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汽车及零部件

概述

汽车工业是当前世界最重要的行业之一,也是竞争最为激烈的行业之一。在现代汽车设计流程中CAE分析起着非常大的作用,激烈竞争的汽车市场对汽车的 开发周期和质量性能提出了很高的要求,CAE的作用就在于它能驱动精益设计和快速汽车开发流程,可以大量的节省 开发成本,缩短开发周期。

CAE技术的应用,为汽车企业带来了巨大的回报。统计表明,应用CAE技术后,新车开发期的费用从占开发成本80%~90%下降到8%~12%。例如:美国福特汽车公司2000年应用CAE后,开发后期修改率减少50%,原型车和试验成本减少50%,投资收率提高 50%。丰田汽车开发新型花冠乘用车运用了CAE技术,将开发时间缩短到了18个月。马自达依靠CAE与试验来缩短产品试验和样车完成时间,其产品样车的完成由3.5个月缩短到1.5个月,试验周期从4.5个月缩短到2.5个月。如果说CAD是在帮助工程师创造更丰富、更优美、更实用的几何实体设计,那么CAE则在产品设计的质量、寿命、性能和成本等方面发挥着更加重要的作用。

CAE技术主要应用有限元方法、仿真技术、优化设计。CAE技术的应用几乎贯穿了汽车设计的全过程,在现代汽车产品设计中扮演的较色越来越重要。

CAE仿真技术在汽车工业的重要作用

1)CAE技术可以在新车型开发之前,模拟零部件乃至整车的性能和状况,避免传统的设计——试制——测试——改进设计——再试制的重复过程,减少人力、财力和物力的消耗而降低开发费用,使汽车产品的大多数问题都可以在设计阶段通过仿真得到解决,从而提高了设计质量和效率,大大缩短产品的开发周期和费用;

2)CAE技术改变了传统设计依靠经验进行定性分析、缺少定量数据的设计方法,利用CAE手段可以使产品减重、性能优化;同时,采用CAE计算能在短时间内进行更多方案的对比,获得较佳乃至最优化的设计从而提高开发质量;还能找到设计问题的真正原因,为设计工程师提供修改方向,减少修改误差,缩短开发周期;

3)CAE技术的应用使得以往设计中的一些经验知识可以量化形式保存,重复利用,同时灵活、方便、快捷的特点使CAE技术能为设计工程师提供大量的仿真试验数据和技术参数,增加企业的经验知识积累,提升汽车工业的设计能力;

4)CAE技术使设计工程师在产品设计阶段对汽车的结构和性能做出预先评估,因而大大降低了新车型的开发风险;同时,利用CAE技术可以大大减少试验的次数和成本,有些乃至可以代替试验。

汽车工业CAE典型问题

整车系统分析

1、CFD分析
  •  CFD分析建模 
  • 整车外流场CFD分析 
  • HVAC空调系统CFD分析 
  • 发动机舱热管理分析 
  • 空气动力学噪声分析
2、碰撞安全性能分析
  • 碰撞安全分析建模
  • 正碰分析
  • 偏置碰分析
  • 侧碰分析
  • 追尾碰撞分析
  • 行李位移乘员防护装置性能分析
  • 行人保护分析
  • 座椅和安全带安装固定点强度分析
  • 车内头部碰撞
  • 前、后保险杠碰撞分析
  • 侧门碰撞强度分析
  • 车顶压溃分析
  • 乘员约束系统匹配及优化(正、偏置、侧)侧)
3、车辆耐久性分析
  • 车辆耐久性分析建模
  • 车身强度刚度分析
  • 车门强度刚度分析
  • 内外饰件强度刚度分析
  • 其它闭合件强度刚度分析
  • 疲劳耐久性分析
  • 悬架强度刚度分析
4、车辆NVH性能分析
  • NVH有限元仿真建模部分
  • 车身及附件NVH分析
  • 零部件NVH分析
  • 整车低频NVH分析
5、车辆动力学性能分析
  • 悬架K&C分析
  • 整车底盘性能开发
  • 准静态和疲劳载荷提取计算

车辆零部件CAE分析

1、发动机系统CAE分析
  • 发动机一维性能分析
  • 发动机三维性能分析
  • 机构运动学、动力学仿真分析
  • 振动噪声分析
  • 结构强度刚度疲劳分析
2、进排气系统CAE分析
  • 排气歧管的裂纹分析
  • 气歧管强度分析
  • 消声器声固耦合分析
3、传动系CAE分析
  • 齿轮传动分析
  • 差速器接触状态分析
  • 传动系NVH分析
  • 万向节接触分析
4、行驶系CAE分析
  • 前后桥塑性变形分析
  • 车架多工况分析
  • 悬架系统安装过程分析
  • 钢板弹簧强度分析
  • 路面谱激励下的底盘强度分析
5、轮胎分析
  • 装配及充气分析
  • 轮胎印迹分戏
  • 轮胎稳态滚动分析
  • 充气轮胎的声固耦合分析
  • 轮胎振动特性分析
  • 轮胎生热分析
  • 稳态滚动中的轮胎磨损分析
  • 轮胎瞬态冲击模拟
  • 轮胎滑水分析
6、转向与制动系分析
  • 制动器静力学分析
  • 刹车盘啸声分析
  • 盘式制动器刹车过程分析
  • 刹车盘热固耦合分析
部分应用案例

白车身强度分析

ABAQUS可以处理从最简单的零件静力分析到可能遇到的最大规模的线性静力分析。通过线性静力学分析,可以对整车的零部件、装配件及车身进行全面、系统的静力学分析。

排气歧管的裂纹分析

国内某汽车制造商新开发的发动机在进行800小时循环负荷实验时,排气管产生了如图所示的裂纹。为了解裂纹产生原因,以ABAQUS计算排气歧管的温度场与热应力。由图可知,计算所得的应力集中位置与实验完全吻合,在此计算结果基础上进行相关的设计改进,成功消除排气歧管裂纹。

消音器声固耦合分析

进排气系统是汽车噪声的重要来源,采用ABAQUS完全活顺序声固耦合分析,可以得到其中的声压分布,为发动机的降噪设计提供依据

发动机缸盖温度场分析

发动机缸盖承受循环的热载荷,循环热载荷可能导致其失效。传统的有限元方法,将循环热载荷施加到结构上,对结构进行分析,计算效率非常低,计算时间几乎无法忍受。

ABAQUS在循环热载荷的处理方面具有独创的技巧。它利用直接求解循环热载荷的方法,将多次的循环热载荷一次性的进行求解,得到结构最终的稳态响应。大大提高了计算效率,使得对循环热载荷的计算能够真正用于之际的工作当中。

密封系统中的应用

发动机系统中有很多密封件来防止发动机工作中可能出现的“三漏”现象。垫片密封件具有复杂的力学性能和截面组成,用传统的建模方法和单元类型来模拟将会非常困难。ABAQUS采用专门的GASKET单元,通过压力-闭合曲线描述材料的力学性能,采用简单的建模方法,可以在发动机分析中方便的模拟垫片部件。

稳态滚动中的轮胎磨损分析

轮胎的耐久性与耐磨性是轮胎设计中的首要性能。ABAQUS采用网格自适应功能,模拟稳态滚动中的轮胎磨损,同时可以模拟胎面与湿滑路面的相互作用

轮胎瞬态冲击的模拟

轮胎与阶梯状路面的冲击作用,是轮胎发生泄漏的主要原因。ABAQUS分析中,可以在STANDARD分析得到的稳态滚动的结果基础上,进行相应的EXPLICITE瞬态分析结果,进而完整模拟轮胎由稳态滚动到瞬态冲击的全过程。

刹车盘啸声分析

制动器啸声是汽车噪声的重点考虑因素。传统的分析,不容易考虑制动钳预紧力的影响,需要分析者具有大量的使用经验,致使分析结果不理想。ABAQUS可以方便的引入预紧力的影响,并利用复模态分析方法,轻松求解系统的复特征值问题,为结构设计提供合理的设计参数。

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