基于CAE技术在汽车设计中的运用

张云飞

摘要：伴随着科技技术的不断提升促使我姑汽车行业也迎来更高的发展机遇，各种先进的技术被应用其中。一个全新车型的开发除了需要大量资金投入之外，还需经过缜密的调查设计，而CAE技术在开发设计过程中的全面普及与应用，凭借自身仿真功能特性解决了传统汽车设计过程中所面临问题。文章研究并分析了CAE技术在汽车设计中的重要性，结合其在各设计阶段的具体任务和流程，对其应用效果以及未来发展趋势进行综合探讨，在确保汽车设计质量和设计效率全面提升的同时，最大限度的节省和降低开发所需时间和费用，为全球市场开发新型车型提供了技术支持。

关键词：汽车设计；CAE技术；运用

引言

现代社会是信息化社会，计算机技术、互联网通信技术的发展十分迅速，被广泛应用于各个领域，将数字化技术应用于汽车设计、生产与加工的各个环节，有利于提高汽车生产品质，强化汽车性能，提高汽车产业的信息化水平。当前数字化技术的应用已经比较成熟，随着汽车产业的不断发展，未来数字化技术的应用还将进一步加深，真正促进汽车产业实现可持续发展。

1CAE技术的定义

CAE(ComputerAidedEngineering)指的是计算机辅助工程技术，是计算机技术和工程分析技术相互结合的一种新型技术，CAE技术应用的基础理论为有限元法和数值分析法。有限元法的基础思想是将一个具有连续求解特性的区域，离散成一组，并按照相应方式方法，连结到一起的单元组合体。但单元自身形态变化多端，甚至可以模拟几何形态复杂的求解区域。而数值分析法则是一种专门研究，适用于计算机上使用的实际可行、理论可靠、计算复杂的数值计算机方法，经过多年的演变和完善，数值分析已经发展为一门独立的学科。CAE技术应用的关键技术包括：有限元技术、虚拟样机运动技术、动力学仿真技术等，主要机理是通过计算机来一些产品和工程的性能、质量、可靠性、安全性等进行分析，并对未来的工作状态、运动行为等在计算机软件上进行模拟，从而提前发现设计缺陷的，同时证明工程和产品在未来使用中可行性和可靠性

2.1降低设计风险

相比较传统的汽车设计方法来说，CAE技术可以在进行测试前预先对整个设计方案的结构合理性与性能效果进行评估预测，并对设计中不合理的位置进行优化，这样不仅可以有效的提升设计方案中其次的稳定性，令整车的可操作性得到提升，还可以降低设计研发过程中可能会遇到的风险因素，因此CAE技术对于如今的汽车设计研究有着非常重要的作用。

2.2降低研发成本

由于汽车自身的复杂性，在进行实际汽车设计的过程中设计人员不仅需要对汽车的结构特点、未来的使用环境以及批量生产可能会存在的问题进行考虑，因此在实际设计过程中，整个汽车的设计制造过程都会长时间在方案设计、样车制造、样车测试、问题改进几个步骤之中进行重复循环。不过在汽车设计过程中应用了CAE技术以后，样车制造与测试过程均可以通过CAE技术中的仿真技术进行，从而还能够极大的缩短研发流程，减少研发时长，进一步降低研发成本。

3CAE技术在汽车设计中的应用

3.1车架构成

牵引性质的车架的主体架构表现为边梁式，涵盖着两根纵向的梁以及若干个不同的横向的梁，纵向梁的断面通常呈现出箱型的结构，第一横梁表现为管状的结构，横梁的两侧和纵梁之间借助螺栓进行连接操作，中间的两根横梁分别是压型的槽钢，结构的两侧和纵梁之间借助螺栓进行连接，处于平衡轴位置的衡量主要是采用压型的槽钢结构，与纵梁的连接处借助加强版对其进行较强。平衡轴下面的连接座和纵梁的下翼这一平面借助螺栓进行连接，尾梁表现为整体的箱式结构，同时和纵梁借助铆钉进行连接，在变速箱下方位置处的盆梁以及纵梁的下翼板借助螺栓进行连接，以上是商务类型用车的牵引车架的大致构成。

3.2汽车安全性能分析

汽车安全性能与驾驶员以及相关乘客生命财产安全息息相关，在汽车被动结构安装过程中如何提升车身的防碰撞能力是其中所面临的关键问题。对汽车正碰、后碰、侧碰、行人保护和40%偏置碰等碰撞过程以CAE技术进行仿真模拟，由于碰撞属大变形的非线性问题，汽车在对不同碰撞方式进行模拟时，需消耗大量试验成本，而仿真模拟可有效弥补传统技术在试验陈本方面的不足，实现对试验成本的有效缩短。

3.3在汽车结构强度设计分析中的应用

对汽车而言，自身的结构强度是保证汽车安全性、可靠性的关键指标，因此，汽车结构设计完成之后，必须对结构强度进行全面分析，应用CAE技术进行汽车结构强度分析，可保证分析结果的准确性。通过CAE技术可对汽车结构强度进行静力学仿真、传力路径识别、模态振型提取等。在结构强度分析中，应用CAE技术进行静力分析，可得到结构的总体应力、位移分布情况等，从而获知汽车结构在一定工作荷载之下，是否仍然可以保持稳定性、安全、可靠性，以及那些部分存在应力集中，那些结构强度不足，从而进行有针对性的改进设计，保证汽车结构强度符合要求。在特征值分析中应用CAE技术，可获知汽车结构的一些固有频率、振型等，保证设计人员可以及时找到和分析出引发结构振动的主要原因，对结构进行改造设计，从而避免车辆在行驶中因为共振发展安全问题。在瞬态动力分析中应用CAE技术，可准确计算出汽车结构在动荷载影响下发生应力、位移的变化情况。比如：汽车在以一定的速度通过颠簸路段时，形成的冲击荷载，会导致一些零部件发展发生变化，为优化汽车结构设计提供相应的数据支持和理论指导。

3.4对载荷与约束进行施加

汽车在日常行驶过程中，特别是遇到比

较复杂的路况时，所承载的载荷往往是各种各样的，别如侧向位置的载荷与纵向位置的载荷等等。在不同性质的载荷作用之下，车架会出现扭转变形、弯曲变形等不同形式的变形，所以，也就会在车架上形成侧向与纵向的载荷，这是进行设计工作需要考量的因素。约束主要是指的是地面对车架所传导的不同性质的力以及不同状况下所产生的特定状况的限制。在本文当中，主要是借助约束前后悬与车架的连接位置对车架本身形成一定的约束力。

3.5汽车的结构、疲劳性以及NVH进行分析

对于汽车设计来说，汽车的结构、疲劳性以及NVH都是决定汽车稳定性与实际质量的关键性内容。在该分析工作过程中，CAE的主要作用是利用仿真技术对汽车的结构、疲劳型以及NVH进行分析验证，从而确定汽车的实际质量与稳定性。例如在进行汽车的NVH仿真测试过程中，设计人员会先根据汽车的实际设计内容在CAE中搭建汽车面型，然后通过TB模态仿真对带内饰的车身固有频率与振型进行考察验证，最后设计人员根据CAE技术所提供的理论参考依据对汽车设计中所存在的问题进行发现与解决，抑制车身的各种噪声抖动问题，提高汽车的舒适性。

结语

数字化是未来制造行业的发展趋势，其在汽车制造领域的应用已经十分广泛。通过数字化设计、分析，可以提高汽车设计水平，改善原有的生产模式，提高汽车产品设计与研发效率，同时可以提前做好仿真模拟，减少汽车制造风险。未来数字化技术的发展还将变得更精细、更多元化，从而推动汽车行业实现更大发展。

参考文献

[1]胡桂川，刘敬花.基于CAE分析的机械结构优化设计[J].机械设计与研究，2011，27(3)：73-76

[2]陈伊娜.基于某车型翼子板典型案例的冲压CAE分析重要性研究[J].中国高新科技，2018（7）：89-91.