CAE设计的分类及发展方向Word格式文档下载.docx

1、由于有限元的应用 越来越深入，人们关注的问题越来越复杂，耦合场的求解必定成为CAE软件的发展方向： 1.5程序面向用户的开放性随着商业化的提高，由于用户的要求下差万别，因此必须给用户一个开放的坏境，允许用户 根据自己的实际情况对软件进行扩充，包扌舌用户自定义单元特性、用户自定义材料本构（结 构本构、热本构、流体本构）、用户自定义流场边界条件、用户自定义结构断裂判据和裂纹 扩展规律等等。2适用的范闱及在汽车设计中能解决的实际问题CAE与传统的工程验算或强度校核计算是一脉相承的，随着有CAE技术的完善，它已经成 为现代产品开发中关键的一部分，核心作用是对产品质量的控制和提升。汽车CAE在国外 已经

2、得到非常广泛和深入的应用，通过对产品的全面仿真模拟计算，达到对产品性能的全方 位预演和掌控。在现代汽车企业的竞争中，产品的质量、成本和投放市场的周期是最核心的 竞争力的体现。CAE在汽车开发中的作用也主要体现在这三个方面，它能指导设计工程师 完成最优化的设计，计算机模拟又能犬量的压缩样车试验论证的内容和周期。汽车CAE,几乎已经涵盖了我们对汽车性能要求的所有方面，包括刚度、强度、疲劳寿命、 振动噪声、运动与动力性分析、碰撞仿真和乘员保护、空气动力学特性等等；主要能解决的 实际工程问题如下：2.1汽车碰撞及乘员安全性分析：汽车碰撞主要分为两个领域：结构碰撞分析和乘员安全分析。结构碰撞用来模拟在碰

3、撞过程中汽车结构本身所表现出来的性能:主要吸能部件的能量吸收 情况、乘员生存空间的变化情况、与乘员接触区域的速度、加速度的变化等。通过修改结构、 更换金属材料等方式提高汽车本身的耐撞性能，从而达到在设计初期优化设计、并缩短研发 周期、节约经费的目的。当前主要的汽车结构碰撞法规有前碰、偏置碰、侧碰、后碰。汽车结构碰撞模型包扌舌：有限元网格（车身、底盘、四门两盖、动力总成、转向系统、油箱 及排气系统）、材料模型（汽车材料的应力应变曲线、应变率曲线、饭金料厚）、胶套的力学 曲线（底盘、发动机悬置、排气系统吊挂）、焊点的失效力。乘员安全分析主要模拟在碰撞过程中假人的响应情况，相应于结构碰撞，主要考虑假

4、人在正 碰、偏置碰、侧碰、后碰过程中假人的响应，模拟假人的损伤情况。主要性能指标有：头部 HIC值、头部加速度、颈部损伤、胸部压溃量、人腿受力等。通过修改车体结构、重新匹配 乘员约束系统等方式，从而达到减小碰撞过程中乘员损伤的目的。乘员安全分析模型包拾：假人、座椅、安全带、安全气囊。当前常用的有限元假人有LSTC假人和FTSS假人，LSTC假人的单元较少、精度一般，但 计算速度快，因此一般常用于设计初期。而FTSS假人计算速度慢，常用于后期的设计验证。 安全带模型必须具有正确的卷收器拉出和回收的力学性能曲线，并准确定位。安全气囊模型 需要定义输入气体的质量流曲线、温度流曲线、织物及泄露孔的气体

5、泄露等。汽车碰撞是一个繁琐的模拟过程，在其间有太多的因素影响分析结呆，因此必须有实验作为 验证，以实验为基准来调整模型，这样的分析结果才有更高的可信度。2.2多体运动与动力性能分析：多体动力学分析是复杂机械系统的机构分析，是分析系统运行过程中这些部件间的相对运动 关系；多体动力学仿真软件ADAMS的汽车专业模块可以模拟包括车身、悬架、传动系统、 发动机、转向机构、制动系统等，可以在高速动画卞直观的再现在各种实验工况下（例如: 天气、道路状况、驾驶员经验）整车动力学响应，并输出标志操纵稳定性、制动性、乘坐舒 适性和安全性的特征参数。也可以同控制系统模拟相结合，协助开发如AES、ESP等制动 系统

6、；也可以通过其驾驶员模拟驾驶员的行为特征，确定各种操纵工况（如：稳态转向、转 弯制动、ISO变线实验、侧向风实验等），同时确定转向盘转角和转矩，加速踏板位置、作 用在制动踏板上的力、离合器的位置、变速器挡位等，提高车辆动力学仿真的真实感，还可 以通过调整驾驶员行为适应各种汽车特定的动力学特性，并具有记忆功能。多体动力学分析也町以模拟汽车局部机构的静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加速度和反作用力曲线，也町以预测虎拟机械系统的运动范I判、碰撞检测、峰值载荷以及计 算有限元的输入载荷等。2.3流体动力学分析：汽车空气动力学研究主要有两种方法，一种是进行风洞实验，一种是利用CFD（C o

7、mp u tationalFluidDynamic s）程序进行数值模拟，即计算流体动力学分 析。传统的风洞实验结果一般可靠性比较高，但由于它有许多局限性，如风洞实验成本高、 周期长、需要制作一系列油泥模型等，阻碍了它在汽车设计中的应用。与风洞实验相比， CFD方法精度不如风洞实验，但却几乎克服了它的所有局限性。在过去的十几年中，随着 计算机技术的发展，CFD被越来越多的应用到汽车设计中。CFD使用的方法是对所需分析的问题先抽象出其流场的控制方程，然后再用计算数学的算 法将其离散到一系列空间网格节点上求其离散的数值解的一种方法。控制一切流体流动的基 本定律是：质量守恒定律、动量守恒定律和能量守

8、恒定律。由它们可以分别导出连续性方程、 动量方程（又称纳维尔一斯托克斯方程）和能量方程。由它们可以联立得到纳维尔一斯托克斯 方程组，简称为N-S方程组。N-S方程组是流体流动所需遵守的普遍规律。CFD在汽车领域中的大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。空气动力学指标是 汽车（特别是轿车）最重要的参数之一,它对汽车的动力性、经济性、操纵稳定性等有着极其重 要的影响。根据对汽车的不同部位的大量的计算结果表明修改车身的几何外形不应该仅仅依 据对气动阻力大小的影响，局部流场结构同样非常重要。通过CFD的模拟能够确定局部几 何形体的改变对气动力的影响，并且能够直接比较两种不同车身设计的气动性能。C

9、FD软件 是进行车型空气动力学性能选优的重要工具。在汽车内燃机的设计和开发中，CFD已经被作为一种重要而有效的工具加以利用。内燃机 的燃烧过程很人程度上受燃料与空气混合程度的影响。这种混合是一种复杂的瞬态流动。目 前，绝人多数CFD商用软件均可以解决此问题，它们均提供有求解多元混合流动的模块， 而且计算精度均比较高。另外，CFD分析也广泛应用于汽车空调与风道系统的开发，乘员舱热舒适性分析，除霜/除 雾分析，发动机舱换热分析：而且在发动机冷却水套分析，底盘、外形、后视镜及绕流部件 的阻力分析，汽动噪音分析，油箱加注分析，刹车盘冷却分析，在汽车制冷风扇的叶片设计 以及液力变矩器流动分析，增压器流动

10、分析，发动机进排气系统分析，发动机三维催化装置 等分析中，CFD分析结果也被大量地使用。2.4强度分析：可以计算白车身、四门两盖的刚度、强度；底盘零部件及其他汽车零件的刚度、强度校合计 算。可以虚拟计算白车身、前后门，前后盖等的刚度、强度及在各阶模态下的振型、频率; 也可以虚拟计算各个零部件在各种极限工况下的位移、应力云图，得出最人应力、位移的数 值及发生的位置等。2.5NVH模拟分析：NVH是指Noise （噪声）、Vibration （振动）、Haislmess （声振粗糙度），由于他们在车辆等 机械中是同时出现且密不可分的，因此常把它们放在一起来研究。简单地讲，乘员在汽车中 的一切触觉和

11、听觉感受都属于NVH研究的范畴，此外，还包括汽车零部件由于振动引起的 强度和寿命等问题。从NVH的观点来看，汽车是一个由激励源（发动机、变速器等）、振动传递器（由悬挂系统和 边接件组成）和噪声发射器车身）组成的系统。汽车NVH特性的研究应该是以整车作为研 究对象的，但由于汽车系统极为复杂，因此经常将它分解成多个子系统进行研究，如底盘子 系统（主要包扌舌前、后悬架系统）、车身子系统等，也可以研究某一个激励源产生的或某一种 工况下的NVH特性。基于CAE技术，要分别建立汽车的白车身、闭合件、悬架、动力总成、转向系统、声腔、 座椅乘员等各子系统的有限元模型，然后再装配成整车模型。利用Nasuan.

12、ABAQUS等求 解器来模拟汽车的工作状态，在整车模型上施加相应动态裁荷，计算出动态响应、得到相应 动态性能进行评估和优化设计。针对上述子系统，应用模态分析、瞬态响应分析、随机响应分析、频率响应分析来模拟各种 工作状态。对于驾驶舱要使用声振耦合分析来模拟。2.6车身及其零部件的结构构优化、疲劳分析等：工可以通过对零部件进行结构优化，达到零件减重，提高刚度强度的效果； b:可以对零部件在设计阶段进行疲劳分析，从而可以预估零件的使用年限；3目前主流CAE软件的应用特点3.1Hypermesh：HyperMesh是一个高性能的有限元前后处理器，它能让CAE分析工程师在高度交互及可视 化的环境下进行仿

13、真分析工作。与其他的有限元前后处理器比较，HypeiMesh的图形用户界 面易于学习，特别是它支持直接输入已有的三维CAD几何模型（Pro/E,CATIA等）已有的有限 元模型，并且导入的效率和模型质量都很高，可以大大减少很多重复性的工作，使得CAE 分析工程师能够投入更多的精力和时间到分析计算工作上去。在处理几何模型和有限元网格 的效率和质屋方面，HyperMesh具有很好的速度，适应性和可定制性，并且模型规模没有软 件限制。高速度、高质量的自动网格划分极人地简化复杂几何的有限元建模过程。同样， Hypermesh也具有先进的后处理功能，可以保证形象地表现各种各样的复杂的仿真结果，如 云图，

14、曲线标和动画等。3.2NASTRAN：NASTRAN是一具有高度可靠性的结构有限元分析软件，它的分析功能覆盖了绝人多数工程 应用领域，并为用户提供了方便的模块化功能选项，主要功能模块有基本分析模块（含静力、 模态、屈曲、热应力、流固耦合等）、动力学分析模块、热传导模块、非线性分析模块、设 计灵敏度分析及优化模块、超单元分析模块、气动弹性分析模块等；3.3ABAQUS：ABAQUS是一套功能强人的模拟工程的有限元软件，其解决的问题从相对简单的线形分析 到许多复杂的线形问题。它包括一个十分丰富的、可模拟任意实际形状的单元库。并与之对 应拥有各种类型的材料模型库，町以模拟人多数典型工程材料的性能，其

15、中包括金属、橡胶、 高分子材料、复合材料、钢筋混凝土、可压缩有弹性的泡沫材料以及类似于土和岩石等地质 材料。3.4LS-DYNA：LS-DYNA作为通用非线形有限元软件，其分布存储显示解算器提供了最快的计算速度，主 要用来分析三非弹性结构的非线形动态响应。其全自动接触分析能力和错误校验功能可以帮 助用户解决复杂的碰撞和成型问题。3.5ADAMS：ADAMS软件是机械体统动力学仿真软件，它使用交互试图形坏境和零件库、约束库、力库 等创建完全参数化的几何模型，求解器采用多刚体系统动力学理论中的拉格朗口方程方法, 建立系统动力学方程，对虚拟机械系统进行静力学、运动学和动力学分析，输出位移、速度、 加

16、速度和反作用力等曲线。ADAMS软件的仿真可用于预测机械系统的性能、运动范闱、碰 撞检测、峰值载荷以及计算有限元的输入载荷等。ADAMS软件还有针对不同行业开发的专 业模块，其中汽车行业模块包括ADASWCar（轿车模块）、ADAMS/Chassis（底盘模块）、 ADANIS,Dnver（驾驶员模块）、ADAMS/3D Road（三维路面模块）、ADAMS/Tire（轮胎模块）、 ADANIS/Engine powered by FEV（发动机设计模块）；还包括与有限元分析软件及CAD软件 的接口模块等。3.6Star-CD:STAT-CD是流体分析软件，它采用基于完全非结构化网格和有限体积

17、方法的核心解算器， 具有丰富的物理模型、内存占用较小、具有易用性、收敛性和二次开发接II。用于汽车、航 空航天、兵器、核动力、家电等行业的流体分析。4针对整车及各系统CAE设计的技术要求、能够达到的精确程度及设计流程4.1CAE设计流程:见图（1）图（1）4.2FEA （有限元分析）设计要求：（1） CAD数模要求：设计工程师提供完整的CATIA数模，数模坐标系为车身坐标系： 特别涉及到焊点的零部件，一定要有完整的焊点数模；（2） 模型清理：CAD模型导入到前处理软件后，连接面之间不可以有重复边，不可以 有重复面存在：（3） 材料特性要求：要求输入材料的密度、弹性模量、泊松比；对于有橡胶衬套的

18、零件 要有衬套的刚度数据：（4） 网格划分要求：工对于板材件，划分成四边形与三角形混合类型的网格，三角型网格的数量要尽可能的少：对于有孔的的面，位置不重要的小孔可以忽略不计，位置比较重要的孔周围不可以有三角 形；c:在同一个零件中，为保证单元之间的连续性，必须合并模型的所有重节点，不可以有重复 单元，单元法向要一致；d:对于非板材如转向节之类的零件尽量划分成六面体网格，如果形状比较复杂，可以用四面 体网格代替；e:在检查网格质量时，不可以存在红色单元；（5） 编辑单元属性：定义单元的材料、单元类型，如果是壳单元，还要定义单元的厚度;（6） 装配要求：装配在一个模型中的各个零件的单元之间不可以有

19、穿透；（7） 加载要求：a:加载约束与力的方向一定要符合要求的坐标系的方向：不同工况下的力与约束要放在不同 的组中；b:在静态分析中，要保证被约束的零件在空间没有位移，否则运算会出现运算错误：（8） 输出文件：久在前处理软件中，各个零件组的命名要有统一的编号；为保证零件单元与几何的完整性，需要备份的文件要有hm格式的备份。（9） 提交运算：设置运算与输出条件，将文件保存后提交给ABAQUS等求解器中进行 运算；（10） 分析结果：在Hyperview中观察运算结果，如：最人应力与最大位移的云图与数值、 刚度曲线、模态的振型及频率等，并输出图片或数据。4.3运动学分析要求数模要求：要求设计工程师

20、提供整个机构的的装配图，并提供各个零部件的硬点坐标、质量等相关参数；对于弹性元件如弹簧、减振器等要输入其刚度、阻尼数据;（1） 运动学建模用给定的数据建立点、零件体等；建立运动副，添加力、驱动等；检验模型，刚体之间约束副约束的自由度的方向一定要与物理模型的方向一致，否则会 造成机构锁死；（2） 仿真分析工进行仿真过程中，分析时间与步长要相互匹配，一般步长越小，仿真的效果越好，但是运 算的时间比较长；只有在模型的自由度为零时，才可以进行运动学分析，在自由度不为零时，可以进行静平 衡分析及动力学分析；（3） 输出仿真动画：可以将机构的运动输出成aw格式的动画，用于生成分析报告：如 有需要可以进行零

21、件之间的干涉检验；（4） 输出曲线：在输出曲线时，注意横坐标与纵坐标的匹配关系，默认横坐标为时间；5计算、分析输出的表达方式（文字+公式、图形、图表）5.1软件应用要求（1） 前处理软件用Hypeimesh;（2） 线性刚度、强度模态、频响分析用NASTRAN软件；（3） 非线形分析用ABAQUS软件；（4） 碰撞分析用LS-DYNA软件；（5） 多体分析用ADAMS软件；（6） 后处理软件用Hvpeiviewo5.2 CAE分析概述5.2.1白车身分析描述：白车身的结构分析大体可以分为静态扭转刚度、静态弯曲刚度分析及模态分析，白车身的机 构分析目标值如下表（1）：表（1）目标值 C-Clas

22、s PNGV-Class静态弯曲刚度（N/mm） 11,000 12,000静态扭转刚度（N/mm） 12,000 13,000一阶弯曲模态（Hz） 48 48一阶扭转模态（Hz） 35 40白车身的刚度模型是基于白车身的CAD模型建立的，在CAE模型上添加载荷及边界条件, 确定工况（即弯曲和扭转），刚度模型由三角形与四边形的混合壳单元构成，焊点模型采用 刚性单元。两种类型车的CAE模型规格见表（2）：表（2）刚度模型尺寸 C-Class PNGV-Class节点数 约61000约66100单元数 约59000约640001）扭转刚度边界条件描述在约束了白车身在后减振器上点处的纵向、垂直方向和

23、侧向及车身对称中心面最前点的垂直 方向后，在前减振器上点加载荷，如图（2）：图（2）2） 弯曲刚度边界条件描述在约束了后减振器上点的纵向、侧向和垂直方向及前减振器的垂直方向后，分别在前排坐椅, 后排坐椅中心施加载荷，如图（3）：图（3）5.2.2碰撞分析描述：5.3分析报告规范5.3.1报告格式分析报告统一用研发中心发放的幻灯片标准格式，要有CAE分析原因、分析结果及相应的 数据、表格、对比图片等；5.3.2白车身扭转刚度分析3） 给出白车身扭转变形云图，如图（2）：4） 给出白车身测量点示意图，如图（3）：5） 给出白车身测量点位移曲线，如图（4）：图（4）5.3.3白车身弯曲刚度分析：1）

24、给出弯曲变形云图,如图（5）：图（5）2）给出白车身测量点示意图，如图（6）：图（6）3）给出白车身测量点位移曲线，如图（7）：图（7）5.3.4模态分析1）给出白车身一阶弯曲的频率及位移云图，如图（8）：图（8）2）给出一阶扭转频率及位移云图，如图（9）：图（9）3）给出局部模态频率及位移云图，如图（10：图（10）4）给出模态数据结果表，如表（1）：模态 频率值（Hz） 振型描述127.852发动机仓摆动232.998弯曲337.703扭转439.213行李箱局部模态542.666647.225发动机仓扭转748.353弯曲、车头左侧上下摆动851.352后货架局部模态1、风道设计与分析采

25、用CFD方法对Ml中华经济型风道和空调除霜性能进行分析，以得到风道的风量分配、 速度矢量、压力分布以及空调除霜性能等的情况。分别选择HXAC、风道和车身的内表面生 成模拟空间，利用STAR-CD软件对模型进行模拟和预测，考察气流流型以及工作区参数（流 速、压力）并进行优化，直到满足要求为止。2、除霜除雾分析汽车除霜、除雾的温度风速应符合GBU555-1994汽车风窗玻璃除雾系统的性能要求及实 验方法。3、发动机舱换热分析发动机舱换热的目的是使工作中的发动机得到适度的冷却，从而使其保持在最适宜的温 度范围内工作。发动机舱冷却的CFD分析是目前汽车流场分析过程中必不可少的计算分析 手段，利用该计算分析技术，可以保证在发动机周怜I有良好的空气流动，而压力损失相对较 低。4、发动机燃烧喷雾分析5、其它分析另外，CFD分析也广泛应用于刹车盘冷却分析，在汽车制冷风扇的叶片设计以及液力变矩 器流动分析，发动机三维催化装置等分析中，而且在发动机冷却水套分析，底盘、外形优化、 后视镜及绕流部件的阻力分析，汽动噪音分析，油箱加注分析中，CFD分析结果也被大量 地使用。