CAE技術及其在車輛行業(yè)的應用作者：中國北方車輛研究所魏來生一、CAE技術簡介

1.CAE技術

隨著科技的發(fā)展進步，產品在趨于多樣化、智能化的同時，會不可避免地趨于復雜化。對于復雜的工程，人們都希望能在產品生產以前對設計方案進行精確的試驗、分析和論證，這些工作需要借助計算機實現(xiàn)，就是計算機輔助工程，即CAE（ComputerAidedEngineering）。CAE是包括產品設計、工程分析、數(shù)據(jù)管理、試驗、仿真和制造的一個綜合過程，關鍵是在三維實體建模的基礎上，從產品的設計階段開始，按實際條件進行仿真和結構分析，按性能要求進行設計和綜合評價，以便從多個方案中選擇最佳方案，或者直接進行設計優(yōu)化。

目前，為了更好地進行各工程階段的工作，設計人員已越來越多地運用計算機輔助手段，于是產生了一系列的技術分支，如計算機輔助設計CAD（ComputerAidedDesign）、計算機輔助試驗CAT（ComputerAidedTest）、計算機輔助工藝過程設計CAPP（ComputerAidedProcessPlanning）以及計算機輔助制造CAM（ComputerAidedManufacturing）等，有時將它們統(tǒng)稱為CAX技術。

2.CAE軟件

在工程中應用CAE技術，需要一個載體，而CAE技術的載體就是CAE軟件。CAE軟件是結合計算力學、計算數(shù)學、相關的工程科學、工程管理學和現(xiàn)代計算技術，而形成的綜合性、知識密集型信息產品。

CAE軟件大體可以分為專用和通用兩類。

專用軟件，即針對特定類型的對象所開發(fā)的用于性能分析、預測和優(yōu)化的軟件。從廣義上說，設計人員手頭的一些小計算程序都可以認為是專用CAE軟件。

通用軟件，即可以對多種類型對象的物理、力學性能進行分析、模擬、預測、評價和優(yōu)化，以實現(xiàn)產品技術創(chuàng)新的軟件。通用CAE軟件主要指大型通用商業(yè)化軟件，如NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及ABAQUS等。

3.CAE內涵

CAE技術主要包括以下三個方面的內容：

(1)有限元法的主要對象是零件級，包括結構剛度、強度分析、非線性和熱場計算等內容；

(2)仿真技術的主要對象是分系統(tǒng)或系統(tǒng)，包括虛擬樣機、流場計算和電磁場計算等內容；

(3)優(yōu)化設計的主要對象是結構設計參數(shù)。

從運用有限元法對已設計產品的性能進行簡單校核，逐步發(fā)展到對產品性能的準確預測，再到對產品工作過程的精確模擬仿真，有限元法和仿真技術發(fā)揮了重要作用，贏得了人們的普遍信賴。然而，提高產品競爭力不但需要提高產品的性能、質量，也要降低產品的成本，縮短開發(fā)周期。最優(yōu)化技術引入CAE方法，使人們從繁重的試湊工作中解脫出來，CAE技術也達到了一個新高度。

在用CAE技術解決工程實際問題時，需要注意以下兩點。

(1)CAE工作是一項難度較大的工作。一項工作，不會因為有了三維實體模型和載荷就可以馬上得出結果。實際上，有了三維實體模型以后，需要做大量的模型轉換和修改工作才可能得到正確的分析模型，這項工作通常占到工作量的70％以上，情況復雜時可能需要更長的時間。

(2)一般的CAE分析都基于結構材料無缺陷、不存在工藝問題這樣一種假設。一個結構如果在使用中偶然出現(xiàn)問題，那可能是結構本身的原因，也可能是材料或工藝方面的原因，但如果問題重復出現(xiàn)，則一定是結構原因，必須進行CAE分析。如果材料和工藝方面存在問題，一般的CAE分析結論是不適用的，除非進行有關材料和工藝的專項CAE分析。

4.CAE在產品研制中的作用

在產品生命周期中，信息量（對產品性能的了解）和風險與研制階段的關系，如圖1所示。

圖1信息量與風險的關系圖中橫坐標是研制階段，縱坐標是信息量和風險，可以看出，掌握的信息量和存在的風險基本上呈軸對稱形態(tài)，掌握的信息量越大，則風險越低。傳統(tǒng)的技術在早期不能為用戶提供更多的產品信息，高風險也就不可避免，而采用CAE技術可以提早得到產品信息，使兩條曲線的上升和下降段同時向左移動（如箭圖所示），就可以降低風險。風險的降低，不只可以降低研制成本，還縮短了開發(fā)周期，提高了產品質量，增強了產品競爭力，這樣就能夠在競爭日趨激烈的市場上比對手更早推出產品，增加市場占有率。

CAE在降低成本方面的作用，如圖2所示。

圖2CAE在降低成本方面的作用在產品研制過程中，多種因素的制約，難免會產生各種問題。以前最常用的解決辦法是，請專家或采用相應的分析工具找出原因，采取對應措施。通常情況下，雖然提出的修改建議或許只是針對某個零部件的，但對于車輛這樣一個復雜的系統(tǒng)來說，往往是牽一發(fā)而動全身，在解決一個問題的同時，又可能帶來其他問題。為避免一系列改動，設計人員有時只好做一些妥協(xié)，雖然能在一定程度上解決問題，但不能根本解決，也就增加了產品投產后的維護成本。

如果在早期采用CAE技術，雖然加大了前期投入，但降低了后續(xù)的產品開發(fā)費用。投入總量和傳統(tǒng)做法相比要少得多，而且在產品投產后，能將投入維持在很低的水平，從總體上來說，降低了產品開發(fā)的總費用，也使產品的上市時間得以提前。

正是考慮到CAE技術的上述優(yōu)點，在國家經(jīng)貿委會同國務院有關部門于2002年6月制定的《國家產業(yè)技術政策》中，將CAE技術納入第一重點產業(yè)技術發(fā)展方向“高新技術及產業(yè)化”的重要內容。

二、虛擬樣機

1.虛擬樣機技術

機械工程中的虛擬樣機技術又稱機械系統(tǒng)動態(tài)仿真技術，是20世紀80年代隨著計算機技術的發(fā)展而出現(xiàn)的一項CAE技術，它屬于計算機輔助工程的一個重要分支。在虛擬樣機技術中，工程師在計算機上建立樣機模型，對模型進行各種動態(tài)性能分析，再改進樣機設計方案，用數(shù)字化形式代替?zhèn)鹘y(tǒng)的實物樣機實驗。

虛擬樣機技術與有限元方法的主要區(qū)別在于，它是從系統(tǒng)的層面上分析系統(tǒng)，因此虛擬樣機技術對設計方法和過程的影響比有限元技術的影響要大。運用虛擬樣機技術，可以大大簡化機械產品的設計開發(fā)過程，大幅度縮短產品開發(fā)周期，大量減少產品開發(fā)費用和成本，明顯提高產品質量，提高產品的系統(tǒng)級性能，獲得最優(yōu)化的設計產品。

目前，虛擬樣機技術已經(jīng)廣泛地應用于各個領域，包括汽車制造業(yè)、工程機械、航天航空業(yè)、國防工業(yè)及通用機械制造業(yè)。在各個領域里，針對各種產品，虛擬樣機技術都可以為用戶節(jié)省開支、時間，并提供令人滿意的設計方案。

2.虛擬樣機技術的特點

在虛擬樣機技術出現(xiàn)以前，傳統(tǒng)的設計方式是由下到上，即從部件設計到整機設計。這種方式的弊端是設計師往往把注意力集中在細節(jié)上，從而忽略了整體性能。這種事情在我國經(jīng)常發(fā)生，在對國外的引進樣機的整機性能還沒吃透的情況下，就開始照抄零件，結果很可能是重復人家走過的彎路，甚至會出現(xiàn)一些笑話。這樣做的結果只能是產品永遠比別人至少落后一代，水平永遠上不去。而通過虛擬技術，就能以較低的代價摸索別人的設計思路，在仿制中改進、創(chuàng)新，提高自己的研發(fā)水平。

在傳統(tǒng)的設計過程中，通常都是先提出目標，然后進行子系統(tǒng)和部件設計，再經(jīng)過生產加工組裝成整車，而最后設計出的產品能否達到設計要求，只有通過對物理樣機進行試驗才能得出結論。如果試驗時只發(fā)現(xiàn)一些小問題，那只需要做簡單改動就能夠解決，但如果發(fā)現(xiàn)重大問題或系統(tǒng)問題，可能就需要推翻原設計。由此可見，這種模式存在很大的盲目性，風險較大。

借助于虛擬樣機技術，在產品基本設計完成后，在進行產品加工以前就能夠對整車性能有一個大致的了解，避免代價昂貴的系統(tǒng)設計失誤。早期階段的虛擬樣機的仿真結果還可以做零件設計時參考，例如，動力學或靜力學分析的結果可以用來指導零件的強度設計。與傳統(tǒng)設計過程相比，增加了虛擬裝配、虛擬試驗等過程，產品只有在達到產品要求后，才能進入加工、裝配和實物試驗。

虛擬樣機的作用還可以通過傳統(tǒng)設計與現(xiàn)代設計過程的對比來說明。在傳統(tǒng)設計中，從產品設計到定型往往要經(jīng)過“設計－加工－試驗”多次循環(huán)，每次循環(huán)都涉及到物理樣機的加工和試驗，造成大量的時間、人力和物力消耗。而在現(xiàn)代設計中，在設計和加工之間增加了虛擬樣機試驗這一環(huán)節(jié)，不用再進行“設計－加工－試驗”循環(huán)，在節(jié)約費用的同時，有利于及早發(fā)現(xiàn)設計缺陷，實現(xiàn)優(yōu)化設計，縮短研究開發(fā)周期。

3.虛擬樣機應用效果

眾所周知，在產品開發(fā)的不同階段，越晚發(fā)現(xiàn)問題，就需要花費越高的成本，同時也延長了開發(fā)周期，盡早發(fā)現(xiàn)問題很重要。

豐田汽車開發(fā)過程的統(tǒng)計數(shù)據(jù)，如圖3所示。

圖3豐田汽車開發(fā)統(tǒng)計數(shù)據(jù)在九十年代初期的開發(fā)過程中，通過加強各部門之間的溝通和協(xié)調，可在初樣機前發(fā)現(xiàn)40％的問題，在正樣機前發(fā)現(xiàn)75％的問題。在九十年代中期應用三維CAD進行試題設計后，在初樣車、正樣車前發(fā)現(xiàn)問題的比例分別達到了50％、90％（我們正處于這個階段）。在九十年代末期應用虛擬樣機后，在初樣車、正樣車前發(fā)現(xiàn)問題的比例分別達到了80％、95％。既然在正樣機前95％的問題都已發(fā)現(xiàn)并得到解決，則正樣機的重要性大為降低，因此節(jié)省了部分程序，在不影響產品質量的前提下將研發(fā)時間和成本縮短了30%～40%。

另據(jù)資料，豐田佳美在采用虛擬樣機技術后，研發(fā)時間減少了10個月，人力投入減少了20%，研發(fā)成本降低了30%，樣車數(shù)量減少了65%。另一個成功例子是福特公司在采用CAE技術后，也將開發(fā)每款新車的實驗次數(shù)從300次降到80次。

三、CAE技術發(fā)展趨勢

CAE技術的發(fā)展趨勢可以概括為，采用最先進的信息技術，吸納最新的科學知識和方法，擴充CAE軟件的功能以提高其性能。

這主要包括以下三方面的內容。

(1)功能、性能和軟件技術方面：包括三維圖形處理與虛擬現(xiàn)實、面向對象的工程數(shù)據(jù)庫及其管理系統(tǒng)、多相多態(tài)介質耦合、多物理場耦合以及多尺度耦合分析以及適應于超級并行計算機和機群的高性能CAE求解技術。

(2)多媒體用戶界面與智能化：包括多媒體的用戶界面、增強的建模和數(shù)據(jù)處理功能以及智能化用戶界面。

(3)CAX軟件的無縫集成：多種專業(yè)領域的CAE計算分析軟件的集成化，實現(xiàn)對大型工程和復雜產品的全面計算分析和運行仿真，將成為CAE軟件集成化的另一個重要方向。

四、CAE技術應用實例

近幾年，CAE技術在作者所在單位發(fā)揮了重要作用，解決或輔助解決了許多工程難題，并取得了令人矚目的成績。

下面分別介紹一下去年以來的幾個實際事例。

設計發(fā)動機機油箱時，對原設計的結構進行分析，結果表明如果各安裝位置間沒有相對位移，那么結構應力遠小于許用值，結構不會發(fā)生損壞。進一步分析表明，即使安裝位置間有一毫米的相對位移，危險部位也將產生很大的應力而引起破壞，這就需要選擇適當?shù)陌惭b固定方式，為改進設計提供了理論依據(jù)。

為解決型號車多次出現(xiàn)的扭轉共振問題，對傳動系統(tǒng)作了多次扭振性能計算，最終找到了合適的聯(lián)軸器參數(shù)，這些參數(shù)在新的設計方案中得到了應用，并通過了實車考核，至今未出現(xiàn)過同類問題。

對兩棲車等水上推進器進行了數(shù)十個方案比較，選出了最佳方案，省去了多次性能試驗，僅以每次直接試驗費用15萬元計算，效益也是很可觀的，這還不包括縮短生產時間所帶來的好處。部分分析結果已經(jīng)得到了相關實驗的驗證，兩者誤差不超過5％，充分說明了分析的有效性。

對某型車總體動力學性能進行仿真計算，得到了底盤在通過垂直墻、跨壕溝、爬坡等過程中車輛的一些重要參數(shù)及重要零部件所承受的載荷，為深入了解整車性能和確定零部件載荷打下了基礎，其中大部分參數(shù)是以往很難得到的，甚至在設計階段是不可能得到的，這對指導設計有著重要意義。

五、幾點建議

最后，筆者提出以下幾點建議。

(1)要給予CAE足夠的重視。一項新的技術從提出到應用再到產生效益總有一個成長的過程，尤其是在起步階段，還特別需要各個方面的重視和支持，只有這樣，才能共同把這項工作做好。

(2)CAE的價值有很大一部分隱含或體現(xiàn)在設計工作中，因此，單從CAE部門自身的效益很難看出工作的價值。另外，還要理順關系，責權明確，避免出現(xiàn)“做好了是設計人員的功勞，做不好