CAE技術(shù)及其在車輛行業(yè)的應(yīng)用

文在簡要介紹CAE及其分支虛擬樣機技術(shù)的基礎(chǔ)上，以世界幾個著名公司的CAE應(yīng)用情況闡明了CAE技術(shù)的重要作用。本文以作者所在單位的具體情況為出發(fā)點，闡述了應(yīng)用CAE技術(shù)的迫切性和美好的應(yīng)用前景，并結(jié)合作者的實踐，提出了一些具體建議。

一、CAE技術(shù)簡介

1.CAE技術(shù)

隨著科技的發(fā)展進步，產(chǎn)品在趨于多樣化、智能化的同時，會不可避免地趨于復(fù)雜化。對于復(fù)雜的工程，人們都希望能在產(chǎn)品生產(chǎn)以前對設(shè)計方案進行精確的試驗、分析和論證，這些工作需要借助計算機實現(xiàn)，就是計算機輔助工程，即CAE（Computer Aided Engineering）。CAE是包括產(chǎn)品設(shè)計、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗、仿真和制造的一個綜合過程，關(guān)鍵是在三維實體建模的基礎(chǔ)上，從產(chǎn)品的設(shè)計階段開始，按實際條件進行仿真和結(jié)構(gòu)分析，按性能要求進行設(shè)計和綜合評價，以便從多個方案中選擇最佳方案，或者直接進行設(shè)計優(yōu)化。

目前，為了更好地進行各工程階段的工作，設(shè)計人員已越來越多地運用計算機輔助手段，于是產(chǎn)生了一系列的技術(shù)分支，如計算機輔助設(shè)計CAD（Computer Aided Design）、計算機輔助試驗CAT（Computer Aided Test）、計算機輔助工藝過程設(shè)計CAPP（Computer Aided Process Planning）以及計算機輔助制造CAM（Computer Aided Manufacturing）等，有時將它們統(tǒng)稱為CAX技術(shù)。

2.CAE軟件

在工程中應(yīng)用CAE技術(shù)，需要一個載體，而CAE技術(shù)的載體就是CAE軟件。CAE軟件是結(jié)合計算力學、計算數(shù)學、相關(guān)的工程科學、工程管理學和現(xiàn)代計算技術(shù)，而形成的綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品。

CAE軟件大體可以分為專用和通用兩類。

專用軟件，即針對特定類型的對象所開發(fā)的用于性能分析、預(yù)測和優(yōu)化的軟件。從廣義上說，設(shè)計人員手頭的一些小計算程序都可以認為是專用CAE軟件。

通用軟件，即可以對多種類型對象的物理、力學性能進行分析、模擬、預(yù)測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產(chǎn)品技術(shù)創(chuàng)新的軟件。通用CAE軟件主要指大型通用商業(yè)化軟件，如NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及ABAQUS等。

3.CAE內(nèi)涵

CAE技術(shù)主要包括以下三個方面的內(nèi)容：

(1)有限元法的主要對象是零件級，包括結(jié)構(gòu)剛度、強度分析、非線性和熱場計算等內(nèi)容；

(2)仿真技術(shù)的主要對象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)，包括虛擬樣機、流場計算和電磁場計算等內(nèi)容；

(3)優(yōu)化設(shè)計的主要對象是結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)。

從運用有限元法對已設(shè)計產(chǎn)品的性能進行簡單校核，逐步發(fā)展到對產(chǎn)品性能的準確預(yù)測，再到對產(chǎn)品工作過程的精確模擬仿真，有限元法和仿真技術(shù)發(fā)揮了重要作用，贏得了人們的普遍信賴。然而，提高產(chǎn)品競爭力不但需要提高產(chǎn)品的性能、質(zhì)量，也要降低產(chǎn)品的成本，縮短開發(fā)周期。最優(yōu)化技術(shù)引入CAE方法，使人們從繁重的試湊工作中解脫出來，CAE技術(shù)也達到了一個新高度。

在用CAE技術(shù)解決工程實際問題時，需要注意以下兩點。

(1)CAE工作是一項難度較大的工作。一項工作，不會因為有了三維實體模型和載荷就可以馬上得出結(jié)果。實際上，有了三維實體模型以后，需要做大量的模型轉(zhuǎn)換和修改工作才可能得到正確的分析模型，這項工作通常占到工作量的70％以上，情況復(fù)雜時可能需要更長的時間。

(2)一般的CAE分析都基于結(jié)構(gòu)材料無缺陷、不存在工藝問題這樣一種假設(shè)。一個結(jié)構(gòu)如果在使用中偶然出現(xiàn)問題，那可能是結(jié)構(gòu)本身的原因，也可能是材料或工藝方面的原因，但如果問題重復(fù)出現(xiàn)，則一定是結(jié)構(gòu)原因，必須進行CAE分析。如果材料和工藝方面存在問題，一般的CAE分析結(jié)論是不適用的，除非進行有關(guān)材料和工藝的專項CAE分析。

4.CAE在產(chǎn)品研制中的作用

在產(chǎn)品生命周期中，信息量（對產(chǎn)品性能的了解）和風險與研制階段的關(guān)系，如圖1所示。

圖1信息量與風險的關(guān)系

圖中橫坐標是研制階段，縱坐標是信息量和風險，可以看出，掌握的信息量和存在的風險基本上呈軸對稱形態(tài)，掌握的信息量越大，則風險越低。傳統(tǒng)的技術(shù)在早期不能為用戶提供更多的產(chǎn)品信息，高風險也就不可避免，而采用CAE技術(shù)可以提早得到產(chǎn)品信息，使兩條曲線的上升和下降段同時向左移動（如箭圖所示），就可以降低風險。風險的降低，不只可以降低研制成本，還縮短了開發(fā)周期，提高了產(chǎn)品質(zhì)量，增強了產(chǎn)品競爭力，這樣就能夠在競爭日趨激烈的市場上比對手更早推出產(chǎn)品，增加市場占有率。

CAE在降低成本方面的作用，如圖2所示。

圖2 CAE在降低成本方面的作用

在產(chǎn)品研制過程中，多種因素的制約，難免會產(chǎn)生各種問題。以前最常用的解決辦法是，請專家或采用相應(yīng)的分析工具找出原因，采取對應(yīng)措施。通常情況下，雖然提出的修改建議或許只是針對某個零部件的，但對于車輛這樣一個復(fù)雜的系統(tǒng)來說，往往是牽一發(fā)而動全身，在解決一個問題的同時，又可能帶來其他問題。為避免一系列改動，設(shè)計人員有時只好做一些妥協(xié)，雖然能在一定程度上解決問題，但不能根本解決，也就增加了產(chǎn)品投產(chǎn)后的維護成本。

如果在早期采用CAE技術(shù)，雖然加大了前期投入，但降低了后續(xù)的產(chǎn)品開發(fā)費用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多，而且在產(chǎn)品投產(chǎn)后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了產(chǎn)品開發(fā)的總費用，也使產(chǎn)品的上市時間得以提前。

正是考慮到CAE技術(shù)的上述優(yōu)點，在國家經(jīng)貿(mào)委會同國務(wù)院有關(guān)部門于2002年6月制定的《國家產(chǎn)業(yè)技術(shù)政策》中，將CAE技術(shù)納入第一重點產(chǎn)業(yè)技術(shù)發(fā)展方向“高新技術(shù)及產(chǎn)業(yè)化”的重要內(nèi)容。

二、虛擬樣機

1.虛擬樣機技術(shù)

機械工程中的虛擬樣機技術(shù)又稱機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術(shù)，是20世紀80年代隨著計算機技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的一項CAE技術(shù)，它屬于計算機輔助工程的一個重要分支。在虛擬樣機技術(shù)中，工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，再改進樣機設(shè)計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗。

虛擬樣機技術(shù)與有限元方法的主要區(qū)別在于，它是從系統(tǒng)的層面上分析系統(tǒng)，因此虛擬樣機技術(shù)對設(shè)計方法和過程的影響比有限元技術(shù)的影響要大。運用虛擬樣機技術(shù)，可以大大簡化機械產(chǎn)品的設(shè)計開發(fā)過程，大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，大量減少產(chǎn)品開發(fā)費用和成本，明顯提高產(chǎn)品質(zhì)量，提高產(chǎn)品的系統(tǒng)級性能，獲得最優(yōu)化的設(shè)計產(chǎn)品。

目前，虛擬樣機技術(shù)已經(jīng)廣泛地應(yīng)用于各個領(lǐng)域，包括汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)。在各個領(lǐng)域里，針對各種產(chǎn)品，虛擬樣機技術(shù)都可以為用戶節(jié)省開支、時間，并提供令人滿意的設(shè)計方案。

2.虛擬樣機技術(shù)的特點

在虛擬樣機技術(shù)出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的設(shè)計方式是由下到上，即從部件設(shè)計到整機設(shè)計。這種方式的弊端是設(shè)計師往往把注意力集中在細節(jié)上，從而忽略了整體性能。這種事情在我國經(jīng)常發(fā)生，在對國外的引進樣機的整機性能還沒吃透的情況下，就開始照抄零件，結(jié)果很可能是重復(fù)人家走過的彎路，甚至會出現(xiàn)一些笑話。這樣做的結(jié)果只能是產(chǎn)品永遠比別人至少落后一代，水平永遠上不去。而通過虛擬技術(shù)，就能以較低的代價摸索別人的設(shè)計思路，在仿制中改進、創(chuàng)新，提高自己的研發(fā)水平。

在傳統(tǒng)的設(shè)計過程中，通常都是先提出目標，然后進行子系統(tǒng)和部件設(shè)計，再經(jīng)過生產(chǎn)加工組裝成整車，而最后設(shè)計出的產(chǎn)品能否達到設(shè)計要求，只有通過對物理樣機進行試驗才能得出結(jié)論。如果試驗時只發(fā)現(xiàn)一些小問題，那只需要做簡單改動就能夠解決，但如果發(fā)現(xiàn)重大問題或系統(tǒng)問題，可能就需要推翻原設(shè)計。由此可見，這種模式存在很大的盲目性，風險較大。

借助于虛擬樣機技術(shù)，在產(chǎn)品基本設(shè)計完成后，在進行產(chǎn)品加工以前就能夠?qū)φ囆阅苡幸粋€大致的了解，避免代價昂貴的系統(tǒng)設(shè)計失誤。早期階段的虛擬樣機的仿真結(jié)果還可以做零件設(shè)計時參考，例如，動力學或靜力學分析的結(jié)果可以用來指導零件的強度設(shè)計。與傳統(tǒng)設(shè)計過程相比，增加了虛擬裝配、虛擬試驗等過程，產(chǎn)品只有在達到產(chǎn)品要求后，才能進入加工、裝配和實物試驗。

虛擬樣機的作用還可以通過傳統(tǒng)設(shè)計與現(xiàn)代設(shè)計過程的對比來說明。在傳統(tǒng)設(shè)計中，從產(chǎn)品設(shè)計到定型往往要經(jīng)過“設(shè)計－加工－試驗”多次循環(huán)，每次循環(huán)都涉及到物理樣機的加工和試驗，造成大量的時間、人力和物力消耗。而在現(xiàn)代設(shè)計中，在設(shè)計和加工之間增加了虛擬樣機試驗這一環(huán)節(jié)，不用再進行“設(shè)計－加工－試驗”循環(huán)，在節(jié)約費用的同時，有利于及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，實現(xiàn)優(yōu)化設(shè)計，縮短研究開發(fā)周期。

3.虛擬樣機應(yīng)用效果

眾所周知，在產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，越晚發(fā)現(xiàn)問題，就需要花費越高的成本，同時也延長了開發(fā)周期，盡早發(fā)現(xiàn)問題很重要。

豐田汽車開發(fā)過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3 豐田汽車開發(fā)統(tǒng)計數(shù)據(jù)

在九十年代初期的開發(fā)過程中，通過加強各部門之間的溝通和協(xié)調(diào)，可在初樣機前發(fā)現(xiàn)40％的問題，在正樣機前發(fā)現(xiàn)75％的問題。在九十年代中期應(yīng)用三維CAD進行試題設(shè)計后，在初樣車、正樣車前發(fā)現(xiàn)問題的比例分別達到了50％、90％（我們正處于這個階段）。在九十年代末期應(yīng)用虛擬樣機后，在初樣車、正樣車前發(fā)現(xiàn)問題的比例分別達到了80％、95％。既然在正樣機前95％的問題都已發(fā)現(xiàn)并得到解決，則正樣機的重要性大為降低，因此節(jié)省了部分程序，在不影響產(chǎn)品質(zhì)量的前提下將研發(fā)時間和成本縮短了30%～40%。

另據(jù)資料，豐田佳美在采用虛擬樣機技術(shù)后，研發(fā)時間減少了10個月，人力投入減少了20%，研發(fā)成本降低了30%，樣車數(shù)量減少了65%。另一個成功例子是福特公司在采用CAE技術(shù)后，也將開發(fā)每款新車的實驗次數(shù)從300次降到80次。

三、CAE技術(shù)發(fā)展趨勢

CAE技術(shù)的發(fā)展趨勢可以概括為，采用最先進的信息技術(shù)，吸納最新的科學知識和方法，擴充CAE軟件的功能以提高其性能。

這主要包括以下三方面的內(nèi)容。

(1)功能、性能和軟件技術(shù)方面：包括三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實、面向?qū)ο蟮墓こ虜?shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質(zhì)耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析以及適應(yīng)于超級并行計算機和機群的高性能CAE求解技術(shù)。

(2)多媒體用戶界面與智能化：包括多媒體的用戶界面、增強的建模和數(shù)據(jù)處理功能以及智能化用戶界面。

(3)CAX軟件的無縫集成：多種專業(yè)領(lǐng)域的CAE 計算分析軟件的集成化，實現(xiàn)對大型工程和復(fù)雜產(chǎn)品的全面計算分析和運行仿真，將成為CAE 軟件集成化的另一個重要方向。

四、CAE技術(shù)應(yīng)用實例

近幾年，CAE技術(shù)在作者所在單位發(fā)揮了重要作用，解決或輔助解決了許多工程難題，并取得了令人矚目的成績。

下面分別介紹一下去年以來的幾個實際事例。

設(shè)計發(fā)動機機油箱時，對原設(shè)計的結(jié)構(gòu)進行分析，結(jié)果表明如果各安裝位置間沒有相對位移，那么結(jié)構(gòu)應(yīng)力遠小于許用值，結(jié)構(gòu)不會發(fā)生損壞。進一步分析表明，即使安裝位置間有一毫米的相對位移，危險部位也將產(chǎn)生很大的應(yīng)力而引起破壞，這就需要選擇適當?shù)陌惭b固定方式，為改進設(shè)計提供了理論依據(jù)。

為解決型號車多次出現(xiàn)的扭轉(zhuǎn)共振問題，對傳動系統(tǒng)作了多次扭振性能計算，最終找到了合適的聯(lián)軸器參數(shù)，這些參數(shù)在新的設(shè)計方案中得到了應(yīng)用，并通過了實車考核，至今未出現(xiàn)過同類問題。

對兩棲車等水上推進器進行了數(shù)十個方案比較，選出了最佳方案，省去了多次性能試驗，僅以每次直接試驗費用15萬元計算，效益也是很可觀的，這還不包括縮短生產(chǎn)時間所帶來的好處。部分分析結(jié)果已經(jīng)得到了相關(guān)實驗的驗證，兩者誤差不超過5％，充分說明了分析的有效性。

對某型車總體動力學性能進行仿真計算，得到了底盤在通過垂直墻、跨壕溝、爬坡等過程中車輛的一些重要參數(shù)及重要零部件所承受的載荷，為深入了解整車性能和確定零部件載荷打下了基礎(chǔ)，其中大部分參數(shù)是以往很難得到的，甚至在設(shè)計階段是不可能得到的，這對指導設(shè)計有著重要意義。

五、幾點建議

最后，筆者提出以下幾點建議。

(1)要給予CAE足夠的重視。一項新的技術(shù)從提出到應(yīng)用再到產(chǎn)生效益總有一個成長的過程，尤其是在起步階段，還特別需要各個方面的重視和支持，只有這樣，才能共同把這項工作做好。

(2)CAE的價值有很大一部分隱含或體現(xiàn)在設(shè)計工作中，因此，單從CAE部門自身的效益很難看出工作的價值。另外，還要理順關(guān)系，責權(quán)明確，避免出現(xiàn)“做好了是設(shè)計人員的功勞，做不好是分析人員的責任”的現(xiàn)象。

(3)CAE行業(yè)正處于一個快速發(fā)展、成長時期，從業(yè)人員流動性較大，因此有必要從政策上對此予以引導和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保證工作的持續(xù)性。

(4)現(xiàn)在的CAE技術(shù)已經(jīng)基本成熟，CAE軟件的可用性、可靠性和計算效率問題已經(jīng)基本解決，CAE軟件應(yīng)該成為設(shè)計工程師實現(xiàn)工程創(chuàng)新、產(chǎn)品創(chuàng)新的得力助手和有效工具，一些比較簡單的分析計算可以在CAD軟件上直接完成。

(5)及時發(fā)現(xiàn)問題、解決問題。能在設(shè)計早期進行CAE分析，及時發(fā)現(xiàn)可能存在的問題，是對設(shè)計工作的一個重要補充。