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CAE仿真技术在汽车行业的应用

摘要: 首先我们需要了解CAE这个概念,什么是CAE技术?Computer Aided Engineering,计算机辅助技术。我们看看Wikipedia的解释:”Computer-aided engineering (CAE) is the broad usage of computer software to aid in en ...

首先我们需要了解CAE这个概念,什么是CAE技术?Computer Aided Engineering,计算机辅助技术。我们看看Wikipedia的解释:”Computer-aided engineering (CAE) is the broad usage of computer software to aid in engineering analysis tasks. It includes finite element analysis (FEA), computational fluid dynamics (CFD), multibody dynamics (MBD), durability and optimization“。

很显然CAE技术并不等同于有限元,它是FEA、CFD、MDB等众多工程技术的综合,而随着计算机以及各学科技术的发展,计算机辅助工程中的”计算机“体现的作用越来越大,形象也越来越丰富。

作者看来,除了上述提到的FEA、CFD等领域技术,它还包括控制领域仿真、半实物仿真、虚拟现实技术、云计算、HPC、机器学习等内容,所以CAE的概念可以比以前更宽泛,我们今天讨论它更加宽泛的概念。

01

背景及意义

简单直白的介绍一下,目前我国占据汽车消费市场第一大国,汽车保有量超过2亿,相比前三十年汽车销量的飞速发展,目前整个市场保持较为稳定的微弱增长,但并未处于饱和。

传统车企都在寻求转型,而随着整个产业的发展,车企之间的竞争也是越来越大,销量时常出现此消彼长,你断崖我陡增的现象;加上消费者已经不再局限于上世纪那样的简单需求,现在的消费者也更加专业,要求也更多,出行方式更加多样;再者环保、能源等各项政策因素、法律法规的制定,更加加剧了车企的难处,多种因素的综合,一句话就是生意越来越难做。

在研发上,受到国家大的政策影响和资本层面的偏好,目前大家都在投入大量资源进行新能源汽车以及纯电动汽车、自动驾驶相关领域的研发,这也是未来的大趋势。但是无论市场怎么变、未来趋势如何走,有一点是不变的,那就是出好产品,掌握核心科技!

CAE技术在汽车领域的应用就是帮助企业打造更加具有安全性、经济性、实用性、美观性的产品。更加定性的讲就是提升研发设计效率,缩短研发周期,降低研发成本,提升产品性能,“两升两降”。

可以毫不夸张地说,好的车企研发中心必然包含数量众多的虚拟仿真领域的工程师,而没有这块投入和人才储备的研发团队不可能成为车企可以长远可持续依靠的力量。目前,部分汽车CAE分析内容的基本流程以及同实验相关的开展互补的技术路线如图1号和图2所示。

图1 CAE分析流程

图2 CAE分析与相关试验开展流程

02

CAE应用场景

CAE技术贯穿于汽车研发设计的整个流程,从产品概念设计到样车试制,性能优化,以及后续的投产和市场问题反馈等各方面各环节。

随着汽车科技的进步和发展,CAE技术的应用场景也在变化过程中。以前的汽车主要是燃油汽车,而现在随着环保和能源等问题的挑战,汽车正在面向以新能源、纯电动等领域发展,随之所面对的技术问题也各有不同。

共性问题

a)安全

安全是汽车研发设计中非常关键的一环,无论是燃油汽车还是其它新能源汽车都避不开安全这个话题。

汽车安全包含的内容非常之广泛,通常可以概括为主动安全与被动安全两块。而无论是主动、被动安全领域都有CAE技术的身影。主动安全领域更多的是涉及电子和软件控制模块,对控制模型的建立和程序的测试;而在被动安全领域则涉及到汽车碰撞、约束系统的设计开发、车身的性能优化、材料性能研究等等,这些方面均需要利用CAE技术进行仿真建模,不仅重要而且投入巨大。

而碰撞安全这一块各个国家都有自己强制性的标准,同时也催生了开展新车评价规程(NCAP)的相关组织和机构,咱们国家则是由中汽中心主导的C-NCAP,面向社会发布新车安全性能

图3 正面碰撞

b)汽车轻量化

汽车轻量化需要在保证整车安全性能的前提下,同时降低整车质量。它能够很好的提升汽车的动力性能和经济性,对燃油车而言大大的减少排放。轻量化技术涉及到优化设计、涉及到整车各个部件的材料性能研究,这里面都会用到CAE仿真技术。

无论是针对车身还是动力总成,优化设计无处不在。常用的Isight软件综合各分析模型建立的优化设计模型,为整车的优化和仿真提供极大的便利;除此之外还有像OptiStruct,TOSCA 等结构优化软件,而各主流CAE软件也均有自带的优化功能,当然轻量化还只是优化问题其中的一个应用领域。

c)疲劳及耐久性

疲劳耐久性问题是任何机械产品都汇面临的问题,无论是燃油汽车还是新能源汽车也都逃不开这个问题。

在汽车行业针对疲劳和耐久性的研究和应用相对成熟,整个过程涉及到工况数据的采集分析,CAE仿真软件的模拟分析结构薄弱环节,对疲劳寿命计算等,催生了诸如ADAMS、Fatigue、FEMFAT等疲劳耐久性分析软件。

图4 疲劳耐久性


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本文作者
2019-3-19 10:52
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