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汽车开发过程中CAE技术的五大主要应用方向
2018-07-04 19:14:55· 来源：CAE集中营
自20世纪60年代末CAE技术开始在汽车研发领域应用以来，目前CAE技术已经在汽车研发、产品开发过程中得到了广泛而深入的应用，并已成为世界各大汽车主机厂及零部件供应商在激烈竞争的市场环境中保持产品领先地位的重要手段。
自20世纪60年代末CAE技术开始在汽车研发领域应用以来，目前CAE技术已经在汽车研发、产品开发过程中得到了广泛而深入的应用，并已成为世界各大汽车主机厂及零部件供应商在激烈竞争的市场环境中保持产品领先地位的重要手段。
虽然国内应用水平与国外相比仍有较大差距，不过近几年国内发展速度非常快，在很多领域中已有突破性进展。以下主要介绍目前CAE技术的一些应用热点：
1动力学操纵稳定性
汽车的操纵稳定性是指汽车的可控性能，表现在转弯行驶时跟踪车道的稳定性，改变行驶车道时的灵敏性，直线行驶时的方向保持性，制动时的方向稳定性，以及泊车时的灵敏性和轻便性。操纵稳定性与整车的质量分布，前后悬架结构、弹性及阻尼参数，轮胎结构及转向系统形式及布置，以及制动系统的设计参数有密切关系。
应用多体系统动力学分析软件(MBS)建立整车模型，计算不同使用工况下的系统响应特性评价指标，并应用多目标参数优化方法，确定各自系统优化设计参数，是动力学计算仿真的主要内容。国际通用的软件为ADAMS及CarSim。
2NVH性能
NVH 是噪声、振动和舒适性的缩写(Noise, Vibration and Harshness)。根据振动频率的不同，可以将NVH性能研发划分为低频振动和高频噪声。
25Hz以下的为低频振动，其中低于5Hz的簧载质量的刚体振动属于传统的乘坐舒适性研发范畴，要求振动频率避开人体器官的自然频率，一般将其设计在人体行走时的振动频率；5～25Hz范围内的振动主要是指底盘零部件、转向系统及发动机刚体的振动。
25Hz以上的振动及噪声，要解决的是车身的局部共振，制动器制动时产生的不稳定噪音，以及整车在路面(Road Noise)、传动系(Powertrain Noise)，及高速驾驶时的风流 (Wind Noise)激励下的共振现象，从而避免激励起乘员空腔的声学模态。
3疲劳耐久性能
疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。传统的试验方法是驾驶样车在试车场代表用户使用环境的典型路段上循环行驶，记录样车主要结构部件失效时的行驶里程。
为了缩短开发时间，目前各大主机厂普遍采用的方法是加速疲劳设计验证方法(Accelerated Damage Road Test)。在试车场建设加速疲劳破坏环路，样车制造出来后，在疲劳耐久环路上采集载荷路谱，将所采集载荷在实验室再现，由大功率液压系统驱动做功器，对样车进行昼夜循环试验。各大主机厂都有自己的加速疲劳试验循环次数标准，一定的循环次数对应一定的使用里程。在实验室的循环试验，称之为道路模拟试验(Road Test Simulation)。
目前采用的CAE方法是利用所采集的载荷，计算车身及关键部件连接处载荷的时间历程，用有限元方法(FEM)计算单位载荷作用下的应力应变，结合材料的疲劳破坏试验曲线，计算车身及其他关键部件的疲劳寿命，从而减少道路模拟试验。
4碰撞安全性
碰撞安全性是指汽车发生碰撞，结构发生塑性变形后，能够保持乘员具有足够的安全空间，同时碰撞能量在车体前端得到最大吸收，从而使传递给乘员约束系统的能量减少到最低；车内乘员约束系统能够有效约束乘员的运动，避免乘员被抛出车外，以及不与内饰件发生二次碰撞。
整车结构碰撞由以LSDYNA为代表的显式有限元软件来模拟，碰撞的边界条件设定为国家及其他非官方认证测试机构在进行整车碰撞测试时的碰撞形式及车速，计算结构的碰撞变形及碰撞减速度。乘员约束系统仿真以结构碰撞得到的减速度波形为输入，建立碰撞假人的多体系统动力学模型，计算假人在安全带、安全气囊的约束下，头部胸部及大腿等处的伤害值，优化约束系统的设计参数，使得乘员的伤害最低。乘员约束仿真的通用软件为MADYMO。
车辆与行人的碰撞也越来越受到官方认证机构的重视，这方面的法规正在完善，开展车辆与行人的碰撞仿真模拟，以使产品具有良好的行人保护性能，越来越受到各大主机厂的重视。
5流场分析及热管理
流场分析是基于计算流体力学(CFD)的分析方法。在汽车开发过程中的应用主要集中在汽车外流分析，以得到较低的空气阻力系数；发动机舱的流场分析，使得发动机舱有畅通的流场分布，将发动机产生的热量高效地带出发动机舱，使得周围部件及驾驶室不至于过热；车内乘员空间的冷热舒适及除霜除雾分析；发动机燃烧及排放分析；以及发动机进排气及水套流场分析。
虽然国内应用水平与国外相比仍有较大差距，不过近几年国内发展速度非常快，在很多领域中已有突破性进展。以下主要介绍目前CAE技术的一些应用热点：
1动力学操纵稳定性
汽车的操纵稳定性是指汽车的可控性能，表现在转弯行驶时跟踪车道的稳定性，改变行驶车道时的灵敏性，直线行驶时的方向保持性，制动时的方向稳定性，以及泊车时的灵敏性和轻便性。操纵稳定性与整车的质量分布，前后悬架结构、弹性及阻尼参数，轮胎结构及转向系统形式及布置，以及制动系统的设计参数有密切关系。
应用多体系统动力学分析软件(MBS)建立整车模型，计算不同使用工况下的系统响应特性评价指标，并应用多目标参数优化方法，确定各自系统优化设计参数，是动力学计算仿真的主要内容。国际通用的软件为ADAMS及CarSim。
2NVH性能
NVH 是噪声、振动和舒适性的缩写(Noise, Vibration and Harshness)。根据振动频率的不同，可以将NVH性能研发划分为低频振动和高频噪声。
25Hz以下的为低频振动，其中低于5Hz的簧载质量的刚体振动属于传统的乘坐舒适性研发范畴，要求振动频率避开人体器官的自然频率，一般将其设计在人体行走时的振动频率；5～25Hz范围内的振动主要是指底盘零部件、转向系统及发动机刚体的振动。
25Hz以上的振动及噪声，要解决的是车身的局部共振，制动器制动时产生的不稳定噪音，以及整车在路面(Road Noise)、传动系(Powertrain Noise)，及高速驾驶时的风流 (Wind Noise)激励下的共振现象，从而避免激励起乘员空腔的声学模态。
3疲劳耐久性能
疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。传统的试验方法是驾驶样车在试车场代表用户使用环境的典型路段上循环行驶，记录样车主要结构部件失效时的行驶里程。
为了缩短开发时间，目前各大主机厂普遍采用的方法是加速疲劳设计验证方法(Accelerated Damage Road Test)。在试车场建设加速疲劳破坏环路，样车制造出来后，在疲劳耐久环路上采集载荷路谱，将所采集载荷在实验室再现，由大功率液压系统驱动做功器，对样车进行昼夜循环试验。各大主机厂都有自己的加速疲劳试验循环次数标准，一定的循环次数对应一定的使用里程。在实验室的循环试验，称之为道路模拟试验(Road Test Simulation)。
目前采用的CAE方法是利用所采集的载荷，计算车身及关键部件连接处载荷的时间历程，用有限元方法(FEM)计算单位载荷作用下的应力应变，结合材料的疲劳破坏试验曲线，计算车身及其他关键部件的疲劳寿命，从而减少道路模拟试验。
4碰撞安全性
碰撞安全性是指汽车发生碰撞，结构发生塑性变形后，能够保持乘员具有足够的安全空间，同时碰撞能量在车体前端得到最大吸收，从而使传递给乘员约束系统的能量减少到最低；车内乘员约束系统能够有效约束乘员的运动，避免乘员被抛出车外，以及不与内饰件发生二次碰撞。
整车结构碰撞由以LSDYNA为代表的显式有限元软件来模拟，碰撞的边界条件设定为国家及其他非官方认证测试机构在进行整车碰撞测试时的碰撞形式及车速，计算结构的碰撞变形及碰撞减速度。乘员约束系统仿真以结构碰撞得到的减速度波形为输入，建立碰撞假人的多体系统动力学模型，计算假人在安全带、安全气囊的约束下，头部胸部及大腿等处的伤害值，优化约束系统的设计参数，使得乘员的伤害最低。乘员约束仿真的通用软件为MADYMO。
车辆与行人的碰撞也越来越受到官方认证机构的重视，这方面的法规正在完善，开展车辆与行人的碰撞仿真模拟，以使产品具有良好的行人保护性能，越来越受到各大主机厂的重视。
5流场分析及热管理
流场分析是基于计算流体力学(CFD)的分析方法。在汽车开发过程中的应用主要集中在汽车外流分析，以得到较低的空气阻力系数；发动机舱的流场分析，使得发动机舱有畅通的流场分布，将发动机产生的热量高效地带出发动机舱，使得周围部件及驾驶室不至于过热；车内乘员空间的冷热舒适及除霜除雾分析；发动机燃烧及排放分析；以及发动机进排气及水套流场分析。
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