UGS：CAE在产品开发中的应用

        现代汽车开发是一个综合与分析的互逆过程。综合与分析在汽车产品开发的不同阶段，发挥不同的作用，从概念设计到详细设计的开发流程，实际是一个从系统综合到系统分析的流程。在开发阶段初期，有充分的设计自由度，但有关设计的参数、数据则较少，我们关注的是产品的整体性能，例如：平顺性、操纵稳定性等，利用Nasran软件，我们能够在设计初期结合试验数据、客户意见反馈设定好整车设计性能指标（设计目标）；在详细结构设计阶段，根据整车性能指标，逐级分解到车身、底盘等各个子系统、零部件上，最终体现在结构的各个设计参数上。

汽车结构设计过程

        现在国内产品设计更加整合已有资源、优化配置，更加强度产品的整体性能，比如平顺性、操纵稳定性，高端的在整车NVH方面有更高的要求。无论是商用车还是乘用车，车身设计一直是现代整车设计的核心技术，有限元在车身设计发挥的作用远超过其他方面，下文结合IDEAS CAE、Nastran软件介绍有限元在车身设计的各个阶段发挥的不同作用。

1.1 整车性能设计

        汽车的平顺性主要是指保持汽车在行驶过程中产生的振动和冲击环境对乘员舒适性的影响，是现代高速汽车的主要性能之一。研究对象主要是整车悬架系统、前后轴荷、整车惯性质量等，利用IDEAS CAE人性化的前处理界面和Nastran丰富的单元库，能在概念设计阶段快速、准确的建立多自由度整车和动力系统模型，进行模态、瞬态响应、随机响应分析，对整车系统的平顺性、人体的响应做出评估；结合试验、先期客户反馈意见、专业人士主观评价，设立设计目标，指导后继结构设计。

        利用Nastran提供的SOL 200求解序列，可以以悬架系统的刚度、阻尼为设计变量，根据国家标准化组织的要求对各个频段频率进行加权优化，设计出平顺性最佳的前后悬架刚度、阻尼系数。有限元模型、部分计算结果见下图。

2.2 车身结构设计

    2.2.1车身截面、接头设计

    接头（Joint）和梁（Beams）是决定整车刚度和全局模态的主要因素，它们控制着整车低频的Boom和振动（Shake）；截面特性（Section Property）决定了梁的特性。因此，通过对截面形状、厚度以及结构特性的分析，在汽车概念设计阶段，初步估计和评价标杆样车的主要承载结构的抗弯、抗扭模量、截面面积，对整车的部件的设计和结构改进有着重要的指导意义。IDEAS CAE提供了丰富的截面库，同时，允许用户建立任意形状的梁截面，根据下式计算梁的截面属性：

                                                                         图三 Ideas中梁截面计算公式

                                                                           图四 Ideas中梁截面计算

图5 Ideas中梁截面计算

2.2.2 车架、车身模态分析

         车身设计应满足车身刚度和强度设计要求。

         刚度不足，将会引起车身的门窗、发动机舱口等发生变形，导致玻璃破碎、车门卡死等现象；同时，低刚度必然伴随低的固有频率，易发生结构共振和噪声，影响人的乘坐舒适性。利用Nastran SOL103 进行结构、声腔模态求解，可以在设计初期识别系统整体、局部模态频率、振型；结合整车设计要求，对不同频率、各个子系统之间的相互作用做出评估，从而采取合适的设计策略合理的分布车身系统的频率；同时根据计算结果，对于影响室内噪声的部位，在考虑成本、安装条件、设计目标的选取合适的阻尼材料，达到最优的减振、降噪目的。

         现代车身用骨架构件加薄钢板互相连接，形成承载结构的“网络”，它们之间互相依存。车身设计十分强调承载结构的合理性，不论受静力还是受变化的力，车体本身各部分都要和谐地变形，没有特别薄弱的环节。利用模态分析，可以帮助设计工程师确定车身薄弱环节，在最少的设计循环下，找到合理的改进措施。

        利用UGS的IDEAS CAE软件，可以模拟焊点联接，它提供通用的两种模拟方法CWELD和ACM2，并且焊点的生成与网格无关，能够轻松的实现设计更改而不必重新做焊点。其有限元模型的装配管理模式，可以方便的实现三维CAD数据和CAE有限元模型的关联，当三维模型几何、定位发生改变时，只要点取有限元装配更新，不必重头再做，提高了工作效率。

                                                            图六  车架、车身结构有限元模型模态振型

                                                                      图7  车身声腔限元模型模态振型

         通过车身结构、车身声腔模态分析，可以发现二者之间的耦合关系，为车身NVH设计提供指引；通过车身、车架模态分析可以为车身悬置位置布置提供指导。

         强度不足则引起车身构建早期出现裂纹和疲劳断裂。利用Nastran SOL101 进行强度分析，可以在设计阶段提前发现车身构件的薄弱环节、刚度变化是否合适，快速实现各个设计之间的对比，减少设计开发的盲目性。

图8  车身地板强度分析应力云图

2.3 整车有限元分析

         在IDEAS CAE模块中建立整车模型，通过强度、刚度计算，可以发现各个部件之间、各个系统的力的传动关系，检验与设计目标是否相符；通过模态分析，可以发现各个系统之间的频率分布，指导NVH设计。结合Nastran SOL200 可以同时考虑模态、整体刚度、关键部位强度对各个部件的设计灵敏度等进行计算，在保证强度的前提下，进行减重设计、部件优化。

结论

         福田公司通过在开发过程中开展CAE工作，提高了产品开发质量、缩短了产品开发周期、节约了产品开发经费。概括起来，采用CAE的优点如下：

    1、 采用计算机辅助工程（CAE）手段，可以在样品、样车之前，模拟零部件甚至整车的性能和工作状况，避免传统上的设计－试制－测试－改进设计－再试制的重复过程。减少了时间上的浪费、缩短了开发周期，减少了人力、物力和财力上的消耗而减低开发费用。

    2、 国内设计部门随着三维设计的普及，为开展CAE工作奠定了基础，使开展同时工程成为可能；同时，在开发过程中应用CAE技术，也改变了CAD在开发中只进行几何模型定义，在开发同时进行功能设计、性能设计。

    3、 在产品开发过程中开展CAE工作，改变了传统设计中的依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法，使产品减重、性能优化成为可能；同时，采用CAE计算能在短时间内尝试和比较更多的设计方案，因而有可能获得较佳甚至最优的设计而提高开发质量。