基于CAE技术的汽车产品设计制造研究

周宏睿

摘 要：随着汽车产业的不断发展，CAE技术在汽车产品设计制造中的应用越来越广泛，CAE技术能够有效提升汽车产品设计的效率和创新能力，对缩短周期，降低设计成本，提高汽车产品的竞争力有着重要的作用。文章对基于CAE技术的汽车产品设计制造做了简要的研究，旨在推进CAE技术在汽车产业中的不断发展。

关键词：CAE技术；汽车产品；设计制造

前言

随着经济的发展和社会的进步，汽车已经成为人们日常生活中一项重要的工具，汽车行业的竞争也日趋激烈，如何不断创新汽车产品设计制造方式，生产出在安全性、舒适性、操作性等各个方面综合性能都比较优良的汽车至关重要，CAE技术是现代设计过程中的重要手段，对汽车产品的设计制造有着重要的作用。

1 CAE技术在汽车产品设计制造中的作用

CAE技术在其产品的设计制造中的作用巨大，在汽车产品的概念设计阶段，CAE技术就能够针对一些性能及可靠性的问题给予解答，这就给汽车产品的设计师提供了强有力支撑，CAE技术数据量丰富、成本低廉，并能够找到并揭示出本质问题，这就对提高汽车产品质量、加快研究速度、降低开发成本有着积极的影响。

1.1 提高设计功能，缩短制造周期

CAE技术能够实现在汽车产品的设计阶段就发现设计中潜在的一些问题，帮助设计师及时的通过修改设计方案来解决问题，优化设计，这就有效提高了汽车产品的设计功能，缩短了在设计阶段确定汽车结构参数等过程所需要的时间，从而缩短了整个汽车的制造周期。CAE技术主要是通过汽车安全性分析、动力学仿真分析、应力应变分析等一系列的分析方式来确定在设计中出现的潜在问题的，这些分析方式的科学性较强，准确性较高[1]。

1.2 减少开发次数，节约试验经费

CAE技术能够实现在设计的过程中在计算机上建立一个虚拟的样车模型，汽车产品的设计工程师能够在计算机上对样车模型进行各种性能的动态分析，这种分析方式代替了传统的实物样车实验，大大减少了开发的次数，同时计算机上的样车模型分析不需要耗费零部件制造样车，节约了制造经费。

这种虚拟样车的分析方式是一种系统层面的分析，在计算机上进行样车模型分析相较于传统实物样车分析能够大大简化汽车中一些机械设备的研发过程，虚拟样车分析能够利用CAE技术将繁琐的汽车性能动态分析简单化，使分析的结果精确化，这对提升汽车产品的性能有着重要的作用。

1.3 有利于制造出性能优越的汽车产品

就目前来看，许多汽车制造商在利用CAE技术进行汽车产品的设计制造过程中，过于重视CAE技术在单学科的仿真分析，众所周知，汽车产品的仿真分析是多学科综合性的分析，所以在这个过程中必须考虑到不同学科之间的耦合作用及互相影响，过于重视单学科仿真分析会造成整个仿真过程的失联，影响分析的一致性，导致分析结果出现误差。通过CAE技术可以建立一个统一的、综合的学科仿真分析平台，可以在一个汽车模型的分析中综合多学科进行仿真分析，实现多学科之间的耦合作用，这样的仿真分析才能够展现出模拟车辆的真实状态，才能提高汽车产品质量的可靠性。

2 CAE技术对汽车产品设计制造中的应用

2.1 基于CAE技术的汽车产品概念设计

概念设计是汽车产品设计制造中的重要环节，汽车产品详细机构尺寸的许多参数都是在概念设计中确定的，概念设计比较复杂，单单依靠设计者的经验是无法确定这些参数和数据的。

CAE技术的应用能够建立车辆产品的数字化仿真分析体系，这种详细的分析体系能够分析模拟仿真分析出车辆在不同路况下的运行状态，从而获取大量的实验数据，这就为汽车复杂的非线性动力学分析提供了荷载条件以及各种动力参数数据。概念设计的主要过程如下：（1）对汽车产品进行目标定位，确定车身、控制系统、发动机灯性能参数；（2）确定车辆总体布置和设计方案，确定各项参数的控制指标[2]；（3）根据CAE技术建立初始仿真模型；（4）对汽车产品仿真模型进行动态分析，确定汽车产品的各项参数指标和整体结构性能。

2.2 基于CAE技术的汽车产品详细设计制造

2.2.1 车身结构的设计制造。汽车车身机构的设计制造对车身的性能有着重要的影响，薄板冲压覆盖件、加强筋以及承载骨架共同组成了车辆的车身结构，在利用CAE技术进行设计制造的过程中，我们可以将车身的机构分成许多个小的单元，每一个单元都有着自己的作用，例如承载作用、传递作用等，只有每一个单元的设计得以保证，才能保证整个汽车的正常工作，这种车辆车身结构的分析方法被称为有限元分析，利用有限元分析能够针对车身结构复杂的特点将车身结构分成各个单元，有效解决了车身结构中复杂的力学问题。基于CAE技术的有限元分析法可以对车身结构进行模拟的动静态分析及固有特性分析。

2.2.2 NVH性能分析。汽车的噪音一直是人们关心的问题，NVH性能是衡量车辆质量的一个重要指标，这种分析能够使车辆产品与产品结构中的各个子系统的振动频率特性相普配，通过对不同振动频率和振型的子系统进行合理的分布有效的实现了汽车降噪，对提升车辆的舒适性有着积极的意义。NVH性能分析主要包括汽车各子系统的刚度频率匹配、点的传递函数、BIW动态稳定性等方面的分析。

2.2.3 汽车的碰撞安全性分析。基于CAE技术的车辆碰撞安全分析实现了汽车的正面、侧面以及翻滚状态下的安全性能的模拟分析，这种动态的模拟分析能够在汽车产品的设计阶段及时发现汽车产品的碰撞安全性能方面的问题和缺陷，并提出针对性的优化改进方案，避免安全性能存在问题的汽车产品投入市场。要想保证汽车产品的安全性，其碰撞性能的提升至关重要，在提升碰撞性能的前提下还要尽量使用质量较轻的材料，就目前来看，当今世界汽车设计制造中主流的车身材料为超高强度钢板及轻质的合金材料。

2.2.4 基于CAE技术的发动机的设计制造。发动机是汽车产品的重要组成部分，是汽车产品行使的动力来源，随着汽车行业的不断发展，汽车产品对发动机的要求越来越高，当前质量较好的发动机一般都具备效率高、体积小、低能耗、低排放等特点。组成发动机的零部件结构十分复杂，工作荷载的测定难度较大，在设计制造的过程中会出现各种各样难以解决的问题，基于CAE技术的有限元法能够有效解决这些问题，有限元法能够将发动机中的零部件进行实体建模，从而实现了对发动机的分析设计和制造。例如：曲轴、机体的结构强度分析、发动机进气道、燃烧室、排气管道的流畅分析以及动力响应分析等[3]。

2.2.5 基于CAE技术的变速器的设计制造。汽车产品的变速器也是其重要的机构组件之一，基于CAE技术汽车产品变速器的设计制造主要有以下几个方面：（1）基于CAE技术的变速器强度、刚度及振动要求等方面的设计制造，实现了变速器在一定的冲击荷载作用下的正常工作；（2）减小变速器中各部件的变形量，保证齿轮的精密程度；（3）通过变速器的合理设计，避免因震动影响变速器的正常工作。

3 结束语

综上所述，利用CAE技术进行汽车产品的设计制造是当前汽车制造业的主要发展趋势，其对汽车产品设计制造的作用十分巨大，其仿真技术的应用能够大大降低汽车产品的研发时间和研发成本，对提升汽车企业汽车产品的核心竞争力有着重要的作用，CAE技术有效推动了汽车制造业的发展，汽车产品设计制造中CAE技术的应用也带动了CAE技术的不断创新和完善。文章简要研究了基于CAE技术的汽车产品设计制造，旨在为推进CAE技术全面深入的应用到汽车产品设计制造中做出贡献。

参考文献

[1]班栾天.浅谈汽车CAE技术应用问题[J].才智，2011，9：59.

[2]柴山，焦学健，王树凤.CAE技术在汽车产品设计制造中的应用[J].农业装备与车辆工程，2005，9：33-36.

[3]郭迎春.汽车行业CAE技术应用与研究[J].重型汽车，1998，5：17-19.