現(xiàn)代汽車開發(fā)是一個綜合與分析的互逆過程。綜合與分析在汽車產(chǎn)品開發(fā)的不同階段，發(fā)揮不同的作用，從概念設(shè)計到詳細(xì)設(shè)計的開發(fā)流程，實際是一個從系統(tǒng)綜合到系統(tǒng)分析的流程。在開發(fā)階段初期，有充分的設(shè)計自由度，但有關(guān)設(shè)計的參數(shù)、數(shù)據(jù)則較少，我們關(guān)注的是產(chǎn)品的整體性能，例如：平順性、操縱穩(wěn)定性等，利用Nasran軟件，我們能夠在設(shè)計初期結(jié)合試驗數(shù)據(jù)、客戶意見反饋設(shè)定好整車設(shè)計性能指標(biāo)（設(shè)計目標(biāo)）；在詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計階段，根據(jù)整車性能指標(biāo)，逐級分解到車身、底盤等各個子系統(tǒng)、零部件上，最終體現(xiàn)在結(jié)構(gòu)的各個設(shè)計參數(shù)上。

汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計過程

        現(xiàn)在國內(nèi)產(chǎn)品設(shè)計更加整合已有資源、優(yōu)化配置，更加強度產(chǎn)品的整體性能，比如平順性、操縱穩(wěn)定性，高端的在整車NVH方面有更高的要求。無論是商用車還是乘用車，車身設(shè)計一直是現(xiàn)代整車設(shè)計的核心技術(shù)，有限元在車身設(shè)計發(fā)揮的作用遠(yuǎn)超過其他方面，下文結(jié)合IDEAS CAE、Nastran軟件介紹有限元在車身設(shè)計的各個階段發(fā)揮的不同作用。

1.1 整車性能設(shè)計

        汽車的平順性主要是指保持汽車在行駛過程中產(chǎn)生的振動和沖擊環(huán)境對乘員舒適性的影響，是現(xiàn)代高速汽車的主要性能之一。研究對象主要是整車懸架系統(tǒng)、前后軸荷、整車慣性質(zhì)量等，利用IDEAS CAE人性化的前處理界面和Nastran豐富的單元庫，能在概念設(shè)計階段快速、準(zhǔn)確的建立多自由度整車和動力系統(tǒng)模型，進(jìn)行模態(tài)、瞬態(tài)響應(yīng)、隨機響應(yīng)分析，對整車系統(tǒng)的平順性、人體的響應(yīng)做出評估；結(jié)合試驗、先期客戶反饋意見、專業(yè)人士主觀評價，設(shè)立設(shè)計目標(biāo)，指導(dǎo)后繼結(jié)構(gòu)設(shè)計。

        利用Nastran提供的SOL 200求解序列，可以以懸架系統(tǒng)的剛度、阻尼為設(shè)計變量，根據(jù)國家標(biāo)準(zhǔn)化組織的要求對各個頻段頻率進(jìn)行加權(quán)優(yōu)化，設(shè)計出平順性最佳的前后懸架剛度、阻尼系數(shù)。有限元模型、部分計算結(jié)果見下圖。

2.2 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計

    2.2.1車身截面、接頭設(shè)計

    接頭（Joint）和梁（Beams）是決定整車剛度和全局模態(tài)的主要因素，它們控制著整車低頻的Boom和振動（Shake）；截面特性（Section Property）決定了梁的特性。因此，通過對截面形狀、厚度以及結(jié)構(gòu)特性的分析，在汽車概念設(shè)計階段，初步估計和評價標(biāo)桿樣車的主要承載結(jié)構(gòu)的抗彎、抗扭模量、截面面積，對整車的部件的設(shè)計和結(jié)構(gòu)改進(jìn)有著重要的指導(dǎo)意義。IDEAS CAE提供了豐富的截面庫，同時，允許用戶建立任意形狀的梁截面，根據(jù)下式計算梁的截面屬性：

                                                                         圖三 Ideas中梁截面計算公式

                                                                           圖四 Ideas中梁截面計算

圖5 Ideas中梁截面計算

2.2.2 車架、車身模態(tài)分析

         車身設(shè)計應(yīng)滿足車身剛度和強度設(shè)計要求。

         剛度不足，將會引起車身的門窗、發(fā)動機艙口等發(fā)生變形，導(dǎo)致玻璃破碎、車門卡死等現(xiàn)象；同時，低剛度必然伴隨低的固有頻率，易發(fā)生結(jié)構(gòu)共振和噪聲，影響人的乘坐舒適性。利用Nastran SOL103 進(jìn)行結(jié)構(gòu)、聲腔模態(tài)求解，可以在設(shè)計初期識別系統(tǒng)整體、局部模態(tài)頻率、振型；結(jié)合整車設(shè)計要求，對不同頻率、各個子系統(tǒng)之間的相互作用做出評估，從而采取合適的設(shè)計策略合理的分布車身系統(tǒng)的頻率；同時根據(jù)計算結(jié)果，對于影響室內(nèi)噪聲的部位，在考慮成本、安裝條件、設(shè)計目標(biāo)的選取合適的阻尼材料，達(dá)到最優(yōu)的減振、降噪目的。

         現(xiàn)代車身用骨架構(gòu)件加薄鋼板互相連接，形成承載結(jié)構(gòu)的“網(wǎng)絡(luò)”，它們之間互相依存。車身設(shè)計十分強調(diào)承載結(jié)構(gòu)的合理性，不論受靜力還是受變化的力，車體本身各部分都要和諧地變形，沒有特別薄弱的環(huán)節(jié)。利用模態(tài)分析，可以幫助設(shè)計工程師確定車身薄弱環(huán)節(jié)，在最少的設(shè)計循環(huán)下，找到合理的改進(jìn)措施。

        利用UGS的IDEAS CAE軟件，可以模擬焊點聯(lián)接，它提供通用的兩種模擬方法CWELD和ACM2，并且焊點的生成與網(wǎng)格無關(guān)，能夠輕松的實現(xiàn)設(shè)計更改而不必重新做焊點。其有限元模型的裝配管理模式，可以方便的實現(xiàn)三維CAD數(shù)據(jù)和CAE有限元模型的關(guān)聯(lián)，當(dāng)三維模型幾何、定位發(fā)生改變時，只要點取有限元裝配更新，不必重頭再做，提高了工作效率。

                                                            圖六  車架、車身結(jié)構(gòu)有限元模型模態(tài)振型

                                                                      圖7  車身聲腔限元模型模態(tài)振型

         通過車身結(jié)構(gòu)、車身聲腔模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)二者之間的耦合關(guān)系，為車身NVH設(shè)計提供指引；通過車身、車架模態(tài)分析可以為車身懸置位置布置提供指導(dǎo)。

         強度不足則引起車身構(gòu)建早期出現(xiàn)裂紋和疲勞斷裂。利用Nastran SOL101 進(jìn)行強度分析，可以在設(shè)計階段提前發(fā)現(xiàn)車身構(gòu)件的薄弱環(huán)節(jié)、剛度變化是否合適，快速實現(xiàn)各個設(shè)計之間的對比，減少設(shè)計開發(fā)的盲目性。

圖8  車身地板強度分析應(yīng)力云圖

2.3 整車有限元分析

         在IDEAS CAE模塊中建立整車模型，通過強度、剛度計算，可以發(fā)現(xiàn)各個部件之間、各個系統(tǒng)的力的傳動關(guān)系，檢驗與設(shè)計目標(biāo)是否相符；通過模態(tài)分析，可以發(fā)現(xiàn)各個系統(tǒng)之間的頻率分布，指導(dǎo)NVH設(shè)計。結(jié)合Nastran SOL200 可以同時考慮模態(tài)、整體剛度、關(guān)鍵部位強度對各個部件的設(shè)計靈敏度等進(jìn)行計算，在保證強度的前提下，進(jìn)行減重設(shè)計、部件優(yōu)化。

結(jié)論

         福田公司通過在開發(fā)過程中開展CAE工作，提高了產(chǎn)品開發(fā)質(zhì)量、縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期、節(jié)約了產(chǎn)品開發(fā)經(jīng)費。概括起來，采用CAE的優(yōu)點如下：

    1、 采用計算機輔助工程（CAE）手段，可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況，避免傳統(tǒng)上的設(shè)計－試制－測試－改進(jìn)設(shè)計－再試制的重復(fù)過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發(fā)周期，減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發(fā)費用。

    2、 國內(nèi)設(shè)計部門隨著三維設(shè)計的普及，為開展CAE工作奠定了基礎(chǔ)，使開展同時工程成為可能；同時，在開發(fā)過程中應(yīng)用CAE技術(shù)，也改變了CAD在開發(fā)中只進(jìn)行幾何模型定義，在開發(fā)同時進(jìn)行功能設(shè)計、性能設(shè)計。

    3、 在產(chǎn)品開發(fā)過程中開展CAE工作，改變了傳統(tǒng)設(shè)計中的依靠經(jīng)驗進(jìn)行定性分析、缺少定量數(shù)據(jù)的設(shè)計方法，使產(chǎn)品減重、性能優(yōu)化成為可能；同時，采用CAE計算能在短時間內(nèi)嘗試和比較更多的設(shè)計方案，因而有可能獲得較佳甚至最優(yōu)的設(shè)計而提高開發(fā)質(zhì)量。