CAE在汽车开发中到底用在了哪些地方?


本文目录:

1、CAE分析的生命周期

2、CAE分析的五大领域

2.1、刚强度分析

2.2、NVH分析

2.3、疲劳耐久分析

2.4、碰撞安全分析

2.5、汽车流场分析
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CAE分析的生命周期

一般来讲,整车开发大都逃不过以下6个阶段:

  1. 产品战略阶段

  2. 概念设计阶段

  3. 详细设计阶段

  4. 样车阶段

  5. 投产阶段

  6. 改进阶段

那么CAE在整车开发中会出现在哪些阶段呢?

答案是有结构设计的地方就有CAE存在,结构设计与CAE如胶似漆、双宿双飞。而以上6各阶段的后面5个阶段都是存在设计的。我们来脑补一下以下场面。

概念设计时,画师随手在车腰上勾勒出一道锐利的腰线,好看多了,但是会不会影响空气动力学呢?好吧,拿以前的车型试算一下就知道了。

详细设计时,外观已经定了,但里面的骨架还没定,骨头怎么设计比较结实还省钱呢?好吧,通通算一遍。

样车阶段,终于手工打造出来个样车给领导看看,马马虎虎,问题颇多,哪里有问题改哪里。随便动一动哪里的结构,结果怎么样呢,先计算跑一遍,有风险再改,最后实验落地去验证一下。

投产阶段时,工人发现打焊点的角度刁钻得很,焊工伸不进去,这个时候结构大多已经定型了,不能再大改了,那就开个通过孔吧,让焊工能伸进去,开个孔有影响吗?不好说,那就计算再算一下吧。

改进阶段时,用户拿到车,开起来总觉得车门里面有异响,反馈给4S店,4S店反馈给主机厂,主机厂找到工程师,说,这个客户反馈很严重,你给我找出来异响的原因。然后模态你给我算一算吧。

好吧,以上仅仅是举个例子,实际设计工作中的幺蛾子可不止这么一点,品类繁多还不重样的bug让计算工程师们疲于奔命,抠掉一地头发。

如此说来,CAE主要分布于概念设计阶段、详细设计阶段、样车阶段、投产阶段、改进阶段。当然,CAE固然重要但也并不是一枝独秀,CAE作为计算机辅助工程,也只能是这几个阶段中的一小部分,有CAE则必有设计,有设计则总是需要CAE来辅助,设计出来的产品需要制造,制造出来后又需要试验来验证,因此设计-CAE-实验,构成一个产品设计的回路。

为什么这个回路里一定要有CAE呢?

总不能每次改一下结构就要造出来一辆车去撞一撞验证结构设计是否可行吧。单纯的【设计+实验】的回路太费时间也太烧钱了。

所以CAE一出来的作用就是取代实验的,但能否真的取代实验呢?还是不能的,因为大多时候CAE出来的结果是不被相信的,而且CAE的准确性也需要实验来不断优化。那么最理想的开发流程就是,CAE和设计之间形成回路,最后用实验验证设计成果,一次性通过,省钱省时,皆大欢喜。

好,讲到这里,我们大致清楚了CAE在整车开发中的定位以及作用了。

那么CAE到底负责些什么内容呢?
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CAE在整车开发中的五大领域

传统的汽车CAE分析也不过就那几块,我们按照计算类型的不同来进行分类,就是汽车界鼎鼎大名的CAE五大领域。

  • 刚强度分析

  • NVH分析

  • 耐久性分析

  • 碰撞安全分析

  • 流体分析

我们一个一个来说。

2.1刚强度分析

刚度的概念是结构在正常工作时的许可变形量,用刚度表示结构抵抗变形的能力, 刚度是结构在外力作用下发生单位变形所需要的力。我们更关注变形量。简单来说刚度好就是变形量不能大。

强度的概念是结构在正常工作时能承受的载荷,一般用工作应力的峰值来表示结构强度的水平。我们更关注应力是否超过材料本身的屈服极限或者强度极限。简单来说强度好就是不能坏。

刚度和强度可能完全是同一个模型,只是我们关注的点不一样而已。很多时候,工程师是两个点(宏观变形量,微观应力)都关注的,因此,刚度强度也就不区分了,干脆合到一起,叫刚强度了。

刚强度分析最常见的样子,就是给某个零件或者某个总成加一个力,看它有多大变形。如下:

简单的模型可以只分析单独一个零件,复杂起来可以分析整车模型,各有各的约束,各有各的加载,因此,汽车界的刚强度分析领域,简直无法细说。分门别类的罗列出来要你算的话,吓晕都不为过。

简单感受下:

2.2 NVH分析

什么是NVH分析?

汽车在外载荷(路面激励、发动机的怠速和工作转速的激励)的作用下发生振动,用有限元分析的方法识别汽车结构的模态参数(振型、频率和阻尼),对汽车结构的振动噪声和舒适性(NVH,Noise、Vibration,Harshness)进行分析。

专业术语有点多,你看不懂,我不怪你。但不妨碍你理解以下使用场景。当你开个奥拓经过道路减速区,肯定会被震得七荤八素,方向盘抖握不稳,但同样的,你开个奥迪经过减速区,却感觉如履平地,为什么呢,因为奥拓和奥迪面对同样的路面激励,产生的振动是不一样的,这个呢就是个简单的NVH实例。好的NVH设计,会让车内的人感觉到更平稳,更安静,更舒服。

所以,最常见的NVH模型就是给整车加一个路面输入。这个路面可以是各种各样复杂的路面,比如进地库时的搓衣板路面、比如鹅卵石路面等,工程师们采集汽车经过这些路面时车轮受到的激励,将这些激励作为输入加到计算模型中,借此查看模型在激励下的反应。一般来说,激励是一种振动信号,反应多是查看振动的幅度,这种分析又称为频率响应分析,简称频响分析。

以上仅仅是举个例子,汽车NVH家族其实也是个很庞大的家族。

从研究类型来区分,有些人专门研究模态,有人研究噪声,也有人研究声固耦合。

但更多的分类方式是人被分在各个部门,研究各个不同的结构领域。比如白车身NVH、发动机NVH、动力总成的悬置系统NVH、进排气系统NVH、路面-轮胎-悬架系统的NVH、传动系统NVH、整车NVH等,整体来讲的研究思路就是先解决各个子系统的NVH问题,再整合起来解决匹配后的NVH问题,这和前面讲到的刚强度研究思路其实如出一辙。

2.3 耐久性分析

什么是耐久性分析呢?

人是会疲劳的,零件也是一样。记得小时候自己做玩具,要剪断铁丝,但是没有老虎钳,就只能拿着铁丝对着同一个位置不断的折,十来次就能把它折断。那个时候不知道原理,现在才醒悟这就是个疲劳寿命问题,影响铁丝寿命的外界因素,一个是折的力度的大小,一个是折的次数,力小了就要折更多次,使劲折就更少次能弄断它。

对于车身上的零件也是这样,在汽车使用过程中,每个零件都在振动,虽然折的力度小,但是也架不住折的次数多呀,很多车在用久了以后,就会听到车门或者车顶哪里传来异响,就很有可能是某处的焊点被‘折’坏了。

汽车零件的耐久性跟汽车的保值性密切相关,更与客户的安全性密不可分。一辆汽车的设计,必须进行各个方面的疲劳耐久性分析。

那么涉及到计算的有哪些呢?

对汽车企业来说,整车需要满足的耐久性最低标准通常可以定义为XX年的功能寿命和XX万Km。

除此之外,汽车还有子系统级别的疲劳耐久测试,如开闭件耐久测试,一般指四门两盖,描述为在开闭XX万次后,不能检查到有焊点脱开或者零件开裂。

为了达到整车的耐久性指标,就需要整车、系统、子系统和零件满足各自的要求。将汽车耐久性指标从上至下一直到分解到子系统/零件级。

最常见的疲劳耐久计算有:

整车道路耐久性试验仿真

整车台架耐久性试验仿真

车门开闭耐久试验仿真

前后盖开闭耐久试验仿真

2.4 碰撞安全分析

为什么要进行碰撞安全分析呢?

答案肯定是为客户的安全着想的。你无法保证自己一定不会发生碰撞,就算你能做到不撞别人,但你阻止不了别人来撞你。只要有碰撞,你的生命安全肯定是第一位重要的,第二位重要的则是汽车的维修成本。而这些,都离不开碰撞安全分析。

碰撞安全分析有哪些呢?

前碰:你怼到别人的车上,或者你怼到墙上;

后碰:别人的车高速追尾你了;

侧碰:别人的车从侧面撞上来;

柱碰:你的车侧向撞到马路边电线杆或树上;

腿保:你撞到了行人的腿;

头保:你撞到了行人,他的头侧翻撞到前盖;

顶压:你的车侧翻了;

摆锤:你低速追尾别人的车;

摆锤:别人低速追尾你的车;

鞭打:你被追尾时你的脖子会受多大伤害。

Silverado-v2


Mass:2167kg

Vel:56.16km/h


Twocars-1.5M


Mass:2464kg

Vel:56.3km/h

碰撞的图谱种类没有刚度和疲劳那么多,大抵就是以上内容了,但是也架不住形式多变呀。

比如一个前碰,可以是整个前脸撞到刚性墙上,也可以是撞到别的车的脸、别车的屁股、或者别车的腰,可以撞到柱子、可以是40%重叠、可以是25%重叠,重叠还分左边重叠还是右边重叠,碰撞的速度也可以多变,碰撞的角度也可以多变。

这么说来,碰撞的范围也是很大很大的,但是不管碰撞形式怎么变,不变的是对安全的要求。一定会有一个指标(比如加速度、比如变形)来评价乘员的伤害值或者汽车的伤害值。而这些上伤害值的评价方法,也一定写在某个国家级汽车安全标准里。

2.5 流场分析

流体分析其实研究的流体类型很多,比如液体、气体、泥土等,但在汽车界,大家一般都指的是气体,那么为什么汽车要研究空气呢?

说得严重点,汽车高速行驶时,其实车身是很不稳的,这个时候的一点侧向来风,都可能让你翻车。

说得不那么严重,发动机舱的热气如果散不出去,也会让你发动机舱着火冒烟。

说得再轻一点,空气阻力太大,会大大提升燃油消耗,浪费钱。汽车里的温度每个座位都不一样,显得十分诡异。

所以研究空气的流动,就意味着在研究车辆的受力情况,车内温度的分布等,是十分有必要的。

一般来讲,汽车的流场分析包含以下内容:

  • 汽车外流场

  • 整车热管理

  • 整车除霜除雾

  • 空调系统

  • 乘员舱舒适性

  • 气动噪声

  • 进排气系统

汽车外流场分析主要解决汽车在高速行驶时的空气阻力,优秀的汽车流场设计能降低汽车阻力,适当增加汽车的地面附着力,不管是为了安全还是燃油效率,都是十分必要的。

整车热管理主要包含前进气口流场分析、冷却系统冷气流场分析、前端冷却模块热扩散分析、机舱三位流场分析、整车热防护设计等内容,主要工作内容是通过机构设计等引导气体的流动。

整车除霜除雾分析主要是为了在最短的时间内去除车窗玻璃上的雾或者霜而设立的分析项,主要方式一般是优化出风口的设计,使得气体能以最大的速度经过整个玻璃表面,达到快速去除雾霜的效果。

空调系统流场分析主要包括空调内部气体流动分析、风机风量分析、空调噪声分析、风道性能分析等内容。

乘员舱流场分析主要包括乘员舱制冷性能分析、乘员舱制热性能分析、乘员舱热舒适性分析等。乘员在车内对温度的感知决定了其温度舒适性、在酷夏入车和寒冬入车时对温度的切换速度决定了其等待舒适性。

气动噪声分析主要分析外部风燥、空调的气体噪声等。

进排气系统的流场则直接影响着发动的热效率,十分关键。

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总结

本文主要内容有:

1、CAE分析的生命周期

2、CAE分析的五大领域

2.1、刚强度分析

2.2、NVH分析

2.3、疲劳耐久分析

2.4、碰撞安全分析

2.5、汽车流场分析

本文仅从宏观的需要上来描述汽车开发中涉及的CAE分析内容,也仅描述目前做得比较成熟的领域,以上五大领域,任何一个领域都值得CAEer钻研一生,这都得益于每个领域的重要性而延伸出来的各种宽度和深度问题。

除了这五大领域,也有一些前沿的CAE领域探索,比如多学科联合仿真、多场耦合、仿真流管理、仿真自动化等。但前沿的研究都是基于成熟的五大领域发展而起,掌握一个或者多个领域的分析能力,再跟上时代的发展,探索新兴领域,也足够每个CAEer奋斗一生了。

总之,CAE是个很大的世界。

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