CAE分析

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轿车概念设计CAE关键技术应用研究报告
戴 轶
（上汽股份汽车工程研究院）
摘要：
本文以上汽自主品牌轿车开发为研究对象，在对选定的竞争车型详细分析的基础上，获得车身结构设计特点、主要断面形状以及材料选用信息，并在此基础上建立经过试验验证的车身结构CAE模型, 构建车身概念设计的CAE结构设计数据库，并通过梁单元来准确描述车身结构特性，反映车身连接部位的各项特征参数，为车身概念设计提供可靠的CAE分析。研究报告详细分析了CAE技术在车身结构概念设计上的应用及CAE关键技术开发遇到的问题与解决方案，文章最后总结归纳了CAE应用技术对上汽自主品牌轿车开发的贡献，并提出了CAE自主创新在汽车研发产业的应用前景及需求规划。

关键词：
车身概念设计，车身CAE数据库开发，梁单元模型，车身结构优化














一、        研究背景
轿车车身结构概念设计是以车身造型设计为基础进行的车身结构强度、碰撞安全、制造工艺等相结合的综合优化设计过程。车身结构概念设计质量的优劣关系到车身各种功能是否能正常发挥，它是完成整个车身开发设计的关键环节。车身结构设计必须兼顾造型设计的要求，同时应充分考虑诸如结构强度、碰撞安全以及制造工艺等多种设计性能要求。优良的车身结构设计可以充分保证汽车整车质量的控制，改善整车性能、降低制造成本的目的。车身结构设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题，常成为车身设计开发中的难点。
国外车身结构的开发经过多年的实践，积累了大量的数据和经验，其车身开发过程已经形成了依托CAE(计算机辅助工程)分析技术的开发流程，使得车身设计进一步系统化、规范化，所有这些使得他们的车型开发高效而实用。国内的车身开发，特别是车身概念设计工作起步较晚，虽然目前许多汽车制造厂也在积极从事这方面的研究工作，取得了一定成果，但与国外的车身结构设计相比还存在一定的差距，特别是在CAE仿真数据库开发及关键CAE技术积累的方面亟待加强。
（1）        车身结构概念设计的需求
汽车工业近年来经历了高速发展的阶段，中国汽车产量2005年首次突破300万辆，已成为世界第四大汽车生产国，预计到2010年，中国的汽车产量将突破1000万辆。高速增长的汽车工业在为我国经济发展做出了巨大贡献的同时也给我们带来了严重的安全问题，它和环境问题和能源问题共同构成了当今汽车工业研究的三大主题。
如今，人们对于汽车的理解已经不仅仅是一种交通工具，人们对它的各方面性能要求也越来越高，汽车碰撞事故和由此带来的生命、财产损失是现代社会中的一大社会问题。人们迫切地希望提高对汽车的安全性。因此，汽车制造商、科研机构和各种相应的政府机关和协会都在进行不断的努力以提高汽车的安全性能，从而保护乘员和车外人员的安全。我国政府已经制定了汽车强制性正碰标准体系《汽车正面碰撞乘员保护的设计规则》(CMVDR294) 法规。侧碰、后碰标准已上报国家主管部门，预计将于7月1日起正式实施。同时，中国汽车技术研究中心汽车试验研究所汽车碰撞安全专家正在着手制定中国ＣＮＣＡＰ（新车碰撞测试标准），首批新车碰撞试验最早有可能在明年3月展开。
对汽车碰撞的研究表明轿车车身结构在汽车安全性方面起着决定性作用，同时车身结构的改变将对车身的刚度、强度、车身自然频率等产生很大的影响。车身结构一般是在概念设计中确定的，这个阶段留下的缺陷往往很难在后续的设计中弥补，因而车身概念开发过程的关键技术及定义受到汽车设计业的广泛重视。
目前国内大部分车型均为与国外合资或合作生产，从严格意义上讲，我国还没有真正具备现代车身结构设计开发能力。我们一些汽车企业，在过去产品研发中，为了求快，缺乏进行车身结构概念设计工作，因而造成设计上的很大盲目性，由于设计先天不足，草草上马，致使产品投产后才发现许多结构设计上重大问题，付出了巨大的代价。
国外汽车大公司经过几十年的试验、经验积累，形成了实用的结构设计数据库。车身结构概念设计经验与规范的应用，加以日益应用广泛的CAE技术，可以有效地帮助和指导企业的设计师进行车身NVH、碰撞安全、以及轻量化设计。由于国内车身设计工作没有结构设计数据库和设计规范的支持，经常只能参照解剖进口车结构来进行设计改进。因此探索自主品牌轿车的车身结构概念设计的CAE方法，掌握车身结构设计的关键技术，积累和形成结构设计CAE数据库对上汽完成“十一五”规划中明确提出的自主品牌发展战略，“要打造能够在激烈的全球竞争格局中占有一席之地的高起点、高品质的国际化品牌”，具有重要意义。
（2）车身结构概念设计现状
目前车身结构设计通常有两种方法，一种是原有车型的基础上进行改进设计，其结构特点主要沿用原车型结构，严格来说，这种方法不算真正的结构设计。另一种为全新的结构设计，设计者通过对市场同等竞争车型的结构进行分析，根据设计者经验和相关结构设计数据库，建立车身结构简化模型。设计流程通过对车身结构布置形式和车身主要结构件的优化以确定车身主要结构件的特性参数，最后进行车身结构详细设计。其开发流程如图1所示。

图1 车身结构概念设计流程
在车身结构概念设计阶段，一方面由于没有详细几何模型，为了对设计方案进行评价、优化，需要建立简化模型，另一方面需要建立不同子结构参数库（包含车身结构件的尺寸刚度，材料特性，连接方式及其相关力学性能）以便设计工程师进行方案选择。由于简化模型以及车身子结构数据库的建立对车身结构概念设计起着重要作用，目前国外有关车身结构概念设计的研究主要集中在这些领域。对于简化模型建立来说，主要研究如何简化车身结构件使其能准确描述车身主要部件结构以及连接部位的实际性能。从文献检索来看，车身概念模型的建模方法可以分为集中参数模型、多刚体模型和梁单元模型：
        集中参数模型 （将车身结构简化为1D弹簧、阻尼和集中刚性质量块）
        多刚体系统模型 （将车身结构简化为不同质量多刚体系统，刚体之间通过塑性铰连接）
        梁单元模型，(将车身结构件简化为不同特性梁单元，单元之间利用非线性弹簧谅解）
对于车身结构设计数据库建立， 由于涉及企业的商业机密，报道较少。车身结构概念过程的优化设计方法研究，国内外均有一定的研究，主要集在优化方法的选择，优化算法包括：响应面法（RSM）、替代模型法、遗传算法等。国内一些汽车设计公司能真正做轿车车身结构设计的还不多，大部分设计还是借用原有的产品平台。这主要是因为国内整车企业自身没有建立相应数据库或信息不完整，有关的经验有效数据不足，因此建立自主品牌轿车CAE设计开发流程与开展其关键技术研究的任务已迫在眉睫。
二、研究内容及技术关键
轿车车身结构概念设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题，国内外都在这个领域开展了大量的研究。根据大量的研究文献和资料，工程院提出“基于梁单元”的车身概念设计方法，用于指导车身概念设计阶段，应用“基于梁单元的车身技术”对“原型车”和开发车系统进行研究，可以在概念设计阶段就精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性，从而在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证。工程院研究内容可分为基于梁单元的车身概念结构设计流程研究、基于梁单元车身简化模型研究，基于梁单元车身结构数据库与结构优化设计方法研究三个关键领域展开，旨为国内自主品牌轿车车身结构概念设计提供一套科学完整的CAE建模方法。
主要研究内容和关键技术有：
（1）        基于梁单元的车身概念结构设计流程研究
自主品牌轿车需要自主创新的全新概念化设计，因此设计者必须通过对市场同等竞争车型结构分析的基础上，根据设计者经验和相关结构设计数据库，建立车身概念结构设计流程，并能保证车身主要结构安全性能指标合格，为详细优化设计打好基础。工程院结合多年开发自主品牌的数据与经验基础上，借鉴国际上最新的概念设计思路，提出并完善“基于梁单元架构”的车身结构概念设计流程，其简要实施框架如下图2、图3和图4所示。

图2 轿车车身结构概念设计流程(I)

图3 轿车车身结构概念设计流程(II)

图4 轿车车身结构概念设计流程(III)
（2）        基于梁单元车身简化模型研究
如上所述，对于概念开发流程中梁单元车身简化模型质量的控制成为技术的难点，工程院技术开发的重点放在利用梁单元来准确描述车身结构特性，反映车身连接部位的各项特征参数。工程院利用CAE仿真技术对梁单元六自由度的耦合刚度及其特征参数进行了提取与优化计算，并建立一套梁单元架构的车身模型与试验进行相关性对比分析，来保证模型的有效性。初步的模型与部分验证方法如图5和图6所示。
      
图5 梁单元车身简化模型


图6 车身简化模型的试验
（3）        基于梁单元车身结构数据库与结构优化设计方法研究
在完成及验证梁单元车身简化模型以后，研究的主要成果在于应用此模型来为新车型做结构优化设计，并能创新开发出包含设计流程与关键CAE技术的经验数据库。研究的方法首先确立优化目标，然后概念设计的实体来替换相应部分的梁单元，因为梁单元模型的简洁性，设计者可以较容易考核核心优化目标的各项性能参数，如车身与底盘连接结构件的优化设计（如图7）。在此研究的各相关部件分析基础上，最后归纳建立一套基于梁单元概念的车身子CAE结构数据库及提出优化的方法与措施。

图7 基于梁单元的车身结构优化设计方法示意图
（4）        主要研究成果
通过CAE技术的应用，主要研究成果可以归纳为以下几方面：
（1）创建了自主品牌轿车车身概念设计的平台，主要完成以下三方面任务
        创建了一个基于梁单元车身概念设计的标准及流程；
        开发了一个基于梁单元架构的车身概念设计模型；
        创建了一个基于梁单元车身子结构的数据库及其优化设计方法；
（2）验证了车身概念设计模型
        保证所创建的梁单元模型碰撞仿真分析结果与实车碰撞结果误差在10％之内；
        保证了基于自主品牌轿车车身概念设计的产品实现产业化批量生产；
（3）发表相关论文及申请发明专利。
三、CAE自主创新的现状、问题与解决方案
基于梁单元的轿车车身结构概念化设计技术在国外汽车业的应用经历了入门、推广、普及等阶段，目前已经到了取得实质效益的阶段，具体表现在：
基于梁单元的轿车车身结构概念化设计技术已经应用并得到国际知名整车公司如通用，福特等的普遍认可。但是此技术需要实践过程中积累相关的设计优化分析及试验数据，国内由于参与概念设计较少，积累的分析方法的准确性和精确性还需提高。基于梁单元的轿车车身结构概念化设计分析可以和工程设计紧密结合，实现了分析与设计同步、实现CAD/CAE的一体化协同设计，它的流程与经验可以成为设计常规，国外很多研发部门都在产品设计流程中明确规定了车身结构概念化设计的环节，我们的工作必须以试验数据为标准，最大程度的控制分析与模型的误差，保证自主开发的CAE数据库能够满足开发需求。
轿车产品开发一般分四个阶段，即筹划阶段、概念设计和可行性研究阶段、产品设计和原型车确认阶段、定型生产阶段，这四个阶段一般需要18～32个月的时间。过去，CAE 技术的应用在产品开发的后两个阶段，随着梁单元构架模型的引入，CAE将在概念设计阶段发挥越来越重要的作用。整车参数主要是在概念设计中确定的，对产品的成功开发非常重要，如后期发现问题后再修改，后果将十分严重。如果仅依靠总设计师的经验和样车，那么确定的这些参数是不科学的，也是不可靠的，这就需要进行CAE 仿真，作定量分析，也就需要自主开发CAE车身结构数据库及相关的CAE软件。
汽车产品开发，特别是轿车产品开发，只要不是超前的“概念车”，一般都有一个“原型车”为基本车型。当然，既然是开发就不可能完全和“原型车”一模一样。许多参数可能或必须被改变。汽车是一个各参数密切相关的系统，参数的更改会产生什么后果（预期的和不希望出现的），就需要应用CAE仿真技术来清楚确切地回答这个问题。例如即使底盘结构等都不变，只是改变车身造型，那么整车系统的重心、惯性矩的改变将影响到系统的行驶性、操纵稳定性、振动和舒适性；车身结构的改变将对车身的刚度、强度、寿命、车身自然频率、ISO2631评价水平、轿厢的通风、隔热、噪声、车身的空气动力学特性、内部空气流和热交换、被动安全性（法规）水平等产生影响。应用梁单元车身技术对“原型车”和开发车系统进行仿真，可以在概念设计阶段就精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性，从而在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证。
当然也必须看到，基于梁单元的轿车车身结构概念化设计技术国内应用较少，缺少相关的经验数据库支持，还需要做大量的扭转及弯曲刚度和碰撞安全试验，才能最终调整与验证模型的精度。但是，如果没有第一次的车身CAE数据库的应用与开发，中国汽车概念设计的水平与经验就永远落伍于国际领先水平，因此本人认为CAE自主创新的工作在汽车研发产业有着迫切的需求及良好的应用前景，它对于提高自主品牌轿车设计能力，加速自主创新的步伐有着非同寻常的意义。

作者简介：
戴轶，男，1974年7月出生，高级工程师，美国University of Alabama 机械系研究生，2002年获博士学位，主要从事汽车结构动力学、汽车振动噪音以及汽车结构安全性模拟仿真优化设计的研究工作。2000年至2004年任美国Haldex集团北美研发中心高级工程师，对商用车动力总成及制动系统的NVH结构动力学优化设计有丰富经验，先后以第一作者发表国际一流期刊论文5篇，国际主要会议论文8篇，国内核心期刊2篇。2002年获得美国汽车工程学会杰出论文及学术报告奖，2003年获美国University of Alabama优秀教研奖。2004年初开始负责上汽股份汽车工程院CAE工程模拟分析中心的建设，通过两年多的努力，上汽工程院已基本形成能够为自主品牌轿车开发提供CAE分析能力的团队。

海盗唐

挺精辟的，果断转载了！我想学CAE！