CAE概述与在整车性能分析的应用.pdf

CAE概述及在整车性能分析的应用 １、CAE技术概论 计算机辅助工程是在自然科学技术计算机技术不断发展的基础上建立起来的，它将具体 的自然科学与计算机技术相结合，将自然科学的理论知识和经验通过计算机语言描述出来， 来帮助人们去认识客观的物质世界。通过计算机的高速处理能力，使人们能够在很短的时间 内得到和处理大量的数据，减轻了人们的体力和脑力劳动，拓展了人们认识物质世界的能力， 可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。 CAE 是在汽车研发中提高产品质量和缩短开发周期极为重要的技术，它是实现汽车从 概念设计到产品验证强有力的工具。现阶段，工程分析贯穿车身结构设计的全过程。结构分 析方法包括数值模拟和实验分析：用有限元结构分析方法，可按照分析要求完成建模、进行 分析，尺寸可任意合理的调整、更改边界条件方便容易、任何时间可重复多次执行；而一般 试验法的设备操作复杂、成本高、边界条件控制麻烦。有限元法在结构强度和刚度分析方面 因具有较高的计算精度而得到普遍采用，有限元模型的正确与否可通过试验来校核修正，但 试验已变得越来越少。相对于路试和室内试验而言，利用 CAE 分析整车及零部件的各种性 能所需要的费用大幅减少。 CAE 的技术种类很多，主要分析方法包括有限元分析方法、多体系统动力学分析方法、 边界元分析方法、结构优化分析方法、耐久性疲劳分析方法和试验设计分析方法等， １. １有限元法概述 汽车的计算机仿真技术是计算机辅助分析技术的一种,它始终贯穿于汽车的设计阶段。 CAE 技术是汽车新产品开发的重要手段之一，它可以在新产品的设计阶段就能评估出它的 性能，并指导工程师进行产品的优化设计，保证产品开发成功。 CAE 的应用首先是从有限元分析开始的，二十世纪六、七十年代，有限元方法借助于 计算机技术得到飞速发展，形成了一套高度自动化的结构力学分析处理方法。有限元法是用 来分析各种结构问题的强有力的工具，分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，求解 方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机软硬件技 术的高速发展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已经成为工 程技术领域的常规工作。 有限元法的最大特点是能够适应各种复杂的边界形状和边界条件，这是因为它有丰富的 单元类型和节点几何形状描述形式来模拟结构。常用的单元类型有：一维的杆单元、梁单元、 弹簧单元；二维的平面剪力单元、三角形膜单元、四边形膜单元、薄板弯曲单元、薄壳单元、 轴对称环体单元、旋转壳单元；三维的块体单元等。有的单元可以有不同形状和节点数，等 参单元可以较好地描写曲线和曲面边界，可以方便地用多种单元模拟复杂的组合结构。另外， 通过对节点位移状态的描写，有限元法可以模拟各种边界支承条件和连接条件。 有限元法在工程分析中的作用已从分析、校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术 相结合。应用有限元法分析的目的，主要包括以下两方面： （1）分析结构损坏原因，寻找改进途径。当结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、 磨损过大等缺陷时，可应用有限单元法进行分析，研究结构损坏的原因，找出危险区域和部 件，提出改进设计的方案，并进行相应的计算分析，直至找到合理的结构。 （2 ）进行最优结构方案设计。在进行机械结构设计时，可以通过对可能的结构方案进 行有限单元法计算，根据对方案计算结果的分析和比较，按强度、刚度和稳定性要求，对原 方案修改补充，以便得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又较好，从而得到较好的结 构设计方案。 １. ２多体系统动力学概述 多体动力学研究方法包括多刚体系统研究方法和多柔体系统研究方法。多刚体系统动力 学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也是多种多样，这给建立动力 学方程带来了很大困难，并且，系统的动力学方程多为高阶非线性方程，因此，动力学方程 的建立和求解都必须由计算机去完成。多刚体系统动力学的研究方法与研究人员的思想有 关。目前，多刚体系统动力学的研究方法主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析 力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、图论方法、凯恩方法、变分方法、旋 量方法等。 二十世纪七十年代中期，有关柔性多体系统动力学的理论工作实际上也己经展开。到目 前为止，柔性系统动力学的研究虽然取得了一些成果，但是远没有达到多刚体系统动力学的 研究水平，其主要原因是在物体大范围运动与弹性变形耦合问题的认识上和处理方法上遇到 困难。多刚体动力学是