CAE在汽车设计制造中的应用设计

1、PAGE IVPAGE VCAE在汽车设计制造中的应用摘 要本文介绍了CAE的概念、发展及其研究内容，说明了在设计前期引入CAE技术对于减少设计错误、缩短设计周期、提高产品设计质量的重要意义，并从汽车结构强度分析、车身覆盖件成形过程的计算机仿真、汽车碰撞安全性分析、汽车结构优化设计几个方面讲述了CAE技术在汽车产品设计制造中的应用。关键词：CAE，汽车设计制造，汽车动力学，仿真CAE in Carr Deesiggn aand MannufaactuureABSTTRACCTThe connceppt oof CCAE andd deevellopmmentt annd rreseearcch

2、 oof CCAE is inttrodduceed iin tthiss thhesiis. Andd itt inntrooducced thee immporrtannce of usiing CAEE inn deesiggntoo reeducce errrorrs, shoorteen tthe dessignn cyyclee annd iimprrovee prroduuct dessignn quualiity. Fromm thhe sstruuctuurall sttrenngthh off caar, boddy ppaneels forrminng pproccess

3、s off coompuuterr siimullatiion, veehiccle crassh ssafeety anallysiis, auttomootivve sstruuctuurall opptimmizaatioon tto ootheer ddesiign asppectts, thiis tthessis alsso iintrroduucedd thhe uuse of CAEE teechnnoloogy in thee deesiggn aand mannufaactuure of auttomootivve pprodductts.KEY WORRDS：CAEE，A

4、uutommotiive dessignn annd mmanuufaccturre，VVehiiclee Dyynammicss，Siimullatiion目 录TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc201068841 摘要 PAGEREF _Toc201068841 h I HYPERLINK l _Toc201068842 ABSTTRACCT PAGEREF _Toc201068842 hIII HYPERLINK l _Toc201068843 1 概述述 PAGEREF _Toc201068843 h 1 HYPERLINK l _Toc201068844

5、 1.1 CAEE的历史史 PAGEREF _Toc201068844 h 1 HYPERLINK l _Toc201068845 1.2 CAEE的发展展 PAGEREF _Toc201068845 h 2 HYPERLINK l _Toc201068846 1.2.1 CCAE在在国外的的发展 PAGEREF _Toc201068846 h 22 HYPERLINK l _Toc201068847 1.2.2 CCAE在在国内的的发展 PAGEREF _Toc201068847 h 33 HYPERLINK l _Toc201068848 1.3 CAEE的发展展趋势 PAGEREF _T

6、oc201068848 h 55 HYPERLINK l _Toc201068849 1.3.1 扩扩大仿真真分析的的范围 PAGEREF _Toc201068849 h 55 HYPERLINK l _Toc201068850 1.3.2 智智能化、人性化化 PAGEREF _Toc201068850 h 5 HYPERLINK l _Toc201068851 1.3.3 网网络化 PAGEREF _Toc201068851 h 66 HYPERLINK l _Toc201068852 1.3.4 我我国CAAE技术术落后的的原因PAGEREF _Toc201068852 h 66 HYPE

7、RLINK l _Toc201068853 1.3.5 CCAE今今后发展展方向及及设想 PAGEREF _Toc201068853 h 66 HYPERLINK l _Toc201068854 2 CAAE的相相关理论论 PAGEREF _Toc201068854 h 8 HYPERLINK l _Toc201068855 2.1 CAEE的基本本概念 PAGEREF _Toc201068855 h 88 HYPERLINK l _Toc201068856 2.2 CAEE的基本本结构与与功能 PAGEREF _Toc201068856 h 88 HYPERLINK l _Toc201068

8、857 2.2.1 CCAE分分析的三三个步骤骤 PAGEREF _Toc201068857 h 8 HYPERLINK l _Toc201068858 2.2.2 CCAE软软件的结结构与功功能 PAGEREF _Toc201068858 h 9 HYPERLINK l _Toc201068859 2.3 CAEE的价值值 PAGEREF _Toc201068859 h 10 HYPERLINK l _Toc201068860 2.4 CAEE的应用用分类 PAGEREF _Toc201068860 h 112 HYPERLINK l _Toc201068861 2.4.1 整整车 PAGE

9、REF _Toc201068861 h 122 HYPERLINK l _Toc201068862 2.4.2 大大总成或或者大的的子系统统 PAGEREF _Toc201068862 h 12 HYPERLINK l _Toc201068863 2.4.3 零零部件和和小总成成 PAGEREF _Toc201068863 h 12 HYPERLINK l _Toc201068864 2.5 CAAE与CADDCAAM PAGEREF _Toc201068864 h 133 HYPERLINK l _Toc201068865 3 CCAE在在汽车设设计制造造中的应应用 PAGEREF _Toc

10、201068865 h 144 HYPERLINK l _Toc201068866 3.1汽汽车结构构强度分分析 PAGEREF _Toc201068866 h 144 HYPERLINK l _Toc201068867 3.2 车身覆覆盖件成成型过程程的计算算机仿真真 PAGEREF _Toc201068867 h 14 HYPERLINK l _Toc201068868 3.2.1 CCAE技技术在汽汽车翼子子板拉延延模具设设计中的的应用 PAGEREF _Toc201068868 h 114 HYPERLINK l _Toc201068869 3.2.2板板料成型型过程的的显式有有限元计

11、计算 PAGEREF _Toc201068869 h 155 HYPERLINK l _Toc201068870 3.2.3 初初始拉延延工艺设设计 PAGEREF _Toc201068870 h 177 HYPERLINK l _Toc201068871 3.2.4 计计算机仿仿真 PAGEREF _Toc201068871 h 188 HYPERLINK l _Toc201068872 3.2.5 工工艺改进进 PAGEREF _Toc201068872 h 19 HYPERLINK l _Toc201068873 3.3 汽车碰碰撞安全全性分析析 PAGEREF _Toc20106887

12、3 h 20 HYPERLINK l _Toc201068874 3.4汽汽车结构构优化 PAGEREF _Toc201068874 h 225 HYPERLINK l _Toc201068875 4 总结结 PAGEREF _Toc201068875 h 26 HYPERLINK l _Toc201068876 致谢 PAGEREF _Toc201068876 h 277 HYPERLINK l _Toc201068877 参考文献献 PAGEREF _Toc201068877 h 28PAGE 28PAGE 291 概述述1.1 CAEE的历史史CAE起起始于220世纪纪50年年代中期期，

13、而真真正的CCAE软软件诞生生于700年代初初期，直直到800年代中中期的十十多年间间，CAAE软件件是处在在独立成成长阶段段，主要要是扩充充和完善善基本功功能、算算法和软软件结构构。19979年年美国的的SAPP5线性性结构静静、动力力分析程程序向国国内引进进移植成成功，掀掀起了应应用通用用有限元元程序来来分析计计算工程程问题的的高潮。在国内内开发比比较成功功并拥有有较多用用户(1100家家以上)的有限限元分析析系统有有大连理理工大学学工程力力学系的的FIFFEX995、北北京大学学力学与与科学工工程系的的SAPP84、中国农农机科学学研究院院的MAAS5.0和杭杭州自动动化技术术研究院院的

14、MFFEP44.0等等。19985年年前后，在可用用性、可可靠性和和计算效效率上已已经基本本成熟的的、国际际上知名名的CAAE软件件有NAASTRRAN、ANSSYS、ASKKA、MMARCC、ADDINAA、ABBAQUUS、MMODUULEFF、DYYN-33D等。就软件件结构和和技术而而言，这这些CAAE软件件基本上上是用结结构化软软件设计计方法，采用FFORTTRANN语言开开发的结结构化软软件、其其数据管管理技术术尚存在在一定缺缺陷，它它们的运运行环境境仅限于于当时的的大型计计算机和和高档工工作站。近15年年是CAAE软件件的商品品化发展展阶段，CAEE开发商商为满足足市场需需求和适

15、适应计算算机硬、软件技技术的迅迅速发展展，在大大力推销销其软件件产品的的同时，对软件件的功能能、性能能，特别别是用户户界面和和前、后后处理能能力，进进行大幅幅度扩充充；对软软件的内内部结果果和部分分软件模模块，特特别是数数据管理理和图形形处理部部分，进进行了重重大的改改造。新新增的软软件部分分大都采采用了面面向对象象的软件件设计方方法和CC+语语言，个个别子系系统则是是完全使使用面向向对象软软件方法法开发的的软件产产品。这这就使得得目前市市场上知知名的CCAE软软件，在在功能、性能、可用性性和可靠靠性、以以及对运运行环境境的适应应性方面面，基本本上满足足了用户户的当前前需求，这些CCAE软软件

16、可以以在超级级并行机机，分不不是为集集群，大大、中、小、微微各类计计算机和和各种操操作系统统平台上上运行。近40年年来，CCAE技技术结合合迅速发发展中的的计算力力学、计计算数学学、相关关的工程程科学、工程管管理学与与现代计计算技术术，从低低效检验验到高效效仿真，从线性性静力求求解到非非线性、动力仿仿真分析析、多物物理场耦耦合，取取得了巨巨大的发发展与成成就。在日趋全全球化的的市场氛氛围中，企业间间的竞争争将表现现为产品品性能和和制造成成本的竞竞争。而而CAEE在产品品研发及及创新设设计中所所显示出出的无与与伦比的的优越性性，使其其成为现现代化工工业企业业在日趋趋激烈的的市场竞竞争中取取胜的重

17、重要条件件。利用用CAEE软件，可以对对工程和和产品进进行性能能与安全全可靠性性分析，并对其其未来的的工作状状态和运运行行为为进行虚虚拟运行行模拟，及早发发现设计计缺陷，实现优优化设计计；在实实现创新新的同时时，提高高设计质质量，降降低研究究开发成成本，软软缩短研研究开发发周期。它们与与CADD/CAAM/CCAPPP/DDM/EERP等等软件一一起，已已经成为为支持工工程行业业和制造造企业信信息化的的主要信信息技术术之一。借助CAAE技术术，一家家英国的的汽车业业咨询公公司TWWR短时时间内(15周周)完成成一个紧紧凑型家家庭轿车车全尺寸寸模型的的设计、验证和和制造。通过使使用非线线性仿真真

18、软件MMSC.Dyttrann和MSSC.MMarcc重现世世贸大楼楼倒塌全全过程，美国政政府的研研究人员员们找到到了为什什么世贸贸大楼在在仅仅一一个小时时之内就就坍塌了了的原因因。 计算机辅辅助工程程作为一一项跨学学科的数数值模拟拟分析技技术，越越来越受受到科技技界和工工程界的的重视。许多大大型的CCAE分分析软件件已相当当成熟并并已商品品化，计计算机模模拟分析析不仅在在科学研研究中普普遍采用用，而且且在工程程上也已已达到了了实用化化阶段。 事实证明明，在设设计过程程中的早早期引入入CAEE来指导导设计决决策，能能解释因因在下游游发现问问题时需需重新设设计而造造成的时时间和费费用的浪浪费，设

19、设计人员员能将主主要精力力投身如如何优化化设计，提高工工程和产产品品质质，从而而产生巨巨大的经经济效益益。 在现代设设计流程程中，CCAE是是创造价价值的中中心环节节。事实实上，CCAE技技术是企企业实现现创新设设计的最最主要的的保障。企业要要在激烈烈的市场场竞争中中立于不不败之地地，就必必须不断断保持产产品的创创新。衡量CAAE技术术水平的的重要标标志之一一是分析析软件的的开发和和应用。目前，ABAAQUSS、ANNSYSS、NAASTRRAN等等大型通通用有限限元分析析软件已已经引进进我国，在汽车车、航空空、机械械、材料料等许多多行业得得到了应应用。我我国的计计算机分分析软件件开发是是一个

20、薄薄弱环节节，严重重地制约约了CAAE技术术的发展展。仅以以有限元元计算分分析软件件为例，目前的的世界年年市场份份额达55亿美元元，并且且以每年年15%的速度度递增。相比之之下，我我国自己己的CAAE软件件工业还还非常弱弱小，仅仅占有很很少量的的市场份份额。1.2 CAEE的发展展1.2.1 CCAE在在国外的的发展当今国际际上FEEA方法法和软件件发展呈呈现出以以下一些些趋势特特征： （1）从从单纯的的结构力力学计算算发展到到求解许许多物理理场问题题：从板板、壳和和实体等等连续体体固体力力学分析析，发展展到流体体力学、温度场场、电传传导、磁磁场、渗渗流和声声场等问问题的求求解计算算，最近近又

21、发展展到求解解几个交交叉学科科的问题题(所谓谓“流固耦耦合”的问题题)；（2）由由求解线线性工程程问题进进展到分分析非线线性问题题；（3）增增强可视视化的前前置建模模和后置置数据处处理功能能；（4）与与CADD软件的的无缝集集成。都都开发了了和著名名的CAAD软件件(例如如Proo/ENNGINNEERR、Unnigrraphh iccs、SSoliidEddge、IDEEAS、Benntleey和AAutooCADD等)的的接口。同时CCAD综综合型CCAE工工具的分分析功能能正逐渐渐加强； （5）改改进CAAE方法法中的优优化技术术：引入入各种优优化技术术，优化化参数评评价。具具备智能能的

22、网格格划分器器，以解解决模型型在形状状参数变变化剧烈烈时出现现的网格格奇化问问题；非非线性收收敛的智智能控制制技术对对非线性性优化问问题是不不可或缺缺的。CAE软软件对工工程和产产品的分分析模拟拟能力，主要取取决于单单元库和和材料库库的丰富富和完善善程度，单元库库所包含含的单元元类型越越多，材材料所包包括的材材料特性性种类越越全，其其CAEE软件对对工程或或产品的的分析、仿真能能力就越越强。而而CAEE软件的的计算效效率和计计算结果果的精度度，则主主要决定定于解法法库，先先进高效效的求解解算法可可能对计计算效率率造成几几倍、几几十倍甚甚至几百百倍的提提高。近几年来来国际上上先进的的软件在在单元

23、库库、材料料库、前前后处理理，特别别是用户户界面和和数据管管理技术术等方面面都有了了巨大发发展，已已经可以以对工程程和产品品进行静静力和拟拟静力的的线性和和非线性性分析；线性与与非线性性动力分分析；稳稳态与瞬瞬态热分分析；静静态和交交变态的的电磁场场和电流流分析；流体计计算；声声场与波波的传播播计算等等。前后处理理是近十十多年发发展最快快的CAAE软件件成分，它们是是CAEE软件满满足用户户要求，使通用用软件专专业化、属地化化，并实实现与CCAD、CAMM、CAAPP、PDMM等软件件无缝集集成的关关键性软软件成份份。1.2.2CAAE在国国内的发发展CAE在在中国汽汽车行业业的应用用起步于于

24、20世世纪800年代中中期，历历经十几几年的缓缓慢发展展，到990年代代后期开开始加速速，目前前已经进进入飞速速发展期期。中外外合资的的汽车以以及零部部件生产产企业的的CAEE应用水水平普遍遍比较低低，因为为这些合合资企业业的产品品设计权权在国外外，他们们的CAAE应用用一般停停留在工工艺更改改后的验验证层次次，谈不不上汽车车关键部部件的CCAE应应用。随随着外国国汽车以以及零部部件公司司逐步在在中国建建立研发发中心，其CAAE的应应用水平平也会逐逐步提高高。国有汽车车企业的的CAEE应用开开始较早早，但是是发展缓缓慢，CCAE人人才流失失比较多多，有的的单位CCAE仿仿真技术术应用220几年

25、年来还停停留在基基本分析析阶段。民营或或者国内内股份企企业因为为没有现现成的产产品可以以生产，开始是是仿造，现在有有的企业业已经拥拥有自己己的设计计能力，且CAAE在关关键部件件的应用用水平还还较高。国内一些些自主品品牌自主主（半自自主）开开发的车车型，对对CAEE分析的的需求和和依赖性性较强，部件、子系统统、整车车运动与与安全都都在进行行CAEE分析。有的企企业借助助一些曾曾经在国国外大汽汽车公司司工作的的“海归”带回的的经验，并结合合本企业业CAEE应用的的经验，开始在在着手建建立自己己的CAAE应用用规范和和仿真流流程。总总体来讲讲，中国国的轿车车企业CCAE应应用水平平相对高高，卡车车

26、次之，客车企企业属于于起步阶阶段。如何解决决应用难难题：就汽车行行业来说说，国内内汽车厂厂家所用用到的CCAE软软件跟国国外汽车车厂家所所用的基基本一样样，那么么，国内内汽车厂厂家普遍遍应用水水平不高高的原因因在哪里里呢？首先是企企业领导导对CAAE的功功能还没没有能够够充分认认识。虽虽然现在在汽车企企业领导导层普遍遍认识到到CAEE的作用用，但是是对CAAE应用用的难度度没有充充分估计计。不少少企业认认为买回回来CAAE软件件就可以以发挥立立竿见影影的作用用，但事事实上如如果没有有经验丰丰富的CCAE人人员，很很难立刻刻见到成成效；再再就是CCAE人人员的培培养问题题，CAAE分析析专家既既

27、需要比比较深厚厚的理论论基础，也要具具有相应应行业的的工程应应用经验验，CAAE分析析人员的的培养周周期相对对较长；还有就就是汽车车企业通通常缺乏乏自己的的CAEE分析标标准或者者规范。要解决好好汽车行行业CAAE应用用的上述述问题，首先，汽车行行业相关关厂商的的领导层层要充分分认识CCAE的的作用和和难度，特别是是后者。软件可可以随时时购买，但是使使用 CCAE软软件的人人才是企企业从头头培养还还是从相相关行业业引进？如果是是自己培培养，那那就要有有长期见见效的心心理准备备，而且且要肯花花钱培训训CAEE人员。当然如如果企业业想尽快快见到成成效，可可以引进进经验丰丰富的CCAE人人才，采采取

28、引进进与自己己培养相相结合，这是一一个较好好的途径径。有了CAAE人员员，企业业还要努努力建立立自己的的CAEE分析标标准。目目前，我我国汽车车CAEE应用中中的最大大问题就就在于我我们的企企业没有有自己的的标准或或者标准准不完善善，从而而会导致致这样一一种现象象：就算算做了CCAE分分析，也也无法有有效地评评价分析析结果。所谓标准准就是具具体应用用有限元元软件进进行特定定设计产产品进行行分析时时，如何何简化CCAD模模型，如如何定义义载荷以以及边界界条件；工况如如何设置置；进行行什么类类型的分分析，如如：是结结构分析析还是热热、流场场分析，是否需需要做热热结构构耦合分分析等，结构分分析是静静

29、力还是是动力，有没有有非线性性问题等等；分析析完成如如何评价价结果，譬如：做轿车车白车身身模态分分析，第第一阶模模态频率率需要达达到多少少Hz才才算合格格呢？标准的解解决途径径有两个个：一是是，自己己通过试试验和仿仿真相互互校核，建立相相关产品品的评价价标准；二是，利用相相关行业业已有的的经验来来辅助建建立自己己的CAAE分析析标准。由此可可见，CCAE分分析标准准的建立立相当不不易，需需要做大大量的工工作，并并且要结结合试验验结果。然而，这个过过程是必必须要走走的。针对汽车车行业的的全面解解决方案案：UGS公公司作为为全球领领先的PPLM厂厂商，有有着400年的CCAE软软件开发发与技术术服

30、务历历史，能能够为汽汽车行业业提供全全面的解解决方案案，包括括CAEE软件模模块方案案和技术术服务方方案（培培训咨咨询）。NX NNASTTRANN（MCCAE工工业标准准）针对对汽车整整车、零零部件、子总成成的强度度刚度线线性和非非线性动动力、静静力分析析。其新新增加SSOL1101线线性接触触功能，大大提提高螺拴拴等连接接部件的的局部分分析精度度；全球球领先的的分布式式并行计计算能力力，能够够高速度度，高精精确性地地求解工工程问题题。NXX MOOTIOON模块块针对汽汽车运动动学、动动力学仿仿真，集集成于UUG NNX 环环境中。该模块块内嵌AADAMMS和RRecuurDyyn两个个世

31、界知知名多体体求解器器，使用用非常方方便，跟跟CADD软件一一体化。NX Floow和NNX TTherrmall针对车车身外流流场计算算和发动动机（包包括进、排气系系统）热热分析、汽车电电子电器器系统冷冷却分析析，具有有很高的的性能价价格比。NX Floow 提提供一个个整套的的CFDD能力用用于高精精度流体体仿真，并完全全集成在在NX环环境中，可以有有效地仿仿真稳态态和瞬态态流体流流动问题题。NX TTherrmall 提供供广泛的的热分析析和传热热分析仿仿真能力力，完全全集成在在NX环环境中，可提供供完整的的建模和和求解复复杂热问问题的架架构。该该产品可可以有效效地仿真真稳态和和瞬态热热

32、响应问问题，可可以处理理各种热热相关和和光热相相关材料料特性，强大的的热耦合合分析很很好处理理网格脱脱离的接接触传热热，且提提供高精精度的热热辐射，使用半半球技术术计算视视角因子子。NXX Fllow和和NX Theermaal可以以无缝耦耦合。车车身以及及底盘等等疲劳耐耐久性预预测，DDURAABILLITYY模块能能够进行行很好的的计算，而且还还可以集集成其它它知名疲疲劳分析析软件。UGSS CAAE 的的前后处处理器采采用先进进的虚拟拟拓扑网网格生成成技术，使得划划分出来来的网格格能够1100%满足NNASTTRANN求解的的要求，一键式式的自动动批处理理网格生生成技术术，把CCAE分分

33、析人员员从繁重重网格划划分中解解放出来来，且支支持多种种CAEE求解器器。1.3 CAEE的发展展趋势1.3.1 扩扩大仿真真分析的的范围未来的产产品设计计将由产产品功能能主导产产品外形形、材料料和加工工工艺过过程，所所需的分分析模拟拟范围将将远远超超出今天天的范围围。设计计人员必必须考虑虑应力和和振动、运动学学、流体体力学、装配建建模、可可靠性分分析、人人的因素素和加工工工艺及及成本等等等。工工程师必必须能够够真实地地模拟产产品的所所有性能能，结合合贯穿产产品生命命周期的的各种因因素，获获得对各各种设计计的模拟拟结果。CAEE软件也也将由单单一零件件的虚拟拟样机朝朝着整机机虚拟样样机的方方向

34、发展展。多物理场场耦合分分析模拟拟任何何一个复复杂的工工程和产产品大都都是处在在多物理理场耦合合，甚至至是多相相多态介介质耦合合状态下下工作，其运行行行为绝绝非是多多个单一一物理场场问题，部分可可能属于于强非线线性耦合合。对于于这些问问题，目目前尚没没有成熟熟可靠的的理论，还处于于基础性性前沿研研究阶段段，但由由于其强强烈的工工业背景景，它们们已经成成为国内内外科学学家研究究的主要要目标。高度集成成化包括两两方面的的含义。狭义上上的信息息集成，即实现现CAEE与CAAD、CCAM、CAPPP、EERP等等各单元元信息的的集成，减少之之间的数数据传输输与转换换。这主主要依靠靠相同平平台的软软件、

35、开开发一定定的数据据转换接接口程序序、基于于数据库库的信息息处理等等方式实实现。广广义上的的“多集成成”，即信信息集成成、智能能集成、串并行行工作机机制集成成及人员员集成。未来的的趋势应应该是实实现技术术、人和和管理的的集成。在技术创创新上，近年来来变量化化技术突突飞猛进进，取得得了一系系列理论论成果，如变量量化造型型、变量量化分析析、变量量化装配配、变量量化模架架库等，并已在在CADD领域取取得了成成功应用用。将来来，必然然会扩展展到分析析领域。届时，实时的的、随意意的多方方案分析析过程将将使CAAE更加加轻松自自如。1.3.2 智智能化、人性化化CAE作作为设计计分析人人员进行行产品研研发

36、的工工具，必必然务求求易学好好用，得得心应手手，而未未来的大大型通用用CADD/CAAE/CCAM软软件是一一个多学学科交叉叉的，综综合性知知识密集集型产品品，如何何使用户户更方便便地使用用软件，同时结结合多学学科多领领域的知知识经验验来促进进设计分分析过程程是一个个不容回回避的问问题。因因此，开开发更有有效的支支持用户户使用这这些软件件的专家家系统显显得十分分必要。智能化化将是发发展的一一个必然然趋势。同时，软软件的工工作环境境应该尽尽可能解解放使用用者的头头脑，开开拓使用用者的思思路，让让使用者者集中精精力于设设计创作作，这使使得软件件趋向于于人性化化，除了了具备智智能化的的自动运运算、推

37、推理判断断、协助助思考等等功能外外，还要要以符合合人们思思维习惯惯的方式式去判断断、思考考、表达达与操作作，以更更强的用用户界面面提供更更强的直直观、直直感、直直觉性，更智能能化地适适应用户户的要求求。1.3.3 网网络化随着互联联网的普普及，宽宽带通信信技术的的突破，网络正正改变着着人们获获取信息息、共享享数据和和商品交交易的方方式，也也改变着着工程设设计人员员完成模模拟仿真真分析的的传统方方式。软软件供应应商们已已经认识识到，是是否提供供电子网网络销售售将决定定他们今今后的竞竞争力。所以软软件用户户将从现现在的购购买和安安装软件件逐步过过渡到直直接租用用放在网网上服务务器的软软件。如如MS

38、CC.Sooftwwaree公司已已实现网网上购买买仿真分分析软件件，还与与网络服服务商和和硬件商商合作，通过服服务器端端大量的的MSCC.SOOFTWWREEE软件与与客户端端的用户户环境，提供有有偿的软软件周租租或月租租服务。同时，基基于网络络的远程程计算与与分析设设计将得得到进一一步发展展，异地地协同设设计、分分析、制制造将成成为现实实。企业业的创新新需求为为CAEE技术的的发展提提供了强强大的动动力，可可以预见见，随着着科学技技术的迅迅速发展展和全球球信息化化，CAAE必将将取得更更为巨大大的成就就，并继继续对国国民经济济的发展展做出重重要贡献献。1.3.4 我我国CAAE技术术落后的

39、的原因我国开展展CADD/CAAM技术术应用工工作并不不算晚，通过引引进，不不少企业业的软、硬件条条件与国国外相比比也相差差不大。但是，为什么么国内的的汽车CCAD/CAMM 技术术应用与与国外先先进水平平相比存存在较大大的差距距呢?我我认为有有以下几几个原因因:（1）原原有计划划经济的的原因。在旧的的经营模模式下，企业领领导干好好干坏一一个样，而采用用 CAAD/ CAMM 技术术投资大大，有较较大风险险，效益益回报有有一定的的滞后期期，导致致企业领领导不够够重视，怕影响响正常的的生产。（2）管管理上的的缺陷。由于条条块分割割，重复复引进，企业相相互之间间缺乏必必要的交交流和协协作, 影响了

40、了CADD/ CCAM技技术效益益的发挥挥。（3）人人才培养养的不足足。像福福特、通通用等汽汽车公司司之所以以CADD/ CCAM技技术应用用得好, 是因因为几十十年来一一直大力力开展CCAD/ CAAM应用用而积淀淀下来的的宝贵经经验和培培养出了了一支高高水平的的技术队队伍。有有钱可以以买到先先进的软软、硬件件，但一一支高水水平的技技术队伍伍需要若若干年的的培养。现在国国内既懂懂计算机机软、硬硬件，又又有丰富富专业知知识的人人才奇缺缺，而这这恰是企企业最为为宝贵的的财富。.1.3.5 CCAE今今后发展展方向及及设想目前，我我国汽车车行业中中的大企企业基本本上具备备了一定定的CAAE应用用能

41、力，但至今今这种能能力在汽汽车产品品设计中中仍未得得到充分分发挥，大多数数产品的的设计仍仍局限在在经验上上，这主主要与CCAE的的规划、培训以以及设计计人员对对CAEE的重视视程度、CAEE分析周周期长等等因素有有关。针针对这些些问题，结合汽汽车产品品的设计计水平，应该采采取以下下措施来来加速CCAE的的发展和和促进其其应用，使之尽尽快转变变为生产产力。（1）切切实重视视CAEE的发展展，并使使之与产产品设计计结合起起来，最最后达到到在产品品设计中中能使用用CAEE技术的的目的。（2）制制定长期期的CAAE发展展规划，包括阶阶段研究究方向、人员培培训提高高、计算算机软、硬件的的更新等等。目前前

42、，应集集中力量量研究CCAE能能够解决决的设计计问题，加强CCAE模模型与测测试结果果的对比比研究，大幅度度减少CCAE模模型的制制作时间间。为此此，可以以考虑具具体汽车车结构的的FEMM分析系系统，如如车身结结构分析析系统，该系统统包括基基本的模模型数据据库、设设计评价价指标、CAEE分析的的基本步步骤（先先作静态态刚度，然后进进行模型型分析、响应分分析及灵灵敏度分分析等），利用用测试结结果建立立可靠的的CAEE模型，使CAAE真正正成为车车身设计计的有效效工具。（3）加加强CAAE的培培训工作作。一方方面是 CAEE专业人人员能力力的提高高（可以以通过高高层次学学习，如如请人讲讲学等方方式

43、达到到；另一一方面是是CAEE专业人人员有重重点地培培训产品品设计人人员，使使现有较较成熟的的CAEE技术尽尽快应用用于设计计。（4）加加强汽车车行业中中各大企企业间CCAE技技术的协协作。在在我国CCAE发发展水平平还较低低，企业业CAEE软、硬硬件的相相互封锁锁，只能能阻碍 CAEE的发展展及应用用，重复复投资，重复劳劳动，使使得本来来就不太太充足的的人员和和资金白白白浪费费掉。因因此, 应该定定期进行行交流，共同提提高，互互相协作作，做好好规划，避免重重复性投投入。（5）提提高使用用CAEE技术的的方便性性。为此此，首先先应尽快快推进便便于使用用的结构构分析程程序，如如ANSSYS、NA

44、SSTRAAN等；其次，CAEE专业人人员的课课题研究究应把应应用作为为目标，把课题题结果的的规范化化与培训训设计人人员使用用CAEE技术能能力作为为课题的的重要组组成部分分。（6）加加强CAAE与测测试部门门的结合合，尽量量缩短CCAE的的分析时时间，用用尽可能能多的测测试结果果验证模模型，使使模型能能最大限限度地得得以简化化。随着科学学技术的的迅猛发发展，CCAD/CAMM技术正正向集成成化、智智能化、网络化化、标准准化、可可视化等等方向发发展。新新的技术术正在不不断出现现，在这这新旧交交替之际际，只要要我们抓抓住机遇遇，就能能跳跃前前进，赶赶上世界界科技发发展的步步伐；反反之，如如不能把

45、把握机会会，则将将更加落落后。可可以相信信，中国国的汽车车CADD/ CCAM事事业前途途光明，但需要要大家付付出艰辛辛的努力力。2 CAAE的相相关理论论2.1 CAEE的基本本概念CAE（Commputter Aidded Enggineeeriing）从字面面上讲是是计算机机辅助工工程，其其概念很很广，可可以包括括工程和和制造业业信息化化的所有有方面。但传统统的CAAE主要要是指工工程设计计中的分分析计算算和分析析仿真，其核心心是基于于现代计计算力学学的有限限单元分分析技术术。从广义上上说，计计算机辅辅助工程程包括很很多，从从字面上上讲，它它可以包包括工程程和制造造业信息息化的所所有方面

46、面，但是是传统的的CAEE主要指指用计算算机对工工程和产产品进行行性能与与安全可可靠性分分析，对对其未来来的工作作状态和和运行行行为进行行模拟，及早发发现设计计缺陷，并证实实未来工工程、产产品功能能和性能能的可用用性和可可靠性。这里主主要是指指CAEE软件。 CAE软软件可以以分为两两类：针针对特定定类型的的工程或或产品所所开发的的用于产产品性能能分析、预测和和优化的的软件，称之为为专用CCAE软软件；可可以对多多种类型型的工程程和产品品的物理理、力学学性能进进行分析析、模拟拟和预测测、评价价和优化化，以实实现产品品技术创创新的软软件，称称之为通通用CAAE软件件。 CAE软软件的主主体是有有

47、限元分分析(FFEA，Finnitee Ellemeent Anaalyssis)软件。有限元元方法的的基本思思想是将将结构离离散化，用有限限个容易易分析的的单元来来表示复复杂的对对象，单单元之间间通过有有限个节节点相互互连接，然后根根据变形形协调条条件综合合求解。由于单单元的数数目是有有限的，节点的的数目也也是有限限的，所所以称为为有限元元法。这这种方法法灵活性性很大，只要改改变单元元的数目目，就可可以使解解的精确确度改变变，得到到与真实实情况无无限接近近的解。基于有限限元方法法的CAAE系统统，其核核心思想想是结构构的离散散化。根据经验验，CAAE各阶阶段所用用的时间间为：440%45%用

48、于模模型的建建立和数数据输入入，500%555%用用于分析析结果的的判读和和评定，而真正正的分析析计算时时间只占占5%左左右。采用CAAD技术术来建立立CAEE的几何何模型和和物理模模型，完完成分析析数据的的输入，通常称称此过程程为CAAE的前前处理。同样，CAEE的结果果也需要要用CAAD技术术生成形形象的图图形输出出，如生生成位移移图、应应力、温温度、压压力分布布的等值值线图，表示应应用、温温度、压压力分布布的彩色色明暗图图，以及及随机械械载荷和和温度载载荷变化化生成位位移、应应力、温温度、压压力等分分布的动动态显示示图。我我们称这这一过程程为：CCAE的的后处理理。针对对不同的的应用，也

49、可用用CAEE仿真模模拟零件件、部件件、装置置(整机机)乃至至生产线线、工厂厂的运动动和运行行状态。2.2 CAEE的基本本结构与与功能2.2.1 CCAE分分析的三三个步骤骤应用这些些CAEE软件对对工程或或产品进进行性能能分析和和模拟时时，一般般要经历历如图22-1所所示步骤骤： 图2-11 CAAE一般般步骤（1）前前处理用图形形软件首首先对工工程或产产品进行行实体建建模，进进而建立立有限元元分析模模型。（2）有有限元分分析对对有限元元模型进进行单元元分析、有限元元系统组组装、有有限元系系统求解解以及有有限元结结果生成成。（3）后后处理据工程程或产品品模型与与设计要要求，对对有限元元分析

50、结结果进行行用户所所要求的的加工、检查，并以图图形方式式提供给给用户，辅助用用户判定定计算结结果与设设计方案案的合理理性。2.2.2 CCAE软软件的结结构与功功能CAE软软件的基基本结构构其中包包含以下下模块：前处理模模块给实实体建模模与参数数化建模模，构件件的布尔尔运算，单元自自动剖分分，节点点自动编编号与节节点参数数自动生生成，载载荷与材材料参数数直接输输入有公公式参数数化导入入，节点点载荷自自动生成成，有限限元模型型信息自自动生成成等。有限元分分析模块块有限单单元库，材料库库及相关关算法，约束处处理算法法，有限限元系统统组装模模块，静静力、动动力、振振动、线线性与非非线性解解法库。大型

51、通通用题的的物理、力学和和数学特特征，分分解成若若干个子子问题，由不同同的有限限元分析析子系统统完成。一般有有如下子子系统：线性静静力分析析子系统统、动力力分析子子系统、振动模模态分析析子系统统、热分分析子系系统等。 后处理模模块有限限元分析析结果的的数据平平滑，各各种物理理量的加加工与显显示，针针对工程程或产品品设计要要求的数数据检验验与工程程规范校校核，设设计优化化与模型型修改等等。用户界面面模块弹出出式下拉拉菜单，对话框框，数据据导入与与导出宏宏命令，以及相相关的GGUI图图符等。数据管管理系统统与数据据库不同的的CAEE软件所所采用的的数据管管理技术术差异较较大，有有文件管管理系统统，

52、关系系型数据据库管理理系统及及面向对对象的工工程数据据库管理理系统。其数据据库应该该包括构构件与模模型的图图形和特特性数据据库，标标准规范范及有关关知识库库等。共共享的基基础算法法模块如图图形算法法，数据据平滑算算法等。CAE软软件对工工程和产产品的分分析、模模拟能力力，主要要决定于于单元库库和材料料库的丰丰富和完完善程度度，单元元库所包包含的单单元类型型越多，材料库库所包括括的材料料特性种种类越全全，其CCAE软软件对工工程或产产品的分分析、仿仿真能力力越强。 一个CCAE软软件的计计算效率率和计算算结果的的精度，主要决决定于解解法库。先进高高效的求求解算法法与常规规的求解解算法，在计算算效

53、率上上可能有有几倍、几十倍倍，甚至至几百倍倍的差异异，特别别是在并并行计算算机环境境下运行行。随着CAAE软件件开发商商对单元元库，材材料库和和求解器器的改造造，扩充充和完善善，目前前国际上上先进的的CAEE软件，已经可可以对工工程和产产品进行行如下的的性能分分析，预预报及运运行行为为模拟：静力和拟拟静力的的线性与与非线性性分析包括括对各种种单一和和复杂组组合结构构的弹性性，弹塑塑性，塑塑性，蠕蠕变，膨膨胀，几几何大变变形，大大应变，疲劳，断裂，损伤，以及多多体弹塑塑性接触触在内的的变形与与应力应应变分析析。线性与非非线性动动力分析析包括括交变荷荷载，爆爆炸冲击击荷载，随机地地震荷载载以及各各

54、种运动动荷载作作用下的的动力时时程分析析，振动动模态分分析，谐谐波响应应分析，随机振振动分析析，屈曲曲与稳定定性分析析等。静态与瞬瞬态热分分析包括传传导，对对流和辐辐射状态态下的热热分析，相变分分析，以以及热/结构耦耦合分析析。静态和交交变态的的电磁场场和电流流分析包括括电磁场场分析，电流分分析，压压电行为为分析以以及电磁磁/结构构耦合分分析。流体计算算包括括常规的的管内和和外场的的层流，端流，热/流流耦合以以及流/固耦合合分析。 声场与与波的传传播计算算包括括静态和和动态声声场及噪噪声计算算，固体体，流体体和空气气中波的的传播分分析等。 前后处处理是近近十多年年发展最最快的CCAE软软件成分

55、分，它们们是CAAE软件件满足用用户需求求，使通通用软件件专业化化、属地地化，并并实现CCAD、CAMM、CAAPP、PDMM等软件件无缝集集成的关关键性软软件成分分。它们们是通过过增设CCAD软软件，例例如Prro/EEngiineeer，UUG，SSoliideddge，CATTIA，MDTT等软件件的接口口数据模模块，实实现了CCAD/CAEE的有效效集成。 CAAE通常常指有限限元分析析和机构构的运动动学及动动力学分分析。有有限元分分析可完完成力学学分析(线性、非线性性、静态态、动态态)；场场分析(热场、电场、磁场等等)；频频率响应应和结构构优化等等。机构构分析能能完成机机构内零零部件

56、的的位移、速度、加速度度和力的的计算，机构的的运动模模拟及机机构参数数的优化化。2.2.3 CCAE的的作用 （1）增增加设计计功能，借助计计算机分分析计算算，确保保产品设设计的合合理性，减少设设计成本本；（2）缩缩短设计计和分析析的循环环周期； （3）CCAE分分析起到到的“虚拟样样机”作用在在很大程程度上替替代了传传统设计计中资源源消耗极极大的“物理样样机验证证设计”过程，虚拟样样机作用用能预测测产品在在整个生生命周期期内的可可靠性； （4）采采用优化化设计，找出产产品设计计最佳方方案，降降低材料料的消耗耗或成本本；（5）在在产品制制造或工工程施工工前预先先发现潜潜在的问问题； （6）模模

57、拟各种种试验方方案，减减少试验验时间和和经费；（7）进进行机械械事故分分析，查查找事故故原因。 2.3 CAEE的价值值CAE技技术为汽汽车行业业的高速速发展提提供具有有中心价价值地位位的技术术保障，可以为为企业带带来巨大大的技术术经济效效益。在在汽车发发展历史史上，至至今还没没有什么么技术能能与CAAE技术术相比，为汽车车企业带带来巨大大的回报报。汽车车行业是是一个高高速发展展的行业业，其竞竞争日趋趋激烈。随着新新产品推推出的速速度越来来越快， CAAE在汽汽车行业业的应用用越来越越多，水水平也在在逐步提提高。统计结果果表明，应用 CAEE 技术术后，新新车开发发期的费费用占开开发成本本的比

58、例例从800%990%下下降到 8%12%。例如如：美国国福特汽汽车公司司20000年应应用CAAE后，其新车车型开发发周期从从36个个月降低低到122188个月；开发后后期设计计修改率率减少550%；原型车车制造和和试验成成本减少少50%；投资资收益提提高500%。其最大优优点是可可以在产产品设计计初期, 即图图纸设计计阶段，通过建建立基本本的计算算机分析析模型，对所设设计的产产品进行行强度、寿命及及特性预预测，从从而指导导产品设设计，使使产品设设计指标标得到保保证，有有效地提提高设计计产品的的可靠性性, 缩缩短设计计周期。如汽车车产品采采用传统统的经验验设计试验校校核的方方法，则则由于结结

59、构的复复杂性，在设计计过程中中往往无无法知道道局部及及总体强强度等是是否满足足设计要要求, 只能靠靠一轮又又一轮的的设计试试验来改改进，需需要很长长的设计计周期及及很高的的设计试试制费用用，已很很难适应应市场的的需求。而采用用CAEE技术，在汽车车概念设设计的同同时，进进行静态态、动态态分析，随着设设计图纸纸的一步步步完善善，汽车车结构的的有限元元模型也也进一步步细化，使分析析计算的的结果更更趋于准准确。这这样，在在最终图图纸完备备后, 就能使使整车的的强度、寿命指指标得到到控制，大大地地减少了了样车的的制作和和试验时时间。CCAE技技术不但但对汽车车整车或或车身等等大型结结构的宏宏观控制制发

60、挥作作用，对对于解决决汽车局局部强度度问题也也很有效效。在设计阶阶段引入入CAEE可以及及早发现现错误，尽快修修正错误误的目标标。图22-2表表示了采采用CAAE技术术与不采采用CAAE技术术的设计计、制造造流程对对比情况况。产品设计（CAD）发现设计缺点不采用CAE技术的产品设计、制造流程产品设计（CAD）产品分析（CAE）产品制造（CAM）发现设计缺陷采用CAE技术的产品设计、制造流程产品制造（CAM）图2-22 设计计、制造造流程对对比CAE技技术的价价值就在在于可以以在产品品设计初初期，即即图纸设设计阶段段，通过过建立基基本的计计算机分分析模型型，对所所设计的的产品进进行强度度、寿命命