汽車CAE仿真流程在工程機(jī)械中的應(yīng)用

李凱 吳書男

摘? 要：CAE仿真技術(shù)在汽車中應(yīng)用十分成熟，技術(shù)的應(yīng)用貫穿了汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的全過(guò)程，對(duì)降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要的意義。工程機(jī)械行業(yè)相比汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，CAE仿真技術(shù)尚未系統(tǒng)化的應(yīng)用。文章借鑒汽車行業(yè)CAE仿真流程，結(jié)合工程機(jī)械行業(yè)的具體現(xiàn)狀，給出工程機(jī)械行業(yè)CAE仿真流程的方法和思路，為工程機(jī)械的CAE仿真提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE仿真流程;工程機(jī)械;汽車

Abstract： The application of CAE simulation technology in the automobile is very mature， and the application of the technology runs through the whole process of automobile research and development， which is of great significance to reduce the product development cost and shorten the product development cycle. Compared with the automobile industry， CAE simulation technology has not been systematically applied in the construction machinery industry. This paper draws lessons from the CAE simulation process of the automobile industry， combined with the specific situation of the construction machinery industry， gives the methods and ideas of the CAE simulation process of the construction machinery industry， and provides a reference for the CAE simulation of the construction machinery.

引言

仿真技術(shù)在汽車中應(yīng)用十分成熟，已形成整套流程和規(guī)范、技術(shù)的應(yīng)用貫穿了汽車研發(fā)設(shè)計(jì)的全過(guò)程中，對(duì)降低產(chǎn)品的開發(fā)成本和縮短產(chǎn)品研發(fā)周期具有重要的意義，推動(dòng)了汽車制造業(yè)的蓬勃發(fā)展[1-6]。工程機(jī)械雖然在設(shè)計(jì)過(guò)程中引入CAE仿真手段，但相比汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，尚未系統(tǒng)化的應(yīng)用。如何借鑒吸收汽車行業(yè)的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，迅速提高工程機(jī)械的仿真水平，進(jìn)而提升工程機(jī)械整體研發(fā)水平顯得尤為重要。本文借鑒汽車行業(yè)CAE仿真流程，分析汽車行業(yè)CAE分析流程在工程機(jī)械仿真計(jì)算應(yīng)用的具體思路，為工程機(jī)械CAE仿真方法提供一些參考。

在汽車行業(yè)，CAE仿真流程步驟大體可分為仿真分析項(xiàng)的制定、性能目標(biāo)的確定、CAE仿真計(jì)算分析與優(yōu)化以及驗(yàn)證與改進(jìn)四個(gè)步驟，貫穿產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)流程。其具體的流程成熟而規(guī)范，工程機(jī)械在參照采用的時(shí)候，不能完全照搬，必須針對(duì)工程機(jī)械的研發(fā)現(xiàn)狀進(jìn)行改進(jìn)，下面介紹仿真流程如何在工程機(jī)械的設(shè)計(jì)過(guò)程中進(jìn)行應(yīng)用。

1 CAE仿真流程

1.1 仿真分析項(xiàng)的制定

在汽車行業(yè)，在方案階段制定分析項(xiàng)，計(jì)算分析內(nèi)容包括法規(guī)項(xiàng)（碰撞安全等）、結(jié)構(gòu)剛強(qiáng)度和疲勞耐久、NVH、多體動(dòng)力學(xué)和CFD等。具體分析的項(xiàng)已形成規(guī)范，按照規(guī)范和具體產(chǎn)品要求執(zhí)行即可，這樣既可保障分析內(nèi)容的全面性，又避免做無(wú)用分析。

同樣，在工程機(jī)械行業(yè)，在項(xiàng)目方案階段制定詳細(xì)的CAE計(jì)算分析項(xiàng)。首先對(duì)工程機(jī)械相關(guān)法規(guī)標(biāo)準(zhǔn)要求、作業(yè)工況下結(jié)構(gòu)的剛強(qiáng)度及疲勞耐久性能、工程機(jī)械作業(yè)工況下多體運(yùn)動(dòng)、整機(jī)作業(yè)下的NVH及CFD性能進(jìn)行全面梳理，并結(jié)合當(dāng)前公司的CAE計(jì)算分析能力，制定CAE計(jì)算分析項(xiàng)。若公司的CAE仿真計(jì)算能力暫時(shí)難全面覆蓋所有計(jì)算分析內(nèi)容，則要優(yōu)先保證標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和結(jié)構(gòu)疲勞耐久相關(guān)CAE項(xiàng)的計(jì)算分析，因?yàn)檫@些項(xiàng)是致命性能，直接關(guān)系到產(chǎn)品的使用性能和作業(yè)安全，并且在產(chǎn)品驗(yàn)證階段進(jìn)行設(shè)計(jì)變更的成本巨大。所以對(duì)這些分析項(xiàng)做為最優(yōu)先保證的性能項(xiàng)。其余分析項(xiàng)比如NVH和多體運(yùn)動(dòng)等項(xiàng)，直接關(guān)系到產(chǎn)品的品質(zhì)和競(jìng)爭(zhēng)力，在產(chǎn)品的研發(fā)過(guò)程中進(jìn)行仿真技術(shù)的積累，盡量開展相關(guān)項(xiàng)的仿真分析。

1.2 性能目標(biāo)的制定

在汽車行業(yè)，在制定完計(jì)算分析項(xiàng)后，接著進(jìn)行CAE性能目標(biāo)的制定。性能目標(biāo)的制定在產(chǎn)品研發(fā)過(guò)程中是最為重要的一步，首先要確保性能目標(biāo)能達(dá)到產(chǎn)品的設(shè)計(jì)要求，即性能目標(biāo)在滿足標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的同時(shí)趕超競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的標(biāo)桿車水平。其次性能目標(biāo)還要充分考慮產(chǎn)品的成本，過(guò)高的性能目標(biāo)必然造成成本過(guò)高，不利于產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。所以性能目標(biāo)的制定的原則是確保超過(guò)競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手，并且成本最低。汽車行業(yè)CAE性能目標(biāo)的制定主要是參考標(biāo)桿車，對(duì)標(biāo)桿車數(shù)據(jù)進(jìn)行逆向、在逆向數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上對(duì)計(jì)算分析項(xiàng)進(jìn)行逐項(xiàng)仿真計(jì)算分析，充分評(píng)估標(biāo)桿車的CAE計(jì)算分析性能。接著根據(jù)仿真計(jì)算的結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求，逐項(xiàng)制定仿真計(jì)算分析項(xiàng)的性能目標(biāo)。

對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)CAE仿真項(xiàng)的性能目標(biāo)的制定，參照汽車行業(yè)的做法，進(jìn)行標(biāo)桿車的數(shù)據(jù)逆向和CAE仿真計(jì)算分析，通過(guò)計(jì)算分析結(jié)果和標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)的要求進(jìn)行性能目標(biāo)的制定。汽車行業(yè)特別重視這塊工作，但工程機(jī)械行業(yè)暫時(shí)尚未注意這塊工作的重要性。通過(guò)對(duì)標(biāo)仿真分析，可以把標(biāo)桿車的性能目標(biāo)進(jìn)行量化，方便進(jìn)行比較;還可以通過(guò)仿真分析，深入分析標(biāo)桿結(jié)構(gòu)的原理，掌握其設(shè)計(jì)方法和思路并吸收利用，提高自己的設(shè)計(jì)水平。同時(shí)，在研發(fā)的過(guò)程中，不斷完善CAE仿真計(jì)算分析項(xiàng)性能目標(biāo)庫(kù)，建立標(biāo)桿產(chǎn)品及公司不同系列產(chǎn)品的性能目標(biāo)庫(kù)，這樣可以為后期產(chǎn)品的開發(fā)的性能目標(biāo)的制定提供參考。

1.3 CAE仿真計(jì)算分析與優(yōu)化

在汽車行業(yè)，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的過(guò)程中，CAE全程參與產(chǎn)品的設(shè)計(jì)工作。在方案設(shè)計(jì)階段，通過(guò)對(duì)優(yōu)化工具和手段，對(duì)不同方案進(jìn)行優(yōu)化分析進(jìn)而給出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，分TG1和TG2兩個(gè)階段，逐項(xiàng)進(jìn)行CAE分析，并在分析過(guò)程中進(jìn)行計(jì)算所得性能目標(biāo)的管控，對(duì)于計(jì)算性能不滿足的分析項(xiàng)，需給出優(yōu)化改進(jìn)方案指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，待設(shè)計(jì)改進(jìn)完成后再進(jìn)行分析驗(yàn)證;對(duì)于性能目標(biāo)滿足的計(jì)算分析項(xiàng)，要通過(guò)優(yōu)化工具和參考對(duì)標(biāo)車型，進(jìn)行優(yōu)化減重和降本。通過(guò)TG1和TG2兩輪的計(jì)算分析，基本所有的計(jì)算分析項(xiàng)都滿足性能目標(biāo)的要求，但對(duì)于部分性能不滿足項(xiàng)，出于成本和重量的考慮可建議進(jìn)行讓步接收，這時(shí)得組織項(xiàng)目領(lǐng)導(dǎo)和項(xiàng)目專家進(jìn)行評(píng)審，對(duì)讓步后的風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行充分的評(píng)估，形成書面的會(huì)議紀(jì)要后可進(jìn)行讓步，但出于產(chǎn)品性能的考慮，建議盡量減少讓步。最終在設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)凍結(jié)前，針對(duì)凍結(jié)版數(shù)據(jù)在進(jìn)行新一輪CAE驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后，對(duì)分析報(bào)告進(jìn)行簽字確認(rèn)后即可進(jìn)行數(shù)據(jù)的凍結(jié)。

對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)，為了貫徹CAE驅(qū)動(dòng)研發(fā)設(shè)計(jì)，CAE應(yīng)從設(shè)計(jì)模型的驗(yàn)證走向前臺(tái)，在產(chǎn)品方案的階段介入，對(duì)現(xiàn)有方案進(jìn)行計(jì)算分析優(yōu)化。產(chǎn)品詳細(xì)設(shè)計(jì)過(guò)程中，根據(jù)產(chǎn)品具體設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的不同階段制定仿真分析的輪次。CAE仿真分析在這個(gè)過(guò)程中最核心的價(jià)值就是針對(duì)性能不滿足項(xiàng)給出優(yōu)化方案和進(jìn)行結(jié)構(gòu)的優(yōu)化減重分析，對(duì)性能不滿足項(xiàng)進(jìn)行優(yōu)化使結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)更加合理，對(duì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重是在結(jié)構(gòu)合理的同時(shí)成本和重量最低。通過(guò)優(yōu)化分析，計(jì)算項(xiàng)的性能目標(biāo)基本滿足要求，同時(shí)，對(duì)于部分建議讓步的性能分析項(xiàng)應(yīng)該和汽車行業(yè)一樣，進(jìn)行充分地評(píng)審后再進(jìn)行讓步。接著對(duì)凍結(jié)版的數(shù)據(jù)要進(jìn)行簽審再進(jìn)行發(fā)布，CAE的工作在這個(gè)階段不光要對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，還要對(duì)產(chǎn)品的質(zhì)量進(jìn)行把關(guān)，確保凍結(jié)發(fā)布版的數(shù)據(jù)質(zhì)量，以減少后期試制試驗(yàn)和市場(chǎng)上的質(zhì)量問(wèn)題。

1.4 仿真計(jì)算分析的驗(yàn)證與改進(jìn)

在汽車行業(yè)，后期的驗(yàn)證分產(chǎn)品試制和試驗(yàn)驗(yàn)證兩個(gè)階段，在產(chǎn)品試制階段，對(duì)現(xiàn)場(chǎng)相關(guān)的質(zhì)量問(wèn)題進(jìn)行的設(shè)計(jì)，CAE部門必須進(jìn)行嚴(yán)格把關(guān)，對(duì)改進(jìn)造成的性能影響的計(jì)算分析項(xiàng)進(jìn)行系統(tǒng)的計(jì)算分析驗(yàn)證，驗(yàn)證合格后才可以進(jìn)行相關(guān)的更改。

在產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證階段，試驗(yàn)樣車根據(jù)產(chǎn)品試驗(yàn)大綱的要求，進(jìn)行系統(tǒng)的試驗(yàn)測(cè)試，確保開發(fā)的新產(chǎn)品在量產(chǎn)前的可靠性。當(dāng)仿真和試驗(yàn)結(jié)果出現(xiàn)差異時(shí)，對(duì)仿真模型進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，提升仿真分析的正確性。同時(shí)在樣車試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題，應(yīng)系統(tǒng)對(duì)問(wèn)題進(jìn)行仿真分析，找出問(wèn)題原因并給出最優(yōu)的改進(jìn)方法，進(jìn)而快速實(shí)施改進(jìn)進(jìn)行試驗(yàn)驗(yàn)證，確保試驗(yàn)樣車的可靠性。

對(duì)于工程機(jī)械行業(yè)，在產(chǎn)品試制階段，CAE仿真主要肩負(fù)質(zhì)量把關(guān)的作用，對(duì)試制階段出現(xiàn)的問(wèn)題進(jìn)行的相關(guān)的改進(jìn)進(jìn)行充分地驗(yàn)證才可實(shí)施相關(guān)的改進(jìn)，并同時(shí)從CAE的角度給出改進(jìn)和優(yōu)化的意見，進(jìn)而提升產(chǎn)品的性能和可靠性。在產(chǎn)品試驗(yàn)階段，相比汽車行業(yè)來(lái)說(shuō)，工程機(jī)械的試驗(yàn)驗(yàn)證不是十分充分，但是為了提高后期量產(chǎn)后產(chǎn)品的質(zhì)量，此階段樣機(jī)的臺(tái)架試驗(yàn)和整機(jī)試驗(yàn)驗(yàn)證能力必須提高，系統(tǒng)的進(jìn)行零部件的臺(tái)架試驗(yàn)和整機(jī)的試驗(yàn)測(cè)試，特別是標(biāo)準(zhǔn)法規(guī)和結(jié)構(gòu)耐久強(qiáng)度等致命性能項(xiàng)，必須進(jìn)行幾個(gè)輪次、多樣機(jī)的驗(yàn)證，同時(shí)把測(cè)試試驗(yàn)結(jié)果和CAE仿真的計(jì)算分析結(jié)果進(jìn)行系統(tǒng)的對(duì)比分析，找出差異進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)提升，進(jìn)行提升CAE仿真計(jì)算分析的準(zhǔn)確性。同時(shí)在試驗(yàn)過(guò)程中出現(xiàn)的相關(guān)問(wèn)題和進(jìn)行的改進(jìn)，必須進(jìn)行CAE優(yōu)化分析和驗(yàn)證，計(jì)算分析性能合格后再進(jìn)行改進(jìn)后的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，以確保量產(chǎn)前的結(jié)構(gòu)可靠性。

2 結(jié)束語(yǔ)

以上給出了在產(chǎn)品研發(fā)的整個(gè)流程中，汽車行業(yè)CAE仿真流程在工程機(jī)械行業(yè)中的應(yīng)用。從策劃階段的計(jì)算分析項(xiàng)和性能目標(biāo)制定、到詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的計(jì)算分析優(yōu)化驗(yàn)證，產(chǎn)品試驗(yàn)驗(yàn)證階段的計(jì)算分析驗(yàn)證，真正實(shí)現(xiàn)了仿真驅(qū)動(dòng)工程機(jī)械的研發(fā)設(shè)計(jì)。借鑒汽車行業(yè)成熟行業(yè)的流程規(guī)范，并結(jié)合工程機(jī)械行業(yè)的特點(diǎn)推廣應(yīng)用，將會(huì)大大的促進(jìn)工程機(jī)械行業(yè)技術(shù)的發(fā)展。

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