CAE仿真技术在汽车研发中的五大应用，哪个方向更香？

为了提高效率，缩短研发周期，工程师在研发环节引入先进的CAE（Computer-Aided Engineering）仿真技术，来替代传统的反复使用物理样机验证方法，在汽车物理样机制造之前，就能有效地评估多个供选方案，进行许多假设分析研究，预测车辆在实际驾驶情况下的性能。

CAE分析在汽车中的应用

CAE技术主要包括以下三个方面的内容：

有限元法的主要对象零件级，包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容；

仿真技术的主要对象是分系统或系统，包括虚拟样机、流场计算和电磁场计算等内容；

优化设计的主要对象是结构设计参数。

CAE仿真技术应用

CAE仿真技术在汽车研发中的五大应用主要包括：结构刚度及强度分析、NVH分析、疲劳耐久分析、碰撞安全分析、空气动力学分析（CFD）。

1、结构刚度及强度分析

汽车结构刚度及强度分析是保证汽车安全性、可靠性的重要指标，因此汽车结构强度分析也是CAE技术在汽车工程中应用最广泛的方面。通过结构刚度和强度CAE分析，工程师可以识别和解决车辆结构中的问题，确保其在不同负载条件下具有足够的强度和性能，同时降低成本和提高安全性。

基于CAE的蓄电池承载分析

（1）汽车结构分析

一般都是应用有限元法(FEA)对汽车的结构进行数值计算，有助于工程师确定车辆的刚度及车辆结构在各种负载情况下的强度，包括刚性材料、接缝、焊接点等。由于汽车是一个非常复杂的结构，大多数的分析计算都是针对汽车的某些重要部件或总成（例如车架、悬架、传动系等），进行分析的内容主要包括静力分析、特征值分析以及瞬态动力分析。

（2）材料属性

CAE分析需要准确的材料性能数据，包括杨氏模量、屈服强度、断裂韧性等。这些数据用于确定车辆结构的刚度和强度。

（3）预测和优化

CAE可以用于预测车辆在特定负载情况下的应力分布，从而帮助工程师识别潜在的问题区域。

2、NVH分析

基于CAE的NVH（Noise, Vibration, and Harshness）分析是用于评估汽车内部噪音、振动和乘坐舒适性的工程实践，包括动力系统NVH、车身NVH、底盘NVH三大部分。可以帮助汽车制造商和工程师识别并解决与车辆噪音和振动相关的问题，从而提供更好的驾驶和乘坐体验。

汽车CAE仿真部件

以下是基于CAE的NVH分析的一些关键方面：

（1）模拟噪音源

引擎噪音：通过CAE模拟引擎内燃烧过程、排气系统、气流等因素，以评估引擎噪音的产生和传播。

路噪：分析路面不平整度、车轮和轮胎特性等，以模拟和量化路噪的传播路径。

（2）分析结构和振动

结构模态分析：通过有限元分析 (FEA) 确定车辆结构的模态，即车辆不同部分的振动模式。

悬挂系统和车辆动力学：模拟悬挂系统的运动、轮胎特性和悬挂参数，以评估悬挂系统对振动和噪音的影响。

传动系统分析：评估发动机、变速箱和传动系统的振动特性。

（3）乘坐舒适性分析

座椅和乘坐体验：CAE可以用于模拟座椅的弹性、减震系统和车辆内部布局，以提供更舒适的乘坐体验。

乘坐人员位置和姿势：考虑乘坐人员在车内的位置、姿势和头部空间，以评估乘坐舒适性。

（4）声学分析

噪音传播：通过声学模拟分析声音的传播路径，包括反射、吸收和散射，以了解声音如何在车内传播。

消声材料和设计：CAE可以用于评估不同消声材料和设计变化对噪音控制的效果。

（5）优化和改进

根据CAE分析的结果，工程师可以提出改进建议，例如更好的隔音、减震措施、材料选择或结构设计，以降低噪音和振动水平，提高乘坐舒适性。

3、疲劳耐久分析

疲劳耐久性能是指汽车在正常的使用条件下，各主要结构部件在功能失效前所经历的时间，评价指标为失效时的行驶里程数。CAE（Computer-Aided Engineering）的疲劳耐久分析是评估材料或零部件在连续循环负载下的寿命和性能的关键工程领域。

CAE疲劳分析

以下是进行基于CAE的疲劳耐久分析的主要步骤：

（1）负载谱定义

定义和收集与实际操作条件相对应的负载谱，包括振动、冲击、应力、应变、温度等方面的负载数据。负载谱可以来自道路试验、实际使用数据或标准规范。

（2）材料特性和S-N曲线

确定材料的弹性模量、屈服强度、疲劳极限等材料特性，以及应力寿命曲线（S-N曲线），这些数据对于预测零部件的疲劳寿命至关重要。

（3）有限元模型

创建三维有限元模型，包括所有几何细节，以模拟零部件在负载作用下的行为。

（4）载荷历史模拟

使用定义的负载谱模拟零部件在其寿命期内的实际工作条件，通常包括将负载历史施加在有限元模型上，以确定应力和应变历史。

（5）疲劳寿命预测

使用疲劳寿命预测方法，如Rainflow计数法、Miner法则、应力范围法等，来估计零部件的疲劳寿命。这些方法将应力历史与材料的S-N曲线相比较，以确定零部件在给定负载下的寿命。

（6）结果分析

分析模拟结果，包括应力、应变、疲劳寿命、损伤累积等。通过结果分析，工程师可以识别可能的疲劳问题区域，并决定是否需要采取措施来改进零部件设计。

（7）优化和改进

基于分析结果，工程师可以提出设计优化建议，如改变材料、减小应力集中、增加支撑结构等，以延长零部件的疲劳寿命。

（8）验证和测试

最终，分析结果可能需要与实际疲劳测试数据进行验证。这可以帮助验证CAE模型的准确性，并确保模拟结果与实际情况一致。

材料疲劳试验分析流程

4、碰撞安全分析

汽车安全性分为主动安全性和被动安全性。主动安全性是指汽车能够识别潜在的危险自动减速，或当突发的因素出现时，能够在驾驶员的操纵下避免发生交通事故的性能；被动安全性是指汽车发生不可避免的交通事故后，能够对车内乘员或行人进行保护，以免发生伤害或使伤害降低到最小程度。

使用CAE技术对汽车碰撞过程进行仿真模拟，主要包括正碰、侧碰、后碰、40％偏置碰和行人保护等方面。因碰撞属于大变形的非线性问题，实车模拟碰撞往往试验成本较高，仿真模拟可以大幅度降低试验成本。

汽车CAE碰撞分析

以下是基于CAE的碰撞安全分析的主要步骤：

（1）碰撞模拟建模

创建车辆的三维CAD模型，包括车身、车门、底盘、车轮、座椅、安全气囊等关键部件，用于模拟碰撞事件。

（2）材料特性定义

为各个零部件定义材料属性，包括弹性模量、屈服强度、断裂韧性等，以模拟零部件在碰撞中的行为。

（3）碰撞模型

使用有限元分析（FEA）创建有限元模型，以将车辆和其零部件分解成小元素，包括车辆前端结构、车身框架和乘员室等。

（4）碰撞仿真条件设定

确定碰撞仿真的条件，包括碰撞类型（前碰撞、侧碰撞、侧翻等）、碰撞速度、角度和其他参数，以模拟不同碰撞情况。

（5）仿真执行

在CAE软件中执行碰撞仿真，模拟车辆在碰撞事件中的变形和受力情况，包括评估各部件的位移、应力、应变和形状的变化。

（6）乘员保护分析

评估车辆的乘员保护系统，包括安全气囊、座椅结构、安全带等，以确保能在碰撞中提供有效的保护。

（7）步行者保护分析

确保车辆的前部设计对行人碰撞提供一定程度的保护，减少行人伤害风险。

（8）结果解释和优化

分析结果用于评估车辆在不同碰撞情况下的安全性能。工程师可以提出设计优化建议，如增强车身结构、改进乘员保护系统、减轻车辆前端结构等。

5、空气动力学分析（CFD）

汽车空气动力学主要是应用流体力学的知识，研究汽车行驶时，即与空气产生相对运动时，汽车周围的空气流动情况和空气对汽车的作用力（称为空气动力），以及汽车的各种外部形状对空气流动和空气动力的影响。此外，空气对汽车的作用还表现在汽车发动机的冷却、车厢里的通风换气、车身外表面的清洁、气流噪声、车身表面覆盖件的振动、甚至刮水器的性能等方面。

基于CAE（Computer-Aided Engineering）的空气动力学分析是用于评估车辆的空气流动和空气阻力特性的工程实践。这种分析有助于改善汽车的空气动力性能，提高燃油效率和降低排放。

基于CAE的汽车空气动力学分析

以下是基于CAE的空气动力学分析的主要步骤：

（1）几何建模

创建车辆的三维CAD模型，包括车身、车窗、车轮、后视镜等所有关键部件，用于模拟车辆的外部形状。

（2）网格生成

使用CAE工具生成计算流体动力学（CFD）分析所需的网格，用于离散化车辆的表面，以模拟空气流动。

（3）材料属性定义

为车辆表面和零部件定义材料属性，以确保正确地模拟表面的摩擦、粗糙度和反射特性。

（4）边界条件设置

在CAE软件中设置边界条件，包括车辆周围的环境条件，如空气温度、气压、湿度等。

（5）流场仿真

运行CFD分析，模拟车辆在不同速度和风向下的空气流动，包括计算空气速度、压力分布、湍流特性和流动分离等。

（6）阻力和升力分析

根据CFD结果，计算车辆的空气阻力和升力，有助于评估车辆的空气动力性能，并确定改进空气动力性能的潜在途径。

（7）优化和改进

根据分析结果，工程师可以提出设计优化建议，如改变车身形状、减小气动阻力、增加空气动力学装置等，以提高车辆的燃油效率和稳定性。

（8）验证和测试

分析结果可能需要与实际风洞测试数据进行验证，以确保模拟结果与实际情况一致。

本文仅从宏观的角度上来描述汽车开发中五大领域涉及的CAE分析内容，仅描述目前做得比较成熟的领域，也有一些前沿的CAE领域探索，比如多学科联合仿真、多场耦合、仿真流管理、仿真自动化等。