CAE仿真分析在车辆疲劳寿命评估中的应用
责任编辑:Destern     时间:2024-01-26     来源:转载于:http://www.boyfea.com/info/124.html
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  一般来说,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。CAE作为计算机辅助工程,也只能是这几个阶段中的一部分,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-试验,构成一个产品设计的回路。


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  传统的汽车CAE分析,我们按照计算类型的不同来进行分类,分别是刚强度分析、NVH分析、疲劳耐久分析、碰撞安全分析、流体分析


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  刚度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。


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  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。好的NVH设计,会让车内的人感觉到更平稳,更安静,更舒服。汽车NVH是个很庞大的家族。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。


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  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。疲劳耐久性问题是任何机械产品都会面临的问题,无论是燃油汽车还是新能源汽车也都逃不开这个问题。


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  汽车安全通常可以概括为主动安全与被动安全两块。主动安全领域更多的是涉及电子和软件控制模块,对控制模型的建立和程序的测试;而在被动安全领域则涉及到汽车碰撞、约束系统的设计开发、车身的性能优化、材料性能研究等等,在碰撞时,车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量,缓和冲击;二是发生事故时,确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能,以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。这些方面均需要利用CAE技术进行仿真建模分析,不仅重要而且投入巨大。各个国家都有自己强制性的标准,同时也催生了开展新车评价规程(NCAP- New Car Assessment Program)的相关组织和机构,我国则是由中汽中心主导的C-NCAP,面向社会测试发布新车安全性能。目前CAE分析已成为设计中的一项不可或缺的流程,几乎每一款车型都要进行碰撞安全CAE仿真分析,也积累了丰富的标杆车型和开发车型的分析经验和数据,可以根据不同需求设计出合理的安全车身结构,以满足法规及C-NCAP要求。


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  流场分析是基于计算流体力学 (CFD) 的分析方法。在汽车开发过程中的应用主要集中在:汽车外流分析,以得到较低的空气阻力系数;发动机舱的流场分析,使得发动机舱有畅通的流场分布,将发动机产生的热量高效地带出发动机舱,使得周围部件及驾驶室不至于过热;车内乘员空间的冷热舒适及风窗玻璃除霜除雾分析;发动机燃烧及排放分析;以及发动机进排气及水套流场分析。其中汽车空气动力学的研究将影响整车的造型、风阻、经济性、风噪等,市面上很多车体造型炫酷,流线动感,各种空气动力学组件使用都是基于提升整车空气动力学性能。

  本文仅从宏观的角度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,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。总之,CAE是个很大的世界。

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