CAE技术及其在车辆行业的应用

  本文在简要介绍CAE及其分支虚拟样机技术的基础上,以世界几个著名公司的CAE应用情况阐明了CAE技术的重要作用。本文以作者所在单位的具体情况为出发点,阐述了应用CAE技术的迫切性和美好的应用前景,并结合作者的实践,提出了一些具体建议。

  一、CAE技术简介

  1.CAE技术

  随着科技的发展进步,产品在趋于多样化、智能化的同时,会不可避免地趋于复杂化。对于复杂的工程,人们都希望能在产品生产以前对设计方案进行精确的试验、分析和论证,这些工作需要借助计算机实现,就是计算机辅助工程,即CAE(Computer Aided Engineering)。CAE是包括产品设计、工程分析、数据管理、试验、仿真和制造的一个综合过程,关键是在三维实体建模的基础上,从产品的设计阶段开始,按实际条件进行仿真和结构分析,按性能要求进行设计和综合评价,以便从多个方案中选择最佳方案,或者直接进行设计优化。

  目前,为了更好地进行各工程阶段的工作,设计人员已越来越多地运用计算机辅助手段,于是产生了一系列的技术分支,如计算机辅助设计CAD(Computer Aided Design)、计算机辅助试验CAT(Computer Aided Test)、计算机辅助工艺过程设计CAPP(Computer Aided Process Planning)以及计算机辅助制造CAM(Computer Aided Manufacturing)等,有时将它们统称为CAX技术。

  2.CAE软件

  在工程中应用CAE技术,需要一个载体,而CAE技术的载体就是CAE软件。CAE软件是结合计算力学、计算数学、相关的工程科学、工程管理学和现代计算技术,而形成的综合性、知识密集型信息产品。

  CAE软件大体可以分为专用和通用两类。

  专用软件,即针对特定类型的对象所开发的用于性能分析、预测和优化的软件。从广义上说,设计人员手头的一些小计算程序都可以认为是专用CAE软件。

  通用软件,即可以对多种类型对象的物理、力学性能进行分析、模拟、预测、评价和优化,以实现产品技术创新的软件。通用CAE软件主要指大型通用商业化软件,如NASTRAN、ADAMS、ANSYS、MARC、ADINA以及ABAQUS等。

  3.CAE内涵

  CAE技术主要包括以下三个方面的内容:

  (1)有限元法的主要对象是零件级,包括结构刚度、强度分析、非线性和热场计算等内容;

  (2)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;

  (3)优化设计的主要对象是结构设计参数。

  从运用有限元法对已设计产品的性能进行简单校核,逐步发展到对产品性能的准确预测,再到对产品工作过程的精确模拟仿真,有限元法和仿真技术发挥了重要作用,赢得了人们的普遍信赖。然而,提高产品竞争力不但需要提高产品的性能、质量,也要降低产品的成本,缩短开发周期。最优化技术引入CAE方法,使人们从繁重的试凑工作中解脱出来,CAE技术也达到了一个新高度。

  在用CAE技术解决工程实际问题时,需要注意以下两点。

  (1)CAE工作是一项难度较大的工作。一项工作,不会因为有了三维实体模型和载荷就可以马上得出结果。实际上,有了三维实体模型以后,需要做大量的模型转换和修改工作才可能得到正确的分析模型,这项工作通常占到工作量的70%以上,情况复杂时可能需要更长的时间。

  (2)一般的CAE分析都基于结构材料无缺陷、不存在工艺问题这样一种假设。一个结构如果在使用中偶然出现问题,那可能是结构本身的原因,也可能是材料或工艺方面的原因,但如果问题重复出现,则一定是结构原因,必须进行CAE分析。如果材料和工艺方面存在问题,一般的CAE分析结论是不适用的,除非进行有关材料和工艺的专项CAE分析。

  4.CAE在产品研制中的作用

  在产品生命周期中,信息量(对产品性能的了解)和风险与研制阶段的关系。

  图中横坐标是研制阶段,纵坐标是信息量和风险,可以看出,掌握的信息量和存在的风险基本上呈轴对称形态,掌握的信息量越大,则风险越低。传统的技术在早期不能为用户提供更多的产品信息,高风险也就不可避免,而采用CAE技术可以提早得到产品信息,使两条曲线的上升和下降段同时向左移动(如箭图所示),就可以降低风险。风险的降低,不只可以降低研制成本,还缩短了开发周期,提高了产品质量,增强了产品竞争力,这样就能够在竞争日趋激烈的市场上比对手更早推出产品,增加市场占有率。

  在产品研制过程中,多种因素的制约,难免会产生各种问题。以前最常用的解决办法是,请专家或采用相应的分析工具找出原因,采取对应措施。通常情况下,虽然提出的修改建议或许只是针对某个零部件的,但对于车辆这样一个复杂的系统来说,往往是牵一发而动全身,在解决一个问题的同时,又可能带来其他问题。为避免一系列改动,设计人员有时只好做一些妥协,虽然能在一定程度上解决问题,但不能根本解决,也就增加了产品投产后的维护成本。

  如果在早期采用CAE技术,虽然加大了前期投入,但降低了后续的产品开发费用。投入总量和传统做法相比要少得多,而且在产品投产后,能将投入维持在很低的水平,从总体上来说,降低了产品开发的总费用,也使产品的上市时间得以提前。

  正是考虑到CAE技术的上述优点,在国家经贸委会同国务院有关部门于2002年6月制定的《国家产业技术政策》中,将CAE技术纳入第一重点产业技术发展方向“高新技术及产业化”的重要内容。

  二、虚拟样机

  1.虚拟样机技术

  机械工程中的虚拟样机技术又称机械系统动态仿真技术,是20世纪80年代随着计算机技术的发展而出现的一项CAE技术,它属于计算机辅助工程的一个重要分支。在虚拟样机技术中,工程师在计算机上建立样机模型,对模型进行各种动态性能分析,再改进样机设计方案,用数字化形式代替传统的实物样机实验。

  虚拟样机技术与有限元方法的主要区别在于,它是从系统的层面上分析系统,因此虚拟样机技术对设计方法和过程的影响比有限元技术的影响要大。运用虚拟样机技术,可以大大简化机械产品的设计开发过程,大幅度缩短产品开发周期,大量减少产品开发费用和成本,明显提高产品质量,提高产品的系统级性能,获得最优化的设计产品。

  目前,虚拟样机技术已经广泛地应用于各个领域,包括汽车制造业、工程机械、航天航空业、国防工业及通用机械制造业。在各个领域里,针对各种产品,虚拟样机技术都可以为用户节省开支、时间,并提供令人满意的设计方案。

  2.虚拟样机技术的特点

  在虚拟样机技术出现以前,传统的设计方式是由下到上,即从部件设计到整机设计。这种方式的弊端是设计师往往把注意力集中在细节上,从而忽略了整体性能。这种事情在我国经常发生,在对国外的引进样机的整机性能还没吃透的情况下,就开始照抄零件,结果很可能是重复人家走过的弯路,甚至会出现一些笑话。这样做的结果只能是产品永远比别人至少落后一代,水平永远上不去。而通过虚拟技术,就能以较低的代价摸索别人的设计思路,在仿制中改进、创新,提高自己的研发水平。

  在传统的设计过程中,通常都是先提出目标,然后进行子系统和部件设计,再经过生产加工组装成整车,而最后设计出的产品能否达到设计要求,只有通过对物理样机进行试验才能得出结论。如果试验时只发现一些小问题,那只需要做简单改动就能够解决,但如果发现重大问题或系统问题,可能就需要推翻原设计。由此可见,这种模式存在很大的盲目性,风险较大。

  借助于虚拟样机技术,在产品基本设计完成后,在进行产品加工以前就能够对整车性能有一个大致的了解,避免代价昂贵的系统设计失误。早期阶段的虚拟样机的仿真结果还可以做零件设计时参考,例如,动力学或静力学分析的结果可以用来指导零件的强度设计。与传统设计过程相比,增加了虚拟装配、虚拟试验等过程,产品只有在达到产品要求后,才能进入加工、装配和实物试验。

  虚拟样机的作用还可以通过传统设计与现代设计过程的对比来说明。在传统设计中,从产品设计到定型往往要经过“设计-加工-试验”多次循环,每次循环都涉及到物理样机的加工和试验,造成大量的时间、人力和物力消耗。而在现代设计中,在设计和加工之间增加了虚拟样机试验这一环节,不用再进行“设计-加工-试验”循环,在节约费用的同时,有利于及早发现设计缺陷,实现优化设计,缩短研究开发周期。

  3.虚拟样机应用效果

  众所周知,在产品开发的不同阶段,越晚发现问题,就需要花费越高的成本,同时也延长了开发周期,尽早发现问题很重要。

  在九十年代初期的开发过程中,通过加强各部门之间的沟通和协调,可在初样机前发现40%的问题,在正样机前发现75%的问题。在九十年代中期应用三维CAD进行试题设计后,在初样车、正样车前发现问题的比例分别达到了50%、90%(我们正处于这个阶段)。在九十年代末期应用虚拟样机后,在初样车、正样车前发现问题的比例分别达到了80%、95%。既然在正样机前95%的问题都已发现并得到解决,则正样机的重要性大为降低,因此节省了部分程序,在不影响产品质量的前提下将研发时间和成本缩短了30%~40%。

  另据资料,丰田佳美在采用虚拟样机技术后,研发时间减少了10个月,人力投入减少了20%,研发成本降低了30%,样车数量减少了65%。另一个成功例子是福特公司在采用CAE技术后,也将开发每款新车的实验次数从300次降到80次。

  三、CAE技术发展趋势

  CAE技术的发展趋势可以概括为,采用最先进的信息技术,吸纳最新的科学知识和方法,扩充CAE软件的功能以提高其性能。

  这主要包括以下三方面的内容。

  (1)功能、性能和软件技术方面:包括三维图形处理与虚拟现实、面向对象的工程数据库及其管理系统、多相多态介质耦合、多物理场耦合以及多尺度耦合分析以及适应于超级并行计算机和机群的高性能CAE求解技术。

  (2)多媒体用户界面与智能化:包括多媒体的用户界面、增强的建模和数据处理功能以及智能化用户界面。

  (3)CAX软件的无缝集成:多种专业领域的CAE 计算分析软件的集成化,实现对大型工程和复杂产品的全面计算分析和运行仿真,将成为CAE 软件集成化的另一个重要方向。

  四、CAE技术应用实例

  近几年,CAE技术在作者所在单位发挥了重要作用,解决或辅助解决了许多工程难题,并取得了令人瞩目的成绩。

  下面分别介绍一下去年以来的几个实际事例。

  设计发动机机油箱时,对原设计的结构进行分析,结果表明如果各安装位置间没有相对位移,那么结构应力远小于许用值,结构不会发生损坏。进一步分析表明,即使安装位置间有一毫米的相对位移,危险部位也将产生很大的应力而引起破坏,这就需要选择适当的安装固定方式,为改进设计提供了理论依据。

  为解决型号车多次出现的扭转共振问题,对传动系统作了多次扭振性能计算,最终找到了合适的联轴器参数,这些参数在新的设计方案中得到了应用,并通过了实车考核,至今未出现过同类问题。

  对两栖车等水上推进器进行了数十个方案比较,选出了最佳方案,省去了多次性能试验,仅以每次直接试验费用15万元计算,效益也是很可观的,这还不包括缩短生产时间所带来的好处。部分分析结果已经得到了相关实验的验证,两者误差不超过5%,充分说明了分析的有效性。

  对某型车总体动力学性能进行仿真计算,得到了底盘在通过垂直墙、跨壕沟、爬坡等过程中车辆的一些重要参数及重要零部件所承受的载荷,为深入了解整车性能和确定零部件载荷打下了基础,其中大部分参数是以往很难得到的,甚至在设计阶段是不可能得到的,这对指导设计有着重要意义。

  五、几点建议

  最后,笔者提出以下几点建议。

  (1)要给予CAE足够的重视。一项新的技术从提出到应用再到产生效益总有一个成长的过程,尤其是在起步阶段,还特别需要各个方面的重视和支持,只有这样,才能共同把这项工作做好。

  (2)CAE的价值有很大一部分隐含或体现在设计工作中,因此,单从CAE部门自身的效益很难看出工作的价值。另外,还要理顺关系,责权明确,避免出现“做好了是设计人员的功劳,做不好是分析人员的责任”的现象。

  (3)CAE行业正处于一个快速发展、成长时期,从业人员流动性较大,因此有必要从政策上对此予以引导和扶持,采取有效措施吸引、留住人才,保证工作的持续性。

  (4)现在的CAE技术已经基本成熟,CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决,CAE软件应该成为设计工程师实现工程创新、产品创新的得力助手和有效工具,一些比较简单的分析计算可以在CAD软件上直接完成。

  (5)及时发现问题、解决问题。能在设计早期进行CAE分析,及时发现可能存在的问题,是对设计工作的一个重要补充。


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