CAE仿真技术在汽车开发中的应用

汽车开发是一项复杂的系统工程，零件多且结构复杂。在整车开发过程中，涉及到流体、结构、温度、电磁、 NVH 及车辆动力学等多方面知识。

CAE技术应用在汽车开发中，可大幅度提升汽车开发设计的能力，指导新产品的开发设计，优化产品结构与性能，达到降本增效的目的，从而提升汽车生产企业的市场竞争力。

统计结果表明，应用CAE技术后，新车开发期的费用占开发成本的比例从80％～90％下降到8％～12％。

例如：美国福特汽车公司2000年应用CAE后，其新车型开发周期从36个月降低到12～18个月，开发后期设计修改率减少50％，原型车制造和试验成本减少50％，投资收益提高50％。马自达依靠CAE与试验来缩短产品试验和样车完成的时间，其产品样车的完成由3.5个月缩短到1.5个月，试验周期从4.5个月缩短到2.5个月。

如果说CAD是在帮助工程师创造更丰富、更优美、更实用的几何实体设计，那么CAE则在产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥着更加重要的作用。

CAE在汽车开发中的应用

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结构强度分析

汽车结构强度分析是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。

汽车结构强度分析一般都是应用有限元法对汽车的结构进行数值计算。由于汽车是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要部件或总成（例如车架、悬架、传动系等），进行分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。

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NVH分析分析

随着收入水平的提高，消费者越来越看重汽车产品的舒适性即 NVH （噪音、振动、平稳）性能，因此汽车开发中也必不可少要进行 NVH 分析。

NVH分析主要包括动力系统NVH、车身NVH、底盘NVH三大部分，而汽车NVH分析则涉及到汽车在各级频率的模态分析，不同路面工况激励下的汽车振型，还有风噪、发动机噪声、轮胎噪声等声学研究。

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疲劳耐久分析

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。

目前采用的CAE方法是利用道路试验所采集的载荷，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。

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碰撞安全分析分析

汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。

使用CAE技术对汽车碰撞过程进行仿真模拟，主要包括正碰、侧碰、后碰、40％偏置碰和行人保护等方面。因碰撞属于大变形的非线性问题，实车模拟碰撞往往试验成本较高，仿真模拟可以大幅度降低试验成本。

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空气动力学分析

汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面。

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以上仅从宏观的角度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，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。

神工坊在汽车行业的应用案例

随着工业 4.0 时代的到来，企业对汽车开发周期有了更高的要求。 CAE 仿真的模型也越来越复杂，网格数量越来越多，其计算时间也越来越长。

为应对先进制造业的需求，国家超级计算无锡中心基于“神威 • 太湖之光”超级计算机的超级算力，面向工业制造领域，提供高保真、高性能的工业仿真解决方案——“神工坊”，可以为企业以及个人提供 在线高性能仿真 、 仿真应用高性能改造与开发 ，以及 仿真应用定制服务 。

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高性能改造案例

某汽车制造企业需要在短时间内完成汽车外流场仿真程序开发，并对某真实车型进行仿真分析，计算风阻大小。

神工坊基于自研自适应加密网格框架—— SAMR （点击了解详情），结合LBM求解器算法，快速实现汽车流场仿真求解器开发，真实车型算例网格规模达到6.7亿，并行规模约46.8万核，求解结果对比商业软件，求解精度更高。

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在线仿真案例

某汽车设计用户需要使用商业软件对已设计完成的汽车外形进行仿真，但本地台式机只能数十核并行，硬件资源远远不够。同时，由于仿真工程师习惯使用本地台机进行图形化操作，所以仿真工具必须能够基于软件原生界面进行仿真作业，降低切换成本。

基于“神工坊”高性能仿真平台，在保留软件原生界面的同时，用户可以体验“PC”式高性能在线仿真。仿真使用的网格规模从原先百万级提升为千万级，同时可实现数百核心并行运算，大大提高了产品设计研发速度。

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仿真APP定制案例

某汽车零部件企业，由于市场竞争日益激烈，面临销售规模缩水，产品竞争力下滑的风险，急需通过数字化工具提升产品设计性能。但是由于企业仿真实力偏弱，使用通用仿真软件难度较大，因此需要一款能够便于让设计工程师使用的仿真工具。

神工坊基于高性能仿真平台APP开发框架，针对企业产品设计的场景和业务流程，迅速完成产品优化设计APP的定制，根据初始几何外形、约束和目标参数，能够自动化实现零件的形状优化，实现一键式仿真优化，助力企业提升产品竞争力。

除了汽车制造领域，神工坊还能够为航空航天、船舶海洋、电力电子等工业领域提供提供高保真、高性能的工业仿真解决方案。目前已与中船重工、中航商发、中国一汽、中国商飞、清华大学、浙江大学等高校及科研单位合作，取得了显著效果。

参考资料：

[1]夏卫华．汽车 CAE应用亟待突破[J]．微型机与应用 ，2007， (1)．

[2]温志伟 ，陈江海．CAE在汽车开发中的应用[J]．中国水运 (理论版)，2007，(8)．

[3]王仲范．汽车开发过程中的计算机技术[J]．武汉汽车工业 大学学报，1999，(1)．

十四五期间，工业数字化将是工业转型升级的主路线。“神工坊”秉持“算力赋能、协同创新”的理念，争做“先进算力到仿真算能的转换器”、“离散机理和垂直仿真场景的连接器”，助力我国工程仿真技术实现跨越发展，支撑重大装备研制创新和工业设计研发数字化转型。

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