CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用及作用研究

摘要：現(xiàn)代社會(huì)快速發(fā)展，汽車設(shè)計(jì)及制造水平全面提升，尤其以CAE技術(shù)為代表的技術(shù)應(yīng)用，對(duì)提升在汽車設(shè)計(jì)水平有十分積極的意義。文章闡述了CAE技術(shù)的基本概念，分析了該技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用價(jià)值。從車架有限元模型構(gòu)建、汽車安全性能分析及定位誤差建模等角度，分析了汽車設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用要點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù);汽車設(shè)計(jì);作用

前言：

改革開放以來，我國社會(huì)經(jīng)濟(jì)全面發(fā)展，人們的生活水平越來越高，汽車消費(fèi)能力也逐步增強(qiáng)。新形勢(shì)下，消費(fèi)者對(duì)汽車的性能、安全、功能性及外觀美觀度等方面都有了更高的要求，汽車設(shè)計(jì)水平備受關(guān)注。在當(dāng)代汽車設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)的應(yīng)用價(jià)值越來越受認(rèn)可，值得相關(guān)從業(yè)者進(jìn)行深入探究。

一、CAE技術(shù)概述

CAE技術(shù)即計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù)，是一種建立在計(jì)算機(jī)軟件、數(shù)據(jù)庫基礎(chǔ)上，通過數(shù)據(jù)計(jì)算、信息分析、虛擬模型等方式，為相關(guān)設(shè)計(jì)工作提供支持的綜合性技術(shù)。在現(xiàn)代工業(yè)設(shè)計(jì)中，涉及到的設(shè)計(jì)要素較多，尤其是在精細(xì)化、精密化設(shè)計(jì)中，不僅要對(duì)各類要素進(jìn)行科學(xué)融合，還要考慮美觀度、實(shí)用性、安全性等方面的需求。顯然，傳統(tǒng)單純依靠人員進(jìn)行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量無法得到保障，甚至完全無法開展設(shè)計(jì)工作。從技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)來看，CAE與當(dāng)下各個(gè)領(lǐng)域設(shè)計(jì)工作中常用的CAD軟件有一定相關(guān)性，但其功能更為強(qiáng)大，且更為智能化，在以汽車、工程為代表的工業(yè)設(shè)計(jì)中有非常好的應(yīng)用前景[1]。

二、CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的作用及應(yīng)用價(jià)值分析

（一）兼顧多方面需求，提高設(shè)計(jì)效率

汽車是一種極其復(fù)雜的工業(yè)產(chǎn)品，一兩普通家用汽車由超過一萬個(gè)不同類型的零件、裝置構(gòu)成。從零部件的結(jié)構(gòu)形式，到各個(gè)功能板塊的協(xié)調(diào)運(yùn)行，再到基于用戶使用場(chǎng)景、維修場(chǎng)景的實(shí)用性需求，汽車設(shè)計(jì)需要考慮的內(nèi)容非常復(fù)雜。顯然，CAE技術(shù)的應(yīng)用，事實(shí)上為設(shè)計(jì)人員提供了一個(gè)基礎(chǔ)數(shù)據(jù)模型和技術(shù)模型，有利于快速進(jìn)行參數(shù)整合、設(shè)計(jì)評(píng)估。同時(shí)，汽車設(shè)計(jì)往往需要負(fù)責(zé)多個(gè)板塊的設(shè)計(jì)人員進(jìn)行合作，而CAE技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景下，可以通過計(jì)算機(jī)軟件平臺(tái)進(jìn)行多方協(xié)作設(shè)計(jì)，提高溝通效率及設(shè)計(jì)效率[2]。

（二）降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，提高設(shè)計(jì)質(zhì)量

汽車系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，對(duì)各個(gè)板塊的設(shè)計(jì)質(zhì)量要求極高，任何失誤都可能導(dǎo)致后續(xù)汽車制造乃至使用期間出現(xiàn)問題，造成嚴(yán)重后果。而在CAE技術(shù)應(yīng)用背景下，可以基于標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)體系，對(duì)設(shè)計(jì)過程進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，對(duì)出現(xiàn)的異常參數(shù)發(fā)出預(yù)警，提醒設(shè)計(jì)人員進(jìn)行處理。同時(shí)，在需要用到一些新的設(shè)計(jì)思路時(shí)，可以通過虛擬模型對(duì)設(shè)計(jì)思路可行性及合理性進(jìn)行評(píng)估。在設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)，可以輔助設(shè)計(jì)師進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，提高設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)的可控性，降低設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。

（三）降低研發(fā)成本，提高行業(yè)效益

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)事實(shí)上需要在相對(duì)清晰的技術(shù)基礎(chǔ)、市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)背景下，對(duì)各類資源進(jìn)行優(yōu)化配置，在滿足消費(fèi)者需求、安全標(biāo)準(zhǔn)、技術(shù)應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)的基礎(chǔ)上，降低研發(fā)成本和造價(jià)。CAE技術(shù)的應(yīng)用，可以便于設(shè)計(jì)人員綜合各類技術(shù)、材料及市場(chǎng)分析報(bào)告，對(duì)設(shè)計(jì)方案的直接研發(fā)成本、遠(yuǎn)期成本進(jìn)行分析，甚至可以配合市場(chǎng)部門進(jìn)行市場(chǎng)前景分析。顯然，這有助于提高汽車工業(yè)設(shè)計(jì)水平，降低汽車研發(fā)成本和造價(jià)，促進(jìn)行業(yè)效益的全面提升[3]。

三、CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用要點(diǎn)

（一）構(gòu)建車架有限元模型

現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，車架設(shè)計(jì)關(guān)系到汽車技術(shù)結(jié)構(gòu)、外觀效果、安全性能等環(huán)節(jié)，因此在車架設(shè)計(jì)中通過使用CAE技術(shù)，構(gòu)建有限元模型。例如，通過CATIA軟件，對(duì)汽車車架和主要構(gòu)件進(jìn)行模型建造，模擬車架梁體、主要承載構(gòu)件及零件結(jié)構(gòu)特征，結(jié)合各個(gè)構(gòu)件的質(zhì)量參數(shù)，模擬質(zhì)心位置[4]。然后，對(duì)車架、輪胎及路面邊界，使用剛性單元模擬輪胎，再通過彈簧單元模擬輪胎運(yùn)行狀況，讓車架結(jié)構(gòu)中各個(gè)組件形成有序整體。在安全設(shè)計(jì)方面，通過軟件模擬汽車受到垂直沖擊的工況，當(dāng)壓力作用于車架時(shí)，各個(gè)構(gòu)建的受力情況及變形情況，借此分析該種設(shè)計(jì)方案下車架的靜態(tài)安全因子值。比如，某小型汽車車架設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)中，通過模擬垂直沖擊工況，得出車架最小靜態(tài)安全因子為1.005，超過材料及車架結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)，說明其符合安全要求。然后，再將車架四個(gè)輪胎升高0.2m，此時(shí)車架本身承受比較大的彎曲及扭轉(zhuǎn)應(yīng)力，測(cè)出縱梁最小靜態(tài)安全因子參數(shù)為0.410，小于車架結(jié)構(gòu)及材料的安全系數(shù)，說明在該工況下車架安全性是不足的，需要進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化。

（二）汽車安全設(shè)計(jì)及性能分析

在汽車設(shè)計(jì)中，安全設(shè)計(jì)是十分關(guān)鍵的環(huán)節(jié)，從局部到整體設(shè)計(jì)，都需要考慮其安全性。汽車碰撞及防撞性能試驗(yàn)十分重要，傳統(tǒng)設(shè)計(jì)工作中，往往要按照設(shè)計(jì)方案制造實(shí)體樣品來進(jìn)行碰撞試驗(yàn)，效率低且會(huì)造成研發(fā)成本過高。而通過CAE技術(shù)的應(yīng)用，可以直接通過軟件模擬各種工況下汽車碰撞時(shí)各個(gè)位置的受力變形情況，并對(duì)安全防護(hù)系統(tǒng)的工作狀況進(jìn)行模擬分析。待持續(xù)優(yōu)化到一個(gè)理想方案之后，再進(jìn)行實(shí)物試驗(yàn)，通過該方式提高了安全設(shè)計(jì)效率和質(zhì)量，同時(shí)也減少了研發(fā)成本。

（三）汽車定位誤差建模

前文提到，汽車設(shè)計(jì)也涉及到大量精密設(shè)計(jì)內(nèi)容，各個(gè)部件的定位精準(zhǔn)性，會(huì)直接影響系統(tǒng)功能。在汽車基礎(chǔ)構(gòu)造及功能體系設(shè)計(jì)完畢之后，通過CAE軟件模型，對(duì)各個(gè)部件及零件的定位點(diǎn)進(jìn)行精確設(shè)計(jì)，降低組件定位誤差，確保汽車制造質(zhì)量達(dá)到設(shè)計(jì)要求。同時(shí)，通過全方位、精確性的模擬分析，避免鑄件缺陷，減少試模次數(shù)，縮短汽車研發(fā)周期。這對(duì)降低研發(fā)成本、提高汽車企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭力，也有積極的意義。

結(jié)束語：

綜上所述，如今社會(huì)經(jīng)濟(jì)快速發(fā)展的背景下，汽車工業(yè)也發(fā)展迅速，社會(huì)汽車保有量大幅度提升。為了滿足市場(chǎng)越來越高的汽車使用要求，以及多樣化的汽車應(yīng)用需求，汽車設(shè)計(jì)工作越來越復(fù)雜化。在汽車設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)的科學(xué)應(yīng)用，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)工作壓力有積極意義，同時(shí)也有助于縮短汽車產(chǎn)品研發(fā)周期，降低研發(fā)成本，促進(jìn)汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉同舟.基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)研究[J].黑龍江交通科技，2021，44（5）：121，123.

[2]趙戰(zhàn)鋒.基于氣輔注射成型工藝CAE優(yōu)化的汽車手柄模具設(shè)計(jì)[J].中國塑料，2020，34（3）：78-84.

[3]王國鋒.CAE技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].時(shí)代汽車，2020（10）：96-97.

[4]何建林，白志鵬.基于Moldflow的汽車前格柵的CAE優(yōu)化分析與模具設(shè)計(jì)[J].模具技術(shù)，2019（1）：27-31.

作者簡介：劉釗，1989年6月，男，籍貫山東，碩士學(xué)位，工程師，研究方向?yàn)镹VH和整車操控性能。