【行業淺談】有限元分析在汽車工程方面的應用

2017-01-23 by:CAE仿真在線來源:互聯網

在汽車發展歷史上,至今還沒有什么技術能與CAE技術相比,為汽車企業帶來巨大的回報。統計結果表明,應用CAE 技術后,新車開發期的費用占開發成本的比例從80%~90%下降到8%~12%。例如:美國福特汽車公司2000年應用CAE后,其新車型開發周期從36個月降低到12~18個月;開發后期設計修改率減少50%;原型車制造和試驗成本減少50%;投資收益提高50%。汽車行業是一個高速發展的行業,其競爭也日趨激烈,在這種情況下,新產品推出的速度也越來越快,這也對行業的CAE應用提出了越來越高的要求。CAE技術為汽車行業的高速發展提供具有中心價值地位的技術保障,可以為企業帶來巨大的技術經濟效益。

汽車工業代表著一個國家制造業發展的水平,它不僅是帶動面最廣泛的工業,而且是高新技術的最大載體,一般航空、航天領域的高精尖技術只有通過汽車工業才能轉化為規模產業,所以汽車工業是或曾是幾乎所有發達國家的支柱產業。作為制造業的中堅,汽車工業一直是CAE應用的先鋒。CAE技術的應用,有效地推動了汽車制造業的前進;汽車業的需求也極大地帶動了CAE。多年來,汽車業的選型趨向一直是CAE技術發展的晴雨表,也是業內人士關注的焦點。CAE分析貫穿了汽車開發的全過程,小到螺栓預緊力分析,大到整車碰撞模擬和整車NVH(噪聲、振動和聲振粗糙度)分析,CAE分析都發揮了無可替代的優勢和作用。CAE分析范圍覆蓋了結構、流體力學、多體動力學、被動安全、工藝、整機合整車性能等方方面面。概括起來,目前汽車開發過程中的CAE分析主要包括以下幾個方面。

1、結構強度、剛度和模態分析及結構優化設計

車身是轎車的關鍵總成,車身結構必須有足夠的強度以保證氣疲勞壽命,足夠的靜剛度以保證其裝配和使用要求,同時應有合理的動態特性達到控制振動與噪聲的目的。有限元分析的方法能夠有效地滿足上述車身設計的要求。汽車結構有限元分析的應用體現于:一是在汽車設計中對所有的結構件、主要機械零部件的剛度、強度和穩定性進行分析; 二是在汽車的計算機輔助設計和優化設計中,用有限元法作為結構分析的工具; 三是在汽車結構分析中普遍采用有限元法來進行各構件的模態分析,同時在計算機屏幕上直觀形象地再現各構件的振動模態,進一步計算出各構件的動態響應,較真實地描繪出動態過程,為結構的動態設計了提供方便。有限元分析在汽車結構上的應用實踐證明可以從根本上提到車身設計水平,并降低研制周期和成本。

2、噪聲、振動與不平順性(NVH)的有限元分析

NVH是評價車輛舒適性的重要指標,直接關系到產品的市場形象。NVH分析有助于匹配產品結構重各子系統的振動頻率特性,以消除振動過程中耦合現象,從而改善產品的振動特性。噪音、振動分析包括動力總成的缸體模態、點的傳遞函數、靜負荷強度及動態響應、BIW動態穩定性、整車各子系統的剛度頻率匹配等。雖然NVH的CAE技術起步較晚,NVH的建模方法以及計算還處在摸索階段。但隨著計算機的能力及容量的越來越強大,計算結果的精度越來越準確,計算方法越來越科學性,CAE在汽車的NVH開發設計當中所發揮的作用也越來越大。在汽車開發設計的初期,就以及開始了NVH的各項規劃,甚至在樣車完成之前或設計圖紙完成之前,通過對現有車型的對比,就可以預先得到新開發車型的NVH性能指標,并在此基礎上,對設計及制造的各個環節加以優化及完善。無論是從設計成本上,還是從開發周期上考慮,都為車廠更快、更好地開發出新一代車型來提供了強有力的保障。可以預測,NVH的CAE技術,在汽車設計開發及改進領域內的應用會越來越廣泛,而其本身也會越來越成熟,成為人們進行汽車設計開發所不可或缺的工具。

3、碰撞與安全性分析

私家汽車給人們帶來了便利,讓人們更充分的享受生活。隨著全世界汽車數量的迅速增加,汽車質量、駕駛技術問題及道路狀況等多種因素合力作用結果,汽車交通事故已成為嚴重問題。聯合國世界衛生組織(WHO)提交的最新報告顯示:近幾年全球每年因交通事故造成死亡的人數多達約120萬,另外還有數百萬人在汽車事故中受傷致殘。面對這個嚴重的問題,各國的工程技術人員都在不遺余力的提高汽車的安全性能。

早期的被動安全性研究主要是通過大量的試驗來進行,采用同樣的碰撞過程反復進行,收集數據。這樣的試驗方法需要相當長的時間。發達國家每次汽車安全性能的試驗都需要手工打造幾十輛新車,人力、物力、財力都需要很大的消耗。伴隨著計算機技術的發展,原來不可能完成的大量參數有限元計算成為可能。有限元計算分析方法運用到汽車的碰撞模擬仿真中,極大地降低了汽車的設計成本和研發周期,并且獲得更為精確的數據對汽車結構進行下一步優化。

汽車模擬碰撞分析的目的就是為了提高汽車被動安全性能。對于汽車被動安全性能的要求,一是在碰撞時,車身結構、駕駛系統、座位等能吸收較高能量,緩和沖擊; 二是發生事故時,確保車內乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能,以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。在汽車碰撞發生的極短時間內,車身發生巨大的形變。這種形變伴隨著大位移、大轉動所引起的幾何非線性,又有各種材料發生大應變時所表現的物理非線性(材料非線性)。所以很難通過常規的數學方法對其進行求解,進行實體碰撞試驗的數據很難進行采集。本文論述了采用拉格朗日描述對物體的移動建立數學模型。通過有限元方法將整車按區域進行建模。并且將建立的整車有限元模型進行整車偏置碰撞的模擬仿真,模擬了碰撞過程后車身的變形結果,得到了碰撞過程中模型的能量與速度變化曲線。從而直觀地掌握了汽車在碰撞過程中能量等參數的變化情況。將有限元方法運用在汽車碰撞問題的分析中,對汽車結構安全性的改進有一定指導意義。

4、整車性能的分析評價與預測

在IDEAS CAE模塊中建立整車模型,通過強度、剛度計算,可以發現各個部件之間、各個系統的力的傳動關系,檢驗與設計目標是否相符;通過模態分析,可以發現各個系統之間的頻率分布,指導NVH設計。結合Nastran SOL200 可以同時考慮模態、整體剛度、關鍵部位強度對各個部件的設計靈敏度等進行計算,在保證強度的前提下,進行減重設計、部件優化。

結論

至今為止,世界上許多大的汽車公司都采用了CAE技術。通過在開發過程中開展CAE工作,提高了產品開發質量、縮短了產品開發周期、節約了產品開發經費。概括起來,采用CAE的優點如下:

1、采用計算機輔助工程(CAE)手段,可以在樣品、樣車之前,模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況,避免傳統上的設計-試制-測試-改進設計-再試制的重復過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發周期,減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發費用。

2、國內設計部門隨著三維設計的普及,為開展CAE工作奠定了基礎,使開展同時工程成為可能;同時,在開發過程中應用CAE技術,也改變了CAD在開發中只進行幾何模型定義,在開發同時進行功能設計、性能設計。

3、在產品開發過程中開展CAE工作,改變了傳統設計中的依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法,使產品減重、性能優化成為可能;同時,采用CAE計算能在短時間內嘗試和比較更多的設計方案,因而有可能獲得較佳甚至最優的設計而提高開發質量

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