计算机技术已成为现代工业提升竞争力的主要手段之一。

最先将计算机技术引入工业应用的是CAD(Computer Aided Design,计算机辅助设计),使用计算机软件直接从事图形的绘制与结构的设计;然后是CAM(Computer Aided Manufacture,计算机辅助制造),使用计算机来操纵各式各样的精密工具机器以制造不同的零件组;最后引入的是CAE(Computer Aided Engineering,计算机辅助工程),基于在产品分析和优化设计中的强大助理作用,自引入工业应用以来得到了长足的发展和广泛的应用。

其中,对CAD的理解可分为三个层次,分别赋予"D"不同的解释:“Drawing”、“Design”、“Development”,即“绘图(先以扩展到三维造型)”、“设计”、和“开发”。

当前在以汽车工业为代表的诸多应用领域中,往往更习惯于“Drawing”的理解方式,并据此划分CAD和CAE的功能界限,形成CAD与CAE的相互驱动,进而决定了CAD与CAE的协同关系。

此外,在汽车工业应用中,还有CAPP(Computer Aided Process Planning,计算机辅助工艺计划)、CAT(Computer Aided Test,计算机辅助测试)等计算机辅助手段。随着计算机技术的发展,我们希望计算机能够实现CAD/CAE/CAT、CAD/CAPP/CAM的集成以缩短产品开发和制造的周期。

一、通用化CAD软件在汽车工业中的应用

在汽车工业中常用的商业化通用CAD软件有UG、CATIA、ProE等。  

1、UG是美国UGS(Unigraphics Solutions)公司的主导产品,是集CAD/CAE/CAM于一体的三维参数化软件,是面向制造行业的CAID/CAD/CAE/CAM高端软件,是当今最先进,最流行的工业设计软件之一.它集合了概念设计.工程设计,分析与加工制造的功能,实现了优化设计与产品生产过程的组合。被广泛应用于机械、汽车、航空航天、家电以及化工等各个行业。UG将CAD/CAM/CAE三大系统紧密集成,用户在使用UG强大的实体造型、曲面造型、虚拟装配及创建工程图等功能时,可以使用CAE模块进行有限元分析、运动学分析和仿真模拟,以提高设计的可靠性;根据建立起的三维模型,还可由CAE模块直接生成数控代码,用于产品加工。 

2、CATIA是法国Dassault System公司的CAD/CAE/CAM一体化软件,居世界CAD/CAE/CAM领域的领导地位,广泛应用于航空航天、汽车制造、造船、机械制造、电子\电器、消费品行业,它的集成解决方案覆盖所有的产品设计与制造领域,其特有的DMU电子样机模块功能及混合建模技术更是推动着企业竞争力和生产力的提高。CATIA 提供方便的解决方案,迎合所有工业领域的大、中、小型企业需要。包括:从大型的波音747飞机、火箭发动机到化妆品的包装盒,几乎涵盖了所有的制造业产品。在世界上有超过13,000的用户选择了CATIA。CATIA 源于航空航天业,但其强大的功能以得到各行业的认可,CATIA是汽车工业的事实标准,是欧洲、北美和亚洲顶尖汽车制造商所用的核心系统。CATIA 的著名用户包括波音、克莱斯勒、宝马、奔驰等一大批知名企业。其用户群体在世界制造业中具有举足轻重的地位。

CATIA 在造型风格、车身及引擎设计等方面具有独特的长处,为各种车辆的设计和制造提供了端对端(end to end )的解决方案。CATIA 涉及产品、加工和人三个关键领域。CATIA 的可伸缩性和并行工程能力可显著缩短产品上市时间。 一级方程式赛车、跑车、轿车、卡车、商用车、有轨电车、地铁列车、高速列车,各种车辆在CATIA 上都可以作为数字化产品,在数字化工厂内,通过数字化流程,进行数字化工程实施。CATIA 的技术在汽车工业领域内是无人可及的,并且被各国的汽车零部件供应商所认可。

3、Pro/Engineer是一套由设计至生产的机械自动化软件,是新一代的产品造型系统,是一个参数化、基于特征的实体造型系统,并且具有单一数据库功能。Pro/Engineer是采用参数化设计的、基于特征的实体模型化系统,工程设计人员采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型,如腔、壳、倒角及圆角,您可以随意勾画草图,轻易改变模型。这一功能特性给工程设计者提供了在设计上从未有过的简易和灵活。Pro/Engineer是建立在统一基层上的数据库上,不象一些传统的CAD/CAM系统建立在多个数据库上。所谓单一数据库,就是工程中的资料全部来自一个库,使得每一个独立用户在为一件产品造型而工作,不管他是哪一个部门的。换言之,在整个设计过程的任何一处发生改动,亦可以前后反应在整个设计过程的相关环节上。例如,一旦工程详图有改变,NC(数控)工具路径也会自动更新;组装工程图如有任何变动,也完全同样反应在整个三维模型上。

这种独特的数据结构与工程设计的完整的结合,使得一件产品的设计结合起来。这一优点,使得设计更优化,成品质量更高,产品能更好地推向市场,价格也更便宜。

二、通用化CAE/CAM软件在汽车工业中的应用

在汽车的开发中,CAE起到了重要作用。CAE是一个很广的概念,从字面上讲它可以包括工程和制造业信息化的所有方面。但是,传统的CAE主要指用计算机对工程和产品进行性能与安全可靠性分析,对其未来的工作状态和运行行为进行模拟,及早发现涉及缺陷,并证实未来工程、产品功能和性能的可用性与可靠性。所以,CAE是一项综合应用技术,它以解决具体工程问题为出发点,借助于计算机信息处理手段,集成应用计算数学、计算力学等“单元”技术,形成系统化的技术解决方案以支持复杂工程或产品的优化设计。计算数学与计算力学渗透于各个应用分支,为具体工程问题的建模与求解提供了相应的数学工具,从而构成CAE软件的核心计算方法。传统观点认为CAE基本等同于有限元分析技术;如今的观点认为,CAE基本等同于计算力学手段及其综合再加上优化设计技术。

目前,国内汽车汽车工业进行CAE分析以使用国外成熟的商业软件为主,也有少量自编程软件。常用的CAE软件列举如下: 

前后处理软件:Heperworks、Patran 

碰撞分析:LS-Dyna、Pam-Crash、Radioss 

机械动力学仿真:Adams 

非线性分析:Abaqus、Marc、Ansys 

疲劳分析:Fatigue 

流体分析:Fluent、Star-cd、AVL-Fire 

锻压过程分析:SuperForge  

汽车内噪声预测分析:Akusmod 

多学科智能优化:iSight

汽车自动化建模:SOFY 

发动机热力学分析:GT-Power 

整车性能分析:GT-Drive 

当前,CAE技术在汽车产品的开发过程中,需要解决的关键问题主要集中在以下五个方面: 

①系统动力学分析。主要分析汽车的行驶性、操纵性等,常采用多体(多刚体、多柔体)系统动力学分析方法。 

②疲劳寿命分析。汽车疲劳寿命分析主要研究汽车整车及各部件的动、静疲劳寿命。 

③碰撞分析。碰撞分析方法主要包括有限元法、多刚体系统动力学法河机械振动学法。汽车碰撞分析主要进行车身结构的耐撞性研究、碰撞生物力学研究和乘员约束系统及安全内饰件研究。 

④NVH分析。工程中常用的NVH分析方法有:多刚体系统动力学方法、有限单元法、边界元法、统计能量分析法。 

⑤空气动力学分析。主要进行汽车高速行驶时的气动噪声分析,分析汽车高速行驶时空气流场对操纵稳定性的影响。 

在汽车CAE领域,在上述通用化商业化软件得到广泛应用的同时,一些面向汽车产品设计开发领域特定问题的专用商品化软件业得到了很好的发展,如:Adams/car(常与Matlab/simulink进行联合仿真)ADVISOR、PSAT等。 

主要软件介绍如下: 

1、MSC.ADAMS 

MSC.ADAMS(Automatic Dynamic Analysis of Mechanical Systems,机械系统动力学自动分析)是一款功能完善的系统动力学分析软件,是美国MSC.Sofeware公司的系列软件产品之一。应用它可以方便地建立参数化的实体模型,并采用多刚体系统动力学原理进行仿真计算,进行机电产品性能分析。

MSC.ADAMS软件由基本模块、扩展模块、接口模块、专业领域模块及工具箱5类模块组成。 

在汽车领域SMC.ADAMS/Car的应用已比较普遍。ADAMS/Car吸收了Audi、BMW、Renault和Volvo等汽车公司的设计开发经验,能够快速建立高精度的车辆子系统模型和整车模型,可以通过高速动画直观地再现各种工况下的车辆运动学和动力学仿真,并输出表征稳定性、制动性、乘坐舒适性和安全性等的性能参数。 

2、ANSYS 

ANSYS是融合结构、流体、电场、声场分析于一体的大型通用有限元分析软件,由美国ANSYS,Inc.公司开发。它能与大多数CAD软件接口,如Pro/Engineer、Unigraphics、CATIA、I-DEAS、AtuoCAD等实现数据共享与交换。ANSYS的基本功能包括:结构静力学分析、结构动力学分析、结构非线性分析、柔体运动分析、热分析、电磁场分析、计算流体分析、声场分析等。 

在运用ANSYS进行汽车设计中,前处理阶段需要进行“定义载荷信息”的操作,而载荷信息是否真实直接关系到分析结果的正确性和可用性。汽车仿真分析中,常从事先在ADMS/Car中建立的整车模型的相关仿真结果中提取所需要的载荷信息。 

3、MSC.NASTRAN 

MSC.NASTRAN是美国MSC.Sofeware公司推出的一款大型结构有限元分析软件。当前,众多企业和工业行业已将MSC.NASTRAN的计算结果作为标准代替其他质量规范。MSC.NASTRAN具有开放性的结构,全模块化的组织形式使其不但拥有很强的分析能力而又能保证很好的灵活性,使用者可以根据自己的工程问题和系统需要通过模块选择和组合获得最佳的应用系统。此外,MSC.NASTRAN还为用户提供了开发工具DMAP语言。 

MSC.NASTRAN与ANSYS同为大型通用有限元分析软件,其功能和用途也有许多一致和相似之处。MSC.NASTRAN的主要功能包括:静力学分析、屈曲分析、动力学分析、非线性分析、热传导分析等。还能进行诸如空气动力弹性及颤振分析、流固耦合分析、多体超单元分析、高级对称分析、设计灵敏度分析及优化设计等。

4、LMS.SYSNOISE 

LMS.SYSNOISE是比利时LMS公司开发的大型声学分析软件,用于计算声场中任一点处的声压、声辐射功率、声强,结构对声场的辐射功率、能量密度,流体的模态,并能计算声振耦合问题。还能与其他有限元软件(如NASTRAN)相结合,进行降噪优化设计。 

LMS.SYSNOISE本身不具备前处理功能,但它能与众多主流有限元分析软件有界面程序连接,可由此读取有限元的模型数据,以及模态、表面振动速度等计算结果,从而提高建模速度。 

5.MATLAB/Simulink 

Simulink是Mathworks公司开发的动态系统通用仿真软件包。Simulink为用户提供了用方块图进行建模的图形接口,只需点击和拖动鼠标操作就可以完成复杂系统建模。它提供了一种更快捷、更直接明了的方式,而且用户可以立即看到系统的仿真结果。 

在汽车电子产品开发设计中,往往需要将控制器与控制对象模型联系起来实施仿真分析,以预估或评价整个车辆系统的控制效果。鉴于MATLAB/Simulink在控制器模型构建方面具有独特的优势,而ADAMS/Car则具有整车建模的方便性与完善性,常将二者联合起来建立联合仿真模型,以提高建模效率和仿真精度。

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