你不知道的CAE小常識（十九）

汽車公司建立高性能的計算機輔助工程分析系統(tǒng)，其專業(yè)CAE隊伍與產(chǎn)品開發(fā)同步地廣泛開展CAE應(yīng)用，在指導(dǎo)設(shè)計、提高質(zhì)量、降低開發(fā)成本和縮短開發(fā)周期上發(fā)揮著日益顯著的作用。CAE應(yīng)用于車身開發(fā)上成熟的方面主要有：剛度、強度（應(yīng)用于整車、大小總成與零部件分析，以實現(xiàn)輕量化設(shè)計）、NVH分析（各種振動、噪聲，包括摩擦噪聲、風(fēng)噪聲等）、機構(gòu)運動分析等；而車輛碰撞模擬分析、金屬板件沖壓成型模擬分析、疲勞分析和空氣動力學(xué)分析的精度有進一步提高，已投入實際使用，完全可以用于定性分析和改進設(shè)計，大大減少了這些費用高、周期長的試驗次數(shù)；虛擬試車場整車分析正在著手研究，此外還有焊裝模擬分析、噴涂模擬分析等。

一、剛度和強度分析

有限元法在機械結(jié)構(gòu)強度和剛度分析方面因具有較高的計算精度而到普遍采用，特別是在材料應(yīng)力-應(yīng)變的線性范圍內(nèi)更是如此。另外，當(dāng)考慮機械應(yīng)力與熱應(yīng)力的偶合時，像ANSYS、NASTRAN等大型軟件都提供了極為方便的分析手段。

（1）車架和車身的強度和剛度分析：車架和車身是汽車中結(jié)構(gòu)和受力都較復(fù)雜的部件，對于全承載式的客車車身更是如此。車架和車身有限元分析的目的在于提高其承載能力和抗變形能力、減輕其自身重量并節(jié)省材料。另外，就整個汽車而言，當(dāng)車架和車身重量減輕后，整車重量也隨之降低，從而改善整車的動力性和經(jīng)濟性等性能。

（2）齒輪的彎曲應(yīng)力和接觸應(yīng)力分析：齒輪是汽車發(fā)動機和傳動系中普遍采用的傳動零件。通過對齒輪齒根彎曲應(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。

（3）發(fā)動機零件的應(yīng)力分析：以發(fā)動機的缸蓋為例，其工作工程中不僅受到氣缸內(nèi)高壓氣體的作用，還會產(chǎn)生復(fù)雜的熱應(yīng)力。缸蓋開裂事件時有發(fā)生。如果僅采用在開裂處局部加強的辦法加以改進，無法從根本上解決問題。有限元法提供了解決這一問題的根本途徑。

 

 

 
二、NVH分析

近年來，隨著人們環(huán)保意識的增強，對汽車提出了更高要求。為此，國際汽車界制定NVH標(biāo)準(zhǔn)，即噪音(Noise)、振動(Vibration)、平穩(wěn)(Harshness)三項標(biāo)準(zhǔn)，通俗稱為乘坐轎車的“舒適感”。

　對NVH標(biāo)準(zhǔn)的一項試驗表明，用顧客較喜歡的轎車作試驗，在用水泥鋪得較平坦的公路上，轎車以時速40公里的速度行駛，如將歐洲產(chǎn)轎車的NVH以100%作標(biāo)準(zhǔn)，日本轎車則為75%，韓國轎車為50%。歐洲轎車懸架技術(shù)較高，所以乘坐舒適，日本轎車設(shè)計時將人體工程學(xué)考慮在內(nèi)，對提高乘坐舒適感有很大幫助。

三、機構(gòu)運動分析

機構(gòu)運動分析就是根據(jù)原動件的已知運動規(guī)律，求該機構(gòu)其他構(gòu)件上某些點的位移、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。通過對機構(gòu)進行位移或軌跡的分析，可以確定某機構(gòu)件在運動時所需得空間，判斷當(dāng)機構(gòu)運動時各構(gòu)件之間是否會互相干涉，確定機構(gòu)中從動件的行程，考察構(gòu)件上某一點能否實現(xiàn)預(yù)定的位置或軌跡要求。通過對機構(gòu)進行速度分析，可以了解從動件的速度變化規(guī)律能否滿足工作要求，了解機構(gòu)的受力情況。通過對機構(gòu)進行加速度分析，可以確定各構(gòu)件及構(gòu)件上某些點的加速度，了解機構(gòu)加速度的變化規(guī)律。機構(gòu)運動分析的方法很多，主要有圖解法和解析法。

四、車輛碰撞模擬分析

汽車作為現(xiàn)代化交通工具，在給人們的生活帶來便利與樂趣的同時，也因其引起的交通事故給人類的生命和財產(chǎn)帶來極大的威脅和傷害。因此，汽車的安全性是汽車廠商、消費者、政府部門高度關(guān)注的問題。汽車的安全性可劃分為主動安全性和被動安全性。主動安全性是指汽車能夠識別潛在的危險自動減速，或當(dāng)突發(fā)的因素出現(xiàn)時，能夠在駕駛員的操縱下避免發(fā)生交通事故的性能；被動安全性是指汽車發(fā)生不可避免的交通事故后，能夠?qū)噧?nèi)乘員或行人進行保護，以免發(fā)生傷害或使傷害降低到最小程度。交通事故原因的統(tǒng)計分析表明，以預(yù)防事故發(fā)生的主動安全性只能避免5％的事故，因此提高汽車被動安全性日趨重要。

五、金屬板沖壓成型模擬分析

由于沖壓成型材料利用率高，產(chǎn)品質(zhì)量穩(wěn)定，易于實現(xiàn)自動化生產(chǎn)，故這一工藝方法在汽車生產(chǎn)中得到廣泛應(yīng)用。在傳統(tǒng)的沖壓生產(chǎn)過程中，無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、制造，都要經(jīng)過多次修改才能確定。這種反復(fù)的調(diào)試過程造成企業(yè)人力、物力和財力的大量消耗，導(dǎo)致生產(chǎn)成本高，生產(chǎn)周期難以保證。

沖壓成型過程數(shù)值模擬技術(shù)的出現(xiàn)為改變這種傳統(tǒng)模式提供了強有力的工具。通過對沖壓過程模擬分析得到最佳模具結(jié)構(gòu)和工藝條件，并能通過對板材沖壓過程數(shù)值模擬，在計算機上觀察到模具結(jié)構(gòu)、沖壓工藝條件（如壓邊力、沖壓方向、摩擦潤滑等）和材料性能參數(shù)（如皺曲、破裂）的影響，還可以提供最佳鈑料形狀、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)使試模時間大大縮短，從而減少制模成本。

 
六、疲勞分析

傳統(tǒng)的疲勞技術(shù)由許多經(jīng)驗公式組成。這些經(jīng)驗公式根據(jù)一些理論框架，從材料、零件或結(jié)構(gòu)的疲勞試驗數(shù)據(jù)中擬合而成。驗證產(chǎn)品的疲勞性能一般需要進行疲勞試驗。疲勞分析依賴于準(zhǔn)確的試驗數(shù)據(jù)，同時也需要得到試驗驗證。過去，常規(guī)設(shè)計定型樣機疲勞試驗需要幾年甚至更多時間來發(fā)現(xiàn)設(shè)計失誤、修改設(shè)計。現(xiàn)代疲勞壽命設(shè)計技術(shù)是以電子技術(shù)（數(shù)字信息）和計算機技術(shù)（數(shù)字仿真）結(jié)合進入機械設(shè)計領(lǐng)域，將機械強度壽命由定性設(shè)計提高到定量設(shè)計。它立足于隨機、動態(tài)，整個受載過程的每一實時信號都參與設(shè)計，而不僅僅是一個最大值。現(xiàn)代疲勞試驗技術(shù)只需在計算機上用仿真技術(shù)，用載荷譜模擬和加載，預(yù)測壽命和反饋優(yōu)化。這可把試驗時間壓縮到原來的十分之一、百分之一，大大降低了開發(fā)成本，縮短了開發(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，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，可以在試車場上按一定的比例混合各種路面及各種事件（如開門、關(guān)門、剎車等），重現(xiàn)這一載荷輸入。這一載荷重現(xiàn)通常可能在較短的時間里完成，因此，可以達到試驗加速的目的。

七、空氣動力學(xué)分析

汽車空氣動力學(xué)主要是應(yīng)用流體力學(xué)的知識，研究汽車行駛時，即與空氣產(chǎn)生相對運動時，汽車周圍的空氣流動情況和空氣對汽車的作用力（稱為空氣動力），以及汽車的各種外部形狀對空氣流動和空氣動力的影響。此外，空氣對汽車的作用還表現(xiàn)在汽車發(fā)動機的冷卻、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、甚至刮水器的性能等方面的影響。

為了減少空氣阻力系數(shù)，現(xiàn)代轎車的外形一般用園滑流暢的曲線去消隱車身上的轉(zhuǎn)折線。前圍與側(cè)圍、前圍、側(cè)圍與發(fā)動機罩，后圍與側(cè)圍等地方均采用園滑過渡，發(fā)動機罩向前下傾，車尾后箱蓋短而高翹，后冀子板向后收縮，擋風(fēng)玻璃采用大曲面玻璃，且與車頂園滑過渡，前風(fēng)窗與水平面的夾角一般在25度－33度之間，側(cè)窗與車身相平，前后燈具、門手把嵌入車體內(nèi)，車身表面盡量光潔平滑，車底用平整的蓋板蓋住，降低整車高度等等，這些措施有助于減少空氣阻力系數(shù)。

八、虛擬試車場整車分析

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。美國工程技術(shù)合作公司（ETA）在ANSYS/LS-DYAN軟件平臺上二次開發(fā)推出的虛擬試驗場技術(shù)（virtual proving ground, VPG）就是一個對整車系統(tǒng)性能全面仿真實用軟件的代表。VPG技術(shù)是汽車CAE技術(shù)領(lǐng)域中一個很有代表性的進展。

VPG是在NASYS/LS-DYAN軟件平臺上二次開發(fā)推出的，以整車系統(tǒng)為分析對象，考慮系統(tǒng)各類非線性，以標(biāo)準(zhǔn)路面和車速為負(fù)荷，對整車系統(tǒng)同時進行結(jié)構(gòu)疲勞、權(quán)頻率振動噪聲分析和數(shù)據(jù)處理、以及碰撞歷程仿真，達到在產(chǎn)品設(shè)計前期即可得到樣車道路實驗結(jié)果的“整車性能預(yù)測”效果的計算機仿真技術(shù)。

九、焊裝模擬分析

機器人在車身焊裝工位上的大量應(yīng)用提高了車身的焊接質(zhì)量，縮短了生產(chǎn)加工時間。但如何能夠快速而準(zhǔn)確地完成全部焊點的加工，即如何規(guī)劃機器人焊接路徑問題，是目前汽車制造企業(yè)迫切需要解決的問題。

傳統(tǒng)的機器人焊接路徑規(guī)劃方法是根據(jù)設(shè)計人員提供的工位上的焊點數(shù)量和焊接順序，由工藝人員根據(jù)經(jīng)驗或類似工藝離線編制機器人加工程序，設(shè)計加工工藝。所編寫的程序輸入到相應(yīng)設(shè)備中，在實驗室里預(yù)操作，記錄下每次偏差位置，重新編程、設(shè)計直至滿足生產(chǎn)要求。這不僅耗時、費力，同時對于多機器人加工的碰撞問題無法解決。一旦涉及多機器人協(xié)同加工，則往往在實驗室中采用步進式逼近方法配合專家經(jīng)驗加以解決，以免發(fā)生碰撞，損壞設(shè)備。

為此，現(xiàn)代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，運用相應(yīng)的優(yōu)化算法對車身焊裝工位的機器人加工路徑進行離線規(guī)劃，并通過仿真加工進行驗證，從而達到指導(dǎo)實際生產(chǎn)的目的。虛擬制造的基礎(chǔ)是采用計算機支持的技術(shù)，應(yīng)用數(shù)字建模和仿真技術(shù)、虛擬現(xiàn)實技術(shù)等來模擬生產(chǎn)、加工和裝配等過程，在計算機上將產(chǎn)品“制造”出來，實現(xiàn)將工藝過程轉(zhuǎn)為數(shù)字化操作，再由數(shù)字化操作指導(dǎo)實際生產(chǎn)。通過建立生產(chǎn)加工的仿真模型研究制造活動，使用戶在設(shè)計階段能夠了解產(chǎn)品未來制造過程，實現(xiàn)對生產(chǎn)系統(tǒng)性能有效的預(yù)測與評價。在仿真環(huán)境下的試運行，有利于進行多工藝方案比較，更有利于多機器人焊接軌跡的選取與優(yōu)化。

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