汽車數(shù)字化仿真自動化應(yīng)用綜述

王煒杰 馮大龍 曹正林 張金

（1.中國第一汽車股份有限公司 研發(fā)總院，長春130013；2.汽車振動噪聲與安全控制綜合技術(shù)國家重點實驗室，長春130013）

主題詞：CAE 數(shù)字化 仿真工具 仿真流程 自動化 智能化

1 前言

CAE 技術(shù)經(jīng)過多年的積累和發(fā)展，在汽車、航空、船舶、軌道交通等行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用，提升了產(chǎn)品開發(fā)效率，節(jié)約試驗成本，是產(chǎn)品開發(fā)和分析中必不可少的工具。

在汽車開發(fā)過程中，需要對很多結(jié)構(gòu)、系統(tǒng)進行多輪次的CAE 仿真分析。傳統(tǒng)CAE 分析方法有很多局限。首先，傳統(tǒng)方法存在大量的重復(fù)工作，分析周期長，要求工程師有足夠的力學(xué)知識和分析經(jīng)驗。其次，每當(dāng)模型做出調(diào)整時，都需工程師重新進行所有的分析步驟，過程繁瑣且容易出錯。另外，分析流程因人而異，沒有統(tǒng)一的規(guī)范，通常不同分析人員得到的分析結(jié)果有所差異?，F(xiàn)今汽車市場競爭日趨激烈，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，是企業(yè)提升競爭力的重要方式之一。這種傳統(tǒng)CAE 分析方式已經(jīng)不能滿足企業(yè)產(chǎn)品開發(fā)需求，如何規(guī)范CAE分析流程，提高自動化程度，避免工程師重復(fù)勞動，提高CAE 分析效率是企業(yè)需要解決的重要問題。

對汽車研發(fā)中CAE 仿真工作進行數(shù)字化開發(fā)，可以大大提高CAE 仿真效率，降低研發(fā)成本，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。目前業(yè)內(nèi)對CAE 仿真數(shù)字化開發(fā)可以分為3個階段。

(1)CAE仿真工具自動化開發(fā)；

(2)CAE仿真流程自動化開發(fā)；

(3)CAE仿真智能化開發(fā)。

2 CAE仿真工具自動化開發(fā)

CAE 仿真工具自動化開發(fā)是CAE 仿真數(shù)字化開發(fā)的基礎(chǔ)，針對CAE 仿真分析流程中操作繁瑣、耗時耗力的某個或某幾個點，通過軟件開發(fā)或二次開發(fā)的方式，實現(xiàn)自動化執(zhí)行，代替人工操作。這種方法雖然自動化程度有限，但已經(jīng)能解決很多仿真工作的痛點，對提高CAE仿真效率，減輕CAE工程師負荷，對縮短研發(fā)周期具有重要意義。

東風(fēng)本田汽車有限公司基于Cruise 仿真軟件采用C＃與數(shù)據(jù)庫結(jié)合的編程方法，建立動力經(jīng)濟性仿真自動化平臺[1]，在整車概念設(shè)計階段快速、準確、有效地預(yù)測整車動力性和經(jīng)濟性。

廈門金龍旅行車有限公司利用Tcl/Tk 語言二次開發(fā)基于HyperMesh 前處理軟件的自動化工具[2]，能夠極大地提升客車CAE 前處理效率，減少工作中的人為錯誤。

湖北汽車工業(yè)學(xué)院應(yīng)用Tcl/Tk 程序設(shè)計技術(shù)，基于HyperWorks 軟件對客車側(cè)翻仿真前處理進行自動化設(shè)計[3]。主要開發(fā)了客車模型的自動網(wǎng)格劃分、自動裝配的功能。利用設(shè)計的功能模塊（如圖1），對某純電動客車進行了側(cè)翻仿真分析的前處理，并在Ls-Dyna軟件中完成了仿真分析求解，建模效率提升效果如圖2所示。

圖1 客車及輪胎部件有限元模型[3]

奇瑞汽車股份有限公司發(fā)明了一種用于CAE 仿真的整車自動化建模方法[4]。

比亞迪汽車工業(yè)有限公司基于Hypermesh軟件二次開發(fā)，編寫客車側(cè)翻分析的自動化程序[5]，達到快速建模效果，縮短了仿真分析周期。

圖2 前處理建模效率提升[3]

重慶理工大學(xué)以某項目中某一款座椅為例，運用TCL 語言，對汽車座椅安全帶固定點強度分析的前、后處理進行二次開發(fā)[6]。實際應(yīng)用表明:基于二次開發(fā)程序不僅提高了工作的效率和仿真的規(guī)范性，也減少了工作中由人為疏忽和遺漏產(chǎn)生的不當(dāng)操作。

廣州工業(yè)大學(xué)設(shè)計一種基于ADAMS 的虛擬試驗場自動化仿真系統(tǒng)[7]。通過分析虛擬試驗場的應(yīng)用難點，實現(xiàn)批量化、自動化和可視化的處理，多路況仿真效率顯著提升。

Benaouali 等開發(fā)了一種用于CAD/CAE 集成的自動化程序[8]，該程序用于飛機機翼結(jié)構(gòu)的參數(shù)設(shè)計和結(jié)構(gòu)分析。程序基于軟件二次開發(fā)以及模型數(shù)據(jù)交換，通過預(yù)先引入的參數(shù)來控制幾何和數(shù)值模型，可自動生成各種可能的設(shè)計案例。

Feng Qingqing 等開發(fā)了一種自動化方法[9]，用于為CAE 仿真生成簡化和理想化的幾何模型，該方法包括混合模型簡化標準、基于特征的模型簡化和基于仿真驅(qū)動的幾何修改。

中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院基于Hyperworks、Oasys 等軟件二次開發(fā)，建立了CAE 自動化仿真系統(tǒng)。圍繞整車安全、車身底盤耐久等性能開發(fā)仿真自動化工具，完成功能模塊113 個，建立6 大CAE 仿真自動化平臺，整體仿真效率提升41.9%，如表1 所示。以車身料厚靈敏度CAE 分析建模自動化為例，分析周期由原來的36 h 縮短至3 min，極大地縮短了分析時間。

表1 CAE自動化仿真系統(tǒng)各專業(yè)效率提升

3 CAE仿真流程自動化開發(fā)

CAE 仿真流程自動化開發(fā)是在CAE 仿真工具自動化開發(fā)的基礎(chǔ)上，以軟件開發(fā)或二次開發(fā)的方式打通CAE 仿真分析流程各個環(huán)節(jié)，做到前處理、求解到后處理、評價報告整個有限元分析流程的全自動化，目前在業(yè)內(nèi)已經(jīng)有越來越多的開發(fā)和應(yīng)用案例。

泛亞汽車技術(shù)中心有限公司采用B/S架構(gòu)設(shè)計開發(fā)了整車進排氣系統(tǒng)仿真自動化分析平臺[10]。該平臺基礎(chǔ)架構(gòu)如圖3 所示，可以通過網(wǎng)頁界面與服務(wù)器進行信息交互，實現(xiàn)虛擬仿真全過程的自動化，包括前后處理、數(shù)據(jù)存儲，報告生成和對比等。平臺全自動仿真和手動仿真的計算結(jié)果完全一致，且能節(jié)約55%的人力資源。

圖3 進排氣系統(tǒng)仿真自動化分析平臺基本框架[10]

北京汽車股份有限公司、吉林大學(xué)建立了汽車底盤件結(jié)構(gòu)耐久分析流程自動化系統(tǒng)[11]。解決了分析中存在的效率低、一致性差的問題，如表2、3，載荷分解效率提高了91%，有限元分析效率提高47%，大幅縮短工作周期，規(guī)范了分析流程，實現(xiàn)了分析結(jié)果的一致性。

表2 載荷分解自動化系統(tǒng)效果[12]

表3 有限元分析自動化系統(tǒng)效果[12]

華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院開發(fā)了一種副車架自動CAE 分析系統(tǒng)[12]。如圖4 所示，結(jié)合模型幾何特征的轉(zhuǎn)換、保存、提取、獲取，實現(xiàn)了從前處理、求解到后處理整個有限元分析流程的全自動化，極大地縮短了分析時間，降低分析難度和提高分析效率。

圖4 自動CAE分析系統(tǒng)框架[13]

中國第一汽車集團有限公司研發(fā)總院基于Adams 軟件二次開發(fā)，建立了乘用車準靜態(tài)載荷分解自動化系統(tǒng)，實現(xiàn)了從前處理、求解、后處理到分析報告生成整個分析流程的全自動化。目前正在進行CAE 仿真流程數(shù)字化開發(fā)，針對96 個分析項，除網(wǎng)格劃分外，實現(xiàn)從前處理、求解、后處理到分析報告生成整個有限元分析流程的全自動化，建立CAE 仿真流程自動化平臺。

華中科技大學(xué)基于HyperWorks二次開發(fā)，開發(fā)一種CAE 自動化分析系統(tǒng)[13]。解決了傳統(tǒng)CAE 分析存在較多重復(fù)工作和較強經(jīng)驗性的問題，該系統(tǒng)可以讀取CAD 模型和分析參數(shù)文件，自動建立有限元模型、調(diào)用求解器、提取結(jié)果，極大減少重復(fù)工作、縮短分析周期。

上海汽車集團股份有限公司技術(shù)中心開發(fā)了一種基于CATIA 的汽車底盤設(shè)計分析系統(tǒng)[14]（圖5），該系統(tǒng)主要模塊分為模型和數(shù)據(jù)處理、分析模型創(chuàng)建、計算、報告生成，通過將企業(yè)經(jīng)驗轉(zhuǎn)化為標準分析流程，提高了分析效率，提升了設(shè)計水平。

圖5 底盤設(shè)計分析系統(tǒng)的功能集成[14]

4 CAE仿真智能化開發(fā)

人工智能（AI）的浪潮正在席卷全球，機器學(xué)習(xí)（ML）作為實現(xiàn)人工智能的手段之一，是指通過數(shù)據(jù)訓(xùn)練出能完成一定功能的模型，也是目前最主流的人工智能實現(xiàn)方法。當(dāng)前，CAE 仿真面臨的巨大挑戰(zhàn)有準確性和實時性。人工智能領(lǐng)域的機器學(xué)習(xí)和CAE仿真結(jié)合，可以幫助CAE 仿真提高準確性，徹底解決實時性，從而真正讓CAE仿真智能化。

青島大學(xué)建立了用于城市客車車架輕量化設(shè)計的組合近似模型[15]，該近似模型由響應(yīng)面、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)等4 種近似模型加權(quán)疊加組成，實現(xiàn)了車架輕量化設(shè)計，提高了車架強度。

重慶大學(xué)建立了一種汽車碰撞代理模型[16]，以某皮卡車三維有限元實體模型為研究對象，采用BP 神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)機器學(xué)習(xí)算法，快速預(yù)測汽車對剛性墻碰撞的力-位移曲線。

南京理工大學(xué)、東風(fēng)汽車技術(shù)中心應(yīng)用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型和多目標遺傳算法對某型車防護組件進行優(yōu)化設(shè)計（圖6）[17]。

圖6 向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)近似模型的位移響應(yīng)面[17]

Liu Z 等提出了1 個基于過程建模、材料均質(zhì)化、機器學(xué)習(xí)和并行多尺度仿真的集成數(shù)據(jù)驅(qū)動建?？蚣躘18]。

Pushkar Wadagbalkar 等通過訓(xùn)練神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和決策樹回歸模型，開發(fā)并測試了一種有效的智能化工具[19]，用于實時預(yù)測彈丸對板的穿透力。

5 結(jié)論及啟示

（1）數(shù)字化仿真的開發(fā)和應(yīng)用是提高CAE 仿真效率、縮短產(chǎn)品開發(fā)周期的重要手段，已經(jīng)在車企研發(fā)過程中廣泛使用。其中，CAE 仿真工具自動化開發(fā)和CAE 仿真流程自動化開發(fā)是數(shù)字化仿真的基礎(chǔ)，也是CAE 仿真智能化開發(fā)的重要條件。CAE 仿真自動化，在大幅提高仿真效率的同時，也快速積累了仿真數(shù)據(jù)，支撐最終的智能化仿真。

（2）CAE 仿真智能化開發(fā)目前主要處于探索性研究階段，在產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用案例比較少見。以機器學(xué)習(xí)為代表的人工智能手段一般對數(shù)據(jù)量和數(shù)據(jù)質(zhì)量有一定要求，目前的CAE 仿真數(shù)據(jù)在這2 方面還有所欠缺。但隨著CAE 仿真自動化技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用，CAE 仿真數(shù)據(jù)越來越規(guī)范化標準化，數(shù)據(jù)量也迅速提升。

可以預(yù)見，隨著越來越多的CAE 仿真智能化方面的研究，CAE 仿真智能化技術(shù)將逐漸成熟，最終應(yīng)用于產(chǎn)品研發(fā)，引發(fā)CAE仿真行業(yè)重大變革。