13-斩断汽车研发羁绊.doc

第三届中国汽车车身开发与模具制造技术论文集斩断汽车研发羁绊协同技术在行动安世亚太EBU在汽车的设计、生产、制造过程中，基于CAD/CAE技术的虚拟样机代替物理样机实验已经得到了广泛的应用，在提高汽车的产品质量、降低研发费用、缩短汽车投放市场的时间等方面起到了非常显著的作用，可以全面提高汽车生产厂商的生产力和竞争力。汽车是科技含量极高的产品，许多技术问题的CAE分析可能涉及到各种各样的分析类型，涉及到完全不同功能的软件，如ANSYS、LS-Dyna 等，在汽车设计的各个环节起到了非常重要的作用，成为汽车行业不可缺少的技术手段。汽车产品开发过程中的CAE分析主要包括：一般性结构分析（刚度、强度等）；噪声、震动、平顺性分析及操纵稳定性分析；结构耐久性分析；整车碰撞分析；传热及热应力分析；流体动力学分析；钣金成型分析等。汽车开发中涉及到众多的CAE分析类型，同时就对分析的协同提出了要求。这里所说的协同，包括软件之间的协同，人与机器的协同以及人与人之间的协同；也包括将企业内各团队集合在一起以及协同外部（包括客户与上、下游之间的协调等）关系。1 企业级协同企业里拥有的软件产品和系统越来越多，同时带来很多问题。怎么整合这些软件系统，实现系统、部门、上下游厂商间的协同；怎样保持数据的唯一性和有效性；怎样以项目管理为中心进行研发工作；工作流和数据流怎样保存和管理；企业的智力资产如何保留；数字样机怎样重复利用；标准体系如何建立；多学科优化如何进行。因为这些问题，协同研发制造成为必然。一些企业目前开始涉及这块业务并积极寻求策略，以求解决企业的“燃眉之急”，例如，安世亚太正式提出的一个企业级协同研发平台架构PERA，还有MSC.Software的仿真数据管理（SDM）SimManager，UGS公司的产品生命周期管理解决方案（PLM）Teamcenter等。这里以安世亚太的PERA为例，介绍协同研发平台的内容。PERA根据企业的全新要求，在基于J2EE的基础上集成了三个子平台Workbench、Fiper以及任何一种PDM，整合了研发相关的所有工具，形成了一个基于网络的分布式企业级协同研发平台，其集成架构见图1。该平台将设计模型管理、研发技术管理、研发流程管理、多科学优化、多物理场仿真、仿真数据管理及智力资产管理融于一身，并充分利用企业分布式硬件资源和网络计算资源，支持企业任何场合的研发活动。图1 PERA的集成架构PERA 提供了一个高度柔性的软件基础结构，设计工具、仿真工具、优化工具和成本模型等工程工具都可以作为分布式服务的提供者或服务请求者运行在该基础之上，利用基于WEB技术在不同操作平台上交叉分布。这些工具如CATIA、UG、Pro-E、Solidworks等设计工具，各种MCAE软件（ANSYS Machanical、LS-DYNA、Nastran、ABAQUS等）、CFD软件（ANSYS CFX、Fluent等）、CEM软件（FEKO、EMAG等）及耦合场软件（ANSYS Multiphysics、AUTODYN等）等场分析工具，液压、控制仿真工具Easy5、CADENCE等，成本估算、重量估算工具，多学科优化工具 iSIGHT、DesignXplorer等。PERA迎合了现代企业研发活动的特点，围绕企业协同仿真环境实施和产品研发中的具体问题所提供的解决方案，配合企业的研发活动实施专业咨询与服务，加速企业的信息化建设与产品研制创新，帮助企业从研发羁绊中解脱出来。2 CAE分析协同在具体的整车开发项目中，工程师一般需要不同的CAE软件来完成不同类型问题的分析。这给工程师带来了很大的负担。众所周知，CAE分析中工作量最大的是前处理阶段，前处理阶段主要指网格划分工作。一辆整车，上千个零件，需要工程师在最短的时间内将网格划分完毕。一般来讲，网格划分时间占用了整个分析时间的80以上。在不同分析中工程师所采用的网格标准和文件格式不同，对同一个部件进行不同的分析时，往往需要工程师分别进行网格划分。这种工作占用了大量分析工程师的时间，工程师无法进行多种模式的改进分析，只能根据个人经验，选择可能是比较好的一两个方向进行改进分析。这大大限制了CAE软件的应用效率。由此引发的CAE分析协同，在不同方式、不同层次上解决了汽车CAE技术应用中的瓶颈问题。Multi-Physics，这个概念是ANSYS早就提出，并且一直坚持的。众所周知，ANSYS的分析功能横跨结构、流体、电磁，是目前在多物理场耦合方面走的最远的CAE方案提供商。ANSYS在收购了流体软件CFX之后，开发了ANSYS结构分析和CFX流体分析之间的流固耦合功能。这样，ANSYS不仅在求解器功能上能够使工程师分析不同类型问题时可以协同工作，还开始了软件协同的开发，在CAE软件协同方向走出了重要的一步。在通过并购、合作方式进行软件功能扩展之外，通过对原有软件进行功能扩展和兼容性开发，是另一种方式。这种方式的好处，是工程师不需要重复学习各种软件的界面，建模风格，也不需要重复建模划分网格，就可以对多种类型问题进行分析。整车厂商及其零部件供应商使用相同的软件系统，那么沟通交流、相互承认结果就很容易。 “One Model，One Code，Multi-Physics”，LSTC公司也提出了和ANSYS相似的软件开发计划。LS-DYNA 是世界上著名的通用显式非线性有限元分析程序，能够模拟真实世界的各种复杂问题，特别适合求解各种二维、三维非线性结构的碰撞、金属成型等非线性动力冲击问题，同时可以求解传热、流体及流固耦合问题，在工程应用领域被广泛认可，与实验的无数次对比证实了其计算的可靠性。在整车方面，LS-DYNA最主要的功能就是仿真分析整车碰撞、乘员安全性方面的问题。LS-DYNA有自己的keyword模型数据格式，还可以将ANSYS、NASTRAN、IDEAS等格式的模型文件直接引用，作为keyword模型文件的一部分。扩展了LS-DYNA的分析范围，大大减轻了工程师在有限元模型处理中所花费的时间和精力。第三条CAE协同之路，是通过CAE软件，将不同的软件数据格式协同调用，并且将常用有限元模型模块化。VPG就是其中一个典型软件。VPG（Virtual Proving Ground,汽车虚拟试验场）是ETA公司经过与各大汽车厂商(如FORD、GM、DAIMLERCHRYSLER、KIA等)近20年的合作,积累了丰富的汽车业CAE技术服务经验之后开发出的整车仿真软件，是专门针对整车分析而开发的CAE仿真环境，可以利用LS-DYNA进行整车的防撞性、安全性、NVH和耐久性分析。VPG提供的模型库、工具库及固化专家经验的自动技术可将整车仿真过程中使用人员及其工作量降到最低。图2 VPG软件界面VPG本身有CAD建模功能，同时也提供其他CAD数据的接口，可以导入IGES、LINE、VDA、DXF、ACIS、CATIA、UG、PRO/E、IDEAS、STEP等格式的CAD数据。同时，VPG提供多种CAD模型的导出功能，VPG支持以下格式的数据导出：IGES、LINE、ACIS、CATIA、UG、STEP。VPG有自己的VPG有限元模型文件格式，也可以导入LS-DYNA、NASTRAN、ABAQUS、PAMCRASH、MOLDFLOW、GENESIS、RADIOSS、ADAMS、ADAMS-Pre等格式的有限元模型数据。VPG支持以下软件的有限元模型数据格式的导出：LS-DYNA、NASTRAN、ABAQUS、PAMCRASH、MOLDFLOW、GENESIS、RADIOSS。除了上述的对不同软件数据格式兼容的特点，VPG的另外一个特点是有限元模型的模块化。VPG本身就已经内置有好几个模块，例如轮胎数据库、悬挂数据库、路面库、假人库、壁障库、其他工具库等。整车厂商也可以根据自己的需求，开发符合自己需求的轮胎、悬挂、路面、壁障等模型数据，存储在VPG相应模块中。零部件供应商一般要根据整车厂商的要求，对所提供部件进行分析，那么也可以将其模型数据一并保存，在整车分析时导入装配即可，这样就减少了整车分析工程师的建模工作。 图3 MACPHERSON A-ARM 悬架模型和HOTCHKISS 悬架模型图4 五连杆后悬架和VPG轮胎及其变形情况 图5 VPG假人与安全带模型 图6 ECE40%偏置撞用可变形固定障碍和ECE侧面碰撞用运动壁障小车3 结论当今的CAX行业，并购风潮迭起，从MSC收购MARC、ADAMS，Dassault收购ABAQUS，到ANSYS收购ICEM CFD，CFX，AUTODYN，AutoReaGas，ASAS，AQUA等。最近的一次，也是CAE领域最大的一次并购，是ANSYS并购FL