化技术成为以提高结构性能或减轻结构质量为目标的一种新兴结构设计方法，随着商业有限元分析软件，如ANSYS，NASTRAN 中拓扑优化功能的实现，以及商品化结构优化软件在国内的逐步普及，目前已在车架轻量化设计中得到成功应用。

2.4 CAE 技术在汽车覆盖件中的应用

汽车覆盖件是指构成汽车车身或驾驶室、覆盖发动机和底盘的薄金属板料制成的异形体表面和内部零件。汽车覆盖件模具设计必须采取较高的尺寸精度，保障焊装或组装时的准确性和互换性：形状上要保证质量，不出现压凹痕、褶皱、擦伤等，棱线应清晰、平直，曲线应圆滑、过渡均匀；材料要足够塑性；零件要足够刚性。

应用CAE 技术进行汽车覆盖件模具设计制造需要反复设计，其一般的理论过程主要是：（1）设计零件几何模型。即应用CAE 技术，首先要在根据金属塑性成形过程的材料流动规律，在三维CAD 软件中设计出零件的几何模型，并设计出压料面和工艺补充面。（2）建立有限元模型。根据上述的成形模具的几乎模型建立有限元模型，进行有限元计算。（3）分析试运行结果。如果不满意分析结果，就需要重新返回三维CAD 软件中重新修改零件的几何模型，并将修改或模型再次进行CAE 分析，这其中离不开生产有限元网格和设置成形参数。

结束语

在汽车设计中通过应用CAE 技术，能够提前获取到汽车设计中的缺陷数据，以此来对模具设计进行指导，将模具设计阶段能够将铸件缺陷降至最低，避免反复修改模具，提高试模的成功率，缩短新品开发周期。而且在实际生产过程中应用优化后的模具系统和工艺方案，并通过具体的试模验证，有效的结合铸造理论与生产实践，积极构建一套完善的铸造工艺方案，还能够为其他类似产品开发提供相关的借鉴和指导。

参考文献：

[1]伍家梅.基于CAE技术的汽车内饰板成型工艺分析与模具设计[J].塑料工业，2018(07).

[2]徐群杰，唐琳琳，叶建学.CAE 技术在汽车设计中的运用探讨[J].科技风，2017(24).

[3]高士轩.浅谈CAE 技术在汽车轻量化设计中的应用[J].汽车世界·车辆工程技术，2019(04).

来源：CAE之家

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首次发布时间：2024-06-16