汽车CAE仿真流程在工程机械中的应用

李凯 吴书男

摘  要：CAE仿真技术在汽车中应用十分成熟，技术的应用贯穿了汽车研发设计的全过程，对降低产品的开发成本和缩短产品研发周期具有重要的意义。工程机械行业相比汽车行业来说，CAE仿真技术尚未系统化的应用。文章借鉴汽车行业CAE仿真流程，结合工程机械行业的具体现状，给出工程机械行业CAE仿真流程的方法和思路，为工程机械的CAE仿真提供参考。

关键词：CAE仿真流程;工程机械;汽车

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

仿真技术在汽车中应用十分成熟，已形成整套流程和规范、技术的应用贯穿了汽车研发设计的全过程中，对降低产品的开发成本和缩短产品研发周期具有重要的意义，推动了汽车制造业的蓬勃发展[1-6]。工程机械虽然在设计过程中引入CAE仿真手段，但相比汽车行业来说，尚未系统化的应用。如何借鉴吸收汽车行业的先进经验，迅速提高工程机械的仿真水平，进而提升工程机械整体研发水平显得尤为重要。本文借鉴汽车行业CAE仿真流程，分析汽车行业CAE分析流程在工程机械仿真计算应用的具体思路，为工程机械CAE仿真方法提供一些参考。

在汽车行业，CAE仿真流程步骤大体可分为仿真分析项的制定、性能目标的确定、CAE仿真计算分析与优化以及验证与改进四个步骤，贯穿产品研发的整个流程。其具体的流程成熟而规范，工程机械在参照采用的时候，不能完全照搬，必须针对工程机械的研发现状进行改进，下面介绍仿真流程如何在工程机械的设计过程中进行应用。

1 CAE仿真流程

1.1 仿真分析项的制定

在汽车行业，在方案阶段制定分析项，计算分析内容包括法规项（碰撞安全等）、结构刚强度和疲劳耐久、NVH、多体动力学和CFD等。具体分析的项已形成规范，按照规范和具体产品要求执行即可，这样既可保障分析内容的全面性，又避免做无用分析。

同样，在工程机械行业，在项目方案阶段制定详细的CAE计算分析项。首先对工程机械相关法规标准要求、作业工况下结构的刚强度及疲劳耐久性能、工程机械作业工况下多体运动、整机作业下的NVH及CFD性能进行全面梳理，并结合当前公司的CAE计算分析能力，制定CAE计算分析项。若公司的CAE仿真计算能力暂时难全面覆盖所有计算分析内容，则要优先保证标准法规和结构疲劳耐久相关CAE项的计算分析，因为这些项是致命性能，直接關系到产品的使用性能和作业安全，并且在产品验证阶段进行设计变更的成本巨大。所以对这些分析项做为最优先保证的性能项。其余分析项比如NVH和多体运动等项，直接关系到产品的品质和竞争力，在产品的研发过程中进行仿真技术的积累，尽量开展相关项的仿真分析。

1.2 性能目标的制定

在汽车行业，在制定完计算分析项后，接着进行CAE性能目标的制定。性能目标的制定在产品研发过程中是最为重要的一步，首先要确保性能目标能达到产品的设计要求，即性能目标在满足标准法规的同时赶超竞争对手的标杆车水平。其次性能目标还要充分考虑产品的成本，过高的性能目标必然造成成本过高，不利于产品的竞争力。所以性能目标的制定的原则是确保超过竞争对手，并且成本最低。汽车行业CAE性能目标的制定主要是参考标杆车，对标杆车数据进行逆向、在逆向数据的基础上对计算分析项进行逐项仿真计算分析，充分评估标杆车的CAE计算分析性能。接着根据仿真计算的结果和标准法规的要求，逐项制定仿真计算分析项的性能目标。

对于工程机械行业CAE仿真项的性能目标的制定，参照汽车行业的做法，进行标杆车的数据逆向和CAE仿真计算分析，通过计算分析结果和标准法规的要求进行性能目标的制定。汽车行业特别重视这块工作，但工程机械行业暂时尚未注意这块工作的重要性。通过对标仿真分析，可以把标杆车的性能目标进行量化，方便进行比较;还可以通过仿真分析，深入分析标杆结构的原理，掌握其设计方法和思路并吸收利用，提高自己的设计水平。同时，在研发的过程中，不断完善CAE仿真计算分析项性能目标库，建立标杆产品及公司不同系列产品的性能目标库，这样可以为后期产品的开发的性能目标的制定提供参考。

1.3 CAE仿真计算分析与优化

在汽车行业，在产品设计的过程中，CAE全程参与产品的设计工作。在方案设计阶段，通过对优化工具和手段，对不同方案进行优化分析进而给出最优设计方案。在详细设计阶段，分TG1和TG2两个阶段，逐项进行CAE分析，并在分析过程中进行计算所得性能目標的管控，对于计算性能不满足的分析项，需给出优化改进方案指导产品设计，待设计改进完成后再进行分析验证;对于性能目标满足的计算分析项，要通过优化工具和参考对标车型，进行优化减重和降本。通过TG1和TG2两轮的计算分析，基本所有的计算分析项都满足性能目标的要求，但对于部分性能不满足项，出于成本和重量的考虑可建议进行让步接收，这时得组织项目领导和项目专家进行评审，对让步后的风险进行充分的评估，形成书面的会议纪要后可进行让步，但出于产品性能的考虑，建议尽量减少让步。最终在设计数据冻结前，针对冻结版数据在进行新一轮CAE验证，验证合格后，对分析报告进行签字确认后即可进行数据的冻结。

对于工程机械行业，为了贯彻CAE驱动研发设计，CAE应从设计模型的验证走向前台，在产品方案的阶段介入，对现有方案进行计算分析优化。产品详细设计过程中，根据产品具体设计数据的不同阶段制定仿真分析的轮次。CAE仿真分析在这个过程中最核心的价值就是针对性能不满足项给出优化方案和进行结构的优化减重分析，对性能不满足项进行优化使结构设计更加合理，对结构优化减重是在结构合理的同时成本和重量最低。通过优化分析，计算项的性能目标基本满足要求，同时，对于部分建议让步的性能分析项应该和汽车行业一样，进行充分地评审后再进行让步。接着对冻结版的数据要进行签审再进行发布，CAE的工作在这个阶段不光要对结构进行优化，还要对产品的质量进行把关，确保冻结发布版的数据质量，以减少后期试制试验和市场上的质量问题。

1.4 仿真计算分析的验证与改进

在汽车行业，后期的验证分产品试制和试验验证两个阶段，在产品试制阶段，对现场相关的质量问题进行的设计，CAE部门必须进行严格把关，对改进造成的性能影响的计算分析项进行系统的计算分析验证，验证合格后才可以进行相关的更改。

在产品试验验证阶段，试验样车根据产品试验大纲的要求，进行系统的试验测试，确保开发的新产品在量产前的可靠性。当仿真和试验结果出现差异时，对仿真模型进行优化改进，提升仿真分析的正确性。同时在样车试验过程中出现质量问题，应系统对问题进行仿真分析，找出问题原因并给出最优的改进方法，进而快速实施改进进行试验验证，确保试验样车的可靠性。

对于工程机械行业，在产品试制阶段，CAE仿真主要肩负质量把关的作用，对试制阶段出现的问题进行的相关的改进进行充分地验证才可实施相关的改进，并同时从CAE的角度给出改进和优化的意见，进而提升产品的性能和可靠性。在产品试验阶段，相比汽车行业来说，工程机械的试验验证不是十分充分，但是为了提高后期量产后产品的质量，此阶段样机的台架试验和整机试验验证能力必须提高，系统的进行零部件的台架试验和整机的试验测试，特别是标准法规和结构耐久强度等致命性能项，必须进行几个轮次、多样机的验证，同时把测试试验结果和CAE仿真的计算分析结果进行系统的对比分析，找出差异进行优化改进提升，进行提升CAE仿真计算分析的准确性。同时在试验过程中出现的相关问题和进行的改进，必须进行CAE优化分析和验证，计算分析性能合格后再进行改进后的实验验证，以确保量产前的结构可靠性。

2 结束语

以上给出了在产品研发的整个流程中，汽车行业CAE仿真流程在工程机械行业中的应用。从策划阶段的计算分析项和性能目标制定、到详细设计阶段的计算分析优化验证，产品试验验证阶段的计算分析验证，真正实现了仿真驱动工程机械的研发设计。借鉴汽车行业成熟行业的流程规范，并结合工程机械行业的特点推广应用，将会大大的促进工程机械行业技术的发展。

参考文献：

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