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CAE引领汽车研发革命

CAE功效卓著

近年，汽车工业世界范围内的重组整合此起彼伏，全球化使得各汽车制造商之间的竞争愈发的激烈和白热化。各制造商或主动或不但要从塑料造粒机工艺上进行根本改造被动地采取种种措施，缩短新品开发周期、降低整车制造成本、根据客户需求进行个性化开发……以扩大市场份额，获得最大限度的回报。毫无疑问，这个游戏中的所有参与者都明白，在以上的所有因素中，汽车卧室研发能力的高低是保证自己在市场较量中能否胜出的关键因素。

在提升汽车研发能力的众多因素中，以CAE为主的数字化产品开发可以说是其中最为重要的一个环节，也被认为是继福特流水线生产、丰田精益生产之后，汽车工业具有革命性意义的重大技术进步。以CAE为核心的仿真驱动设计技术的应用使得整车制造中新品开发周期大为缩短，同时也使得以往设计中的一些经验性的知识可以以量化的形式出现，使得产品的开发效率更高。

在汽车零部件的产品开发中，采用CAE技术效益显著。以轮胎的设计开发为例，从20世纪80年代开始，CAE代替以前半经验的设计方法成为轮胎设计的主要技术，被各大轮胎制造商普遍采用和推广。以固特异（GOODYEAR）为例，在1996年，其有40％的产品开发周期不超过3年，采用CAE的技术后，2001年此比例上升到80％。

在整车的开发中，丰田开发新型花冠牌轿车时运用了CAE技术，无需制造试验车，只需把众多工序在计算机上进行演示即可，由此将开发时间缩短到了18个月。马自达运用数字化产品开发进行新品设计，主要依靠CAE与试验来缩短产品试验和样车完成的时间，根据马自达的数字化创新计划，其产品样车的完成将由3.5个月缩短到1.5个月，试验周期从4.5个月缩短到气力单位T、Kg、N、KN、 g、lb2.5个月。不言而喻，以CAE为核心的仿真驱动设计在各大汽车制造商的发展战略中占据着越来越重要的地位。

汽车性能分析的多面手

CAE的应用在提高产品质量、降低成本和缩短新品投放市场的周期这三方面有着非常显著的应用，因此，几乎所有的汽车制造商在提高自己核心竞争力方面无一例外地不断加强CAE在整个研发中的应用。

最初的CAE主要以简化的线弹性部件分析为主，而在汽车的结构中存在着大量的非线性问题，如发动机的垫片、发动机缸盖与缸体之间的接触、驾驶室橡胶支承等等。随着计算机硬件技术的发展与CAE应用的深入，汽车结构分析中的这些非线性问题越来越多，已经不能用简单的线弹性分60～100HRF析来代替，包括几何非线性、材料非线性、边界非线性等各种非线性分析已经成为汽车CAE分析中的主要内容（图1）。

图1 非线性分析的问题越来越多

非线性问题的增多使得CAE分析中的解题规模相对于线性问题呈几何级增长，同时非线性分析中的收敛问题也变得非常突出。种种问题对CAE软件提出了很高的要求，要求其在处理非线性问题方面具有良好的求解精度、快速强大的求解器、处理各种复杂非线性状态的能力。

图2 汽车碰撞分析

现在，从结构的刚度分析、强度分析、疲劳寿命分析，到整车动力学分析、被动安全与乘员保护分析，CAE分析几乎涵盖了汽车性能的所有方面。以汽车控制面板的CAE分析为例，其包括了NVH、FMVSS201、FMVSS208、热应力、强度分析等，而传统上单一软件进行某种特定功能分析的方法要求工程师熟悉多种软件，同时要在不同的分析之间进行数据交换，降低了工作效率也容易引起数据丢失，增大了工程师的工作量，因此，CAE的发展要求分析软件在具有强大非线性分析功能的同时具有综合分析的功能，可以提供从强度、NVH到汽车碰撞（图2）等瞬态分析的功能，统一有限元的需求也日益突出。

满足用户新要求的ABAQUS

CAE的深入应用对相关软件提出了很高的要求，ABAQUS软件是能够满足不断提高的用户需求的代表性CAE软件工具之一。

ABAQUS作为国际上最先进的大型通用非线性有限元力学分析软件，一直致力于复杂的非线性固体力学问题的研究与解决。在非线性分析方面，ABAQUS拥有灵活、可靠且自动化的增量参数运算法则，可以稳定可靠而高效地求解大规模或超大规模线性、非线性问题。在统一有限元方面，ABAQUS与BMW合作开发了新一代的汽车碰撞与乘员安全程序，实现了在ABAQUS软件平台上进行静力分析与瞬态分析相结合的功能，实现了真正的统一有限元分析。

下面以ABAQUS在国内某发动机制造商CAE分析中的应用为例对ABAQUS的功能进行简单介绍。

在进行600h台架试验后发现发动机排气歧管在图3（a、b）所示的位置有裂纹产生。传统上可以根据经验对排气歧管的设计进行修改，然后在验证相关设计施胶剂正确与否。而采用CAE方法对整个排气歧管的工作状态进行模拟，可有的放矢地对多个修改设计进行对比，选择最佳方案。

图3 排气歧管的裂纹及工作状态模拟分析结果

在ABAQUS计算中得到排气歧管的内外流场的温度场与对流换热系数后，将其作为ABAQUS结构计算的边界条件，在ABAQUS软件中进行部件温度场与热应力的计算。

最终计算结果如图3（c）所示，其中红色的区域代表计算所得的部件在工作状态下的高应力区域。对比试验结果可知大理，此CAE结果与实验结果基本吻合。修改相应的设计进行计算，对比各设计结果便可选择其中的最优方案。图3（d）为另一方案的计算结果，从图中可知，原来产生裂纹的应力集中区域的应力分布情况已经大为改善，成功地消除了裂纹的出现。

由此例可知，应用ABAQUS软件进行结构分析可以使用户快速发现产品设计中存在的问题，同时CAE的模拟也降低了实验成本，缩短了产品的设计周期，可以帮助用户选择最佳的产品设计方案，提高用户的核心竞争力。

ABAQUS具有强大的非线性分析功能和综合的统一有限元分析功能，能够帮助国内的汽车制造企业在竞争日益激烈的全球市场中赢得先机，占据主动。当然，在制造业全球化的大背景下，汽车业的竞争愈演愈烈，国内市场也同样如此，因此，CAE在国内汽车界的普及应用也将是一个必然的趋势。(end)

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