CAE概述及在整车性能分析的应用
１、CAE技术概论
计算机辅助工程是在自然科学技术计算机技术不断发展的基础上建立起来的，它将具体的自然科学与计算机技术相结合，将自然科学的理论知识和经验通过计算机语言描述出来，来帮助人们去认识客观的物质世界。通过计算机的高速处理能力，使人们能够在很短的时间内得到和处理大量的数据，减轻了人们的体力和脑力劳动，拓展了人们认识物质世界的能力，可以解决很多实际工程需要解决而理论分析又无法解决的复杂问题。
CAE是在汽车研发中提高产品质量和缩短开发周期极为重要的技术，它是实现汽车从概念设计到产品验证强有力的工具。现阶段，工程分析贯穿车身结构设计的全过程。结构分析方法包括数值模拟和实验分析：用有限元结构分析方法，可按照分析要求完成建模、进行分析，尺寸可任意合理的调整、更改边界条件方便容易、任何时间可重复多次执行；而一般试验法的设备操作复杂、成本高、边界条件控制麻烦。有限元法在结构强度和刚度分析方面因具有较高的计算精度而得到普遍采用，有限元模型的正确与否可通过试验来校核修正，但试验已变得越来越少。相对于路试和室内试验而言，利用CAE分析整车及零部件的各种性能所需要的费用大幅减少。
、结构优化分析方法、耐久性疲劳分析方法和试验设计分析方法等，
１.１有限元法概述
汽车的计算机仿真技术是计算机辅助分析技术的一种，它始终贯穿于汽车的设计阶段。CAE技术是汽车新产品开发的重要手段之一，它可以在新产品的设计阶段就能评估出它的性能，并指导工程师进行产品的优化设计，保证产品开发成功。
CAE的应用首先是从有限元分析开始的，二十世纪六、七十年代，有限元方法借助于计算机技术得到飞速发展，形成了一套高度自动化的结构力学分析处理方法。有限元法是用来分析各种结构问题的强有力的工具，分析的各个步骤可以表达成规范化的矩阵形式，求解方程可以统一为标准的矩阵代数问题，特别适合计算机的编程和执行。随着计算机软硬件技术的高速发展，以及新的数值计算方法的不断出现，大型复杂问题的有限元分析已经成为工程技术领域的常规工作。
有限元法的最大特点是能够适应各种复杂的边界形状和边界条件，这是因为它有丰富的单元类型和节点几何形状描述形式来模拟结构。常用的单元类型有：一维的杆单元、梁单元、弹簧单元；二维的平面剪力单元、三角形膜单元、四边形膜单元、薄板弯曲单元、薄壳单元、轴对称环体单元、旋转壳单元；三维的块体单元等。有的单元可以有不同形状和节点数，等参单元可以较好地描写曲线和曲面边界，可以方便地用多种单元模拟复杂的组合结构。另外，通过对节点位移状态的描写，有限元法可以
模拟各种边界支承条件和连接条件。
有限元法在工程分析中的作用已从分析、校核扩展到优化设计并和计算机辅助设计技术
相结合。应用有限元法分析的目的，主要包括以下两方面：
（1）分析结构损坏原因，寻改进途径。当结构件在工作中发生故障如裂纹、断裂、磨损过大等缺陷时，可应用有限单元法进行分析，研究结构损坏的原因，出危险区域和部件，提出改进设计的方案，并进行相应的计算分析，直至到合理的结构。
（2）进行最优结构方案设计。在进行机械结构设计时，可以通过对可能的结构方案进行有限单元法计算，根据对方案计算结果的分析和比较，按强度、刚度和稳定性要求，对原方案修改补充，以便得到较合理的应力、变形分布，并且经济性又较好，从而得到较好的结构设计方案。
普力马报价１.２多体系统动力学概述
多体动力学研究方法包括多刚体系统研究方法和多柔体系统研究方法。多刚体系统动力学的研究对象一般是比较复杂的多体系统，其结构和连接方式也是多种多样，这给建立动力学方程带来了很大困难，并且，系统的动力学方程多为高阶非线性方程，因此，动力学方程的建立和求解都必须由计算机去完成。多刚体系统动力学的研究方法与研究人员的思想有关。目前，多刚体系统动力学的研究方法
主要有工程中常用的以拉格朗日方程为代表的分析力学方法、以牛顿一欧拉方程为代表的矢量力学方法、图论方法、凯恩方法、变分方法、旋量方法等。
二十世纪七十年代中期，有关柔性多体系统动力学的理论工作实际上也己经展开。到目前为止，柔性系统动力学的研究虽然取得了一些成果，但是远没有达到多刚体系统动力学的研究水平，其主要原因是在物体大范围运动与弹性变形耦合问题的认识上和处理方法上遇到困难。多刚体动力学是将系统中各部件均抽象为刚体，但可以计及各部件连接点处的弹性、阻尼等影响，而多柔体系统动力学则在此基础上还进一步考虑部件的变形。多刚体系统动力学侧重的是“多体”方面，研究各个物体刚性运动之间的相互作用及其对系统动力学行为的影响：多柔体系统动力学则侧重“柔性”方面，研究柔性体变形与其整体刚性运动的相互作用或耦合，以及这种耦合所导致的独特的动力学效应。变形运动与刚性运动的同时出现及其耦合正是多柔体动力学的核心特征
应用多体系统动力学理论解决实际工程问题时，一般要经过以下三个步骤:
1) 实际汽车系统的多体模型简化。
2) 自动生成建立多体系统动力学方程。
新手开车技巧视频3) 准确地求解多体系统动力学方程。
２、现代CAE软件
但是，CAE技术最终是通过软件发挥其作用的，没有CAE软件，CAE技术的巨大优势和潜力就无法真正发挥出来。计算机技术的不断发展，为数值计算方法在计算机中的实际应用提供了条件。CAE的研究始于20世纪50年代中期，经过五十多年的不断发展和完善，理论已日趋完善，算法日趋成熟。其理论已成为航空航天、机械、土木结构、车辆等领域工程和产品结构分析中必不可少的数值计算工具，同时也是分析连续过程各类问题的一种重要
手段，软件也已经商品化。
2.1CAE软件的分类和应用状况
CAE软件通常可分为通用软件和行业专用软件；从功能上可划分为求解器软件和前后处理软件；从应用方向和领域上又可以分为面向结构领域的FEA软件和流体力学领域的CFD软件，以及多体动力学分析的MBS软件。结构有限元分析软件与多体系统动力学软件共同构成CAE技术的重要内容。
国际知名的通用CAE软件主要包括：NASTRAN、ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、ADAMS等。这些软件具有丰富的单元库、材料特性库和荷载、边界条件的处理能力，多种分析功能，解题规模大，计算效率高，能适应广泛的工程领域。
2.2 ANSYS软件
ANSYS作为世界知名的大型通用有限元分析软件，经过近30年的不断完善及应用推广，已经广泛应用于核工业、铁道、石油化工、航天航空、机械制造、能源、交通、国防军工、电子、土木工程、造船、生物医学、轻工、地矿、水利、家电等各工业领域。ANSYS 软件是第一个通过ISO9001国际质量体系认证的大型分析设计类软件，是美国机械工程师协会以及美国核安全局及近二十种专业技术委员会认证的标准分析软件。
ANSYS软件主要包括三部分：前处理模块，分析计算模块和后处理模块。前处理模块提供了一个强大的实体建模及网格划分工具，用户可以方便地构造有限元模型；分析计算模块包括结构分析（可进行线性分析、非线性分析和高度非线性分析）、流体动力学分析、电磁场分析、声场分析、压电分析以及多物理场的耦合分析，可模拟多种物理介质的相互作用，具有灵敏度分析及优化分析能力；后处理模块可将计算结果以彩等值线显示、透明及半透明显示等图形方式显示出来，也可将计算结果以图表、曲线形式显示或输出。软件提供了100种以上的单元类型，用来模拟工程中的各种结构和材料[30]。
２.３ ADAMS软件
ADAMS是由原美国Mechanical Dynamics Inc.公司研制的集建模、求解、可视化技术与一体的虚拟样
机软件，是目前世界上使用最广泛的机械系统仿真软件。它的应用模块包括：ADMAS/View、ADMAS/Solver、ADMAS/PostProcessor、ADMAS/Car、ADMAS/Flex等。２.４ MATLAB软件
MATLAB是矩阵实验室（Matrix Laboratory）之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真和实时控制等功能。
MATLAB的基本数据单位是矩阵，它的指令表达式与数学，工程中常用的形式十分相似，故用MATLAB来解算问题要比用C,FORTRAN等语言完相同的事情简捷得多.
SIMULINK是MATLAB提供的一种动态系统仿真工具。MATLAB/Simulink包括拥有数百个内部函数的主包和三十几种工具包(Toolbox).工具包又可以分为功能性工具包和学科工具包.功能工具包用来扩充MATLAB的符号计算，可视化建模仿真，文字处理及实时控制等功
能.学科工具包是专业性比较强的工具包，控制工具包，信号处理工具包，通信工具包等都属于此类.
开放性使MATLAB广受用户欢迎.除内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包. ３、底盘结构分析
３.１底盘结构分析的意义
底盘是汽车的重要承载系统，它的作用是支承、安装汽车发动机及其各部件、总成，形成汽车的整体造型，并接受发动机的动力，使汽车产生运动，保证正常行驶。底盘各部分的结构强度和刚度满足要求是发挥其功能的基本前提。通过有限元分析，对底盘各系统及零部件的强度、刚度和疲劳品质进行校核，可以帮助设计者发现潜在的设计缺陷，在未生产出产品以前，就可以知道产品的一些性能，提高产品性能和改进设计缺陷，防止出现安全隐患，提高产品的设计质量和开发周期。
底盘分析的主要内容包括：底盘零部件结构分析及底盘零部件疲劳分析。
３.２底盘结构分析的内容
3.2.1 行驶系统分析
在整个底盘总成中，行驶系的受载状况（制动、转向、颠簸等）最为复杂，工作环境最为恶劣。因此，在新车型的开发过程中，行驶系统的校核就显得至关重要。
汽车保养知识大全3.2.2 转向系统分析
对于转向系统而言，它的主要作用载荷为驾驶员作用在方向盘上的转向力矩和来自车轮的回正力矩。一般来说，这两种力矩都不会很大。因此，强度校核不是转向系统考察的主要方面。对于转向系统而言，其系统模态分析是我们关注的重点。
3.2.3 传动系统分析
传动系统的主要功用是将发动机发出的动力传递给驱动车轮。对于传动轴而言，我们的分析工作主要包括以下几个方面的内容：
1) 传动轴（驱动轴）的强度校核
2.) 传动轴（驱动轴）的刚度分析
3) 传动系统的模态分析
3.2.4 制动系统分析
广汇认证二手车制动系统的主要功用是刹车制动和驻车制动两种。
针对制动系统的分析，主要包括以下几个方面：
1) 制动踏板的强度和刚度分析
2) 制动钳及支架的强度分析
3) 摩擦片和制动盘的强度（热应力）分析
汽车票123083.2.5 其它零部件分析
３.３悬架分析所需参数
b351) 整车参数
满载整车质量及前后轴荷、质心高度（满载）、轴距、轮距、有效制动半径、轮胎滚动半径等
2) 减震器参数
减震弹簧刚度以及自由长度、限位块刚度、减震器空行程长度
3) 衬套参数
悬架各连接部位的衬套在各方向上的刚度
4) 材料参数
材料名称、屈服极限、破坏极限、延伸率、模量、泊松比、密度等。
４、底盘动力学、运动学仿真
汽车动力学主要研究汽车受力和运动的关系，并出汽车主要性能的内在联系和规律。汽车动力学的发展与分析力学、材料力学、结构动力学等学科的发展密不可分。近年来，随着计算机技术的飞速发展，一些与计算机技术紧密结合的学科在工程上得到了广泛应用，从而推动了汽车动力学研究的发展。
在汽车动力学研究中，常见的计算机仿真技术主要是有限元分析技术和多体动力学技术，两者基于多柔体系统动力学得到交融。FEA软件提供了卓越的单个部件的建模分析能力，而定义边界条件包括载荷等则需要非常巧妙的技术和经验，而且FEA系统对于系统级建模效率低，不能分析整个系统大位移运动情况。MSS（多刚体机械系统仿真）软件可以有效地分析复杂系统的大位移运动情况，也可以用来生成弹性体有限元分析的外部载荷。不过，由于MSS忽略构件的弹性，会降低模型的精度，而考虑弹性体的MSS提供了两种方法相结合的最佳的解决方案。
多刚体动力学是把系统中的各部件看作刚体，部件之间通过弹性件和阻尼件连接在一起，同时考虑约束条件来建立模型。对于车辆系统动力学，当考虑车辆运行的平稳性和曲线通过能力等车辆系统的整体动力学性能时，为了突出所研究的目标，可以忽略车体弹性效应的影响。但实际上由于各部件本身的材料和结构具有弹性，部件一方面作绕固定坐标系的运动，另一方面相对自身局部坐标系做弹性变形运动，即部件具有柔性体的特性，这时须从柔性体动力学的角度来分析。多柔体系统动力学是动力学分析的发展方向。与传统的多刚体系统动力学相比，柔性多体动力学体现了多学科的交叉，它是多
刚体系统动力学与结构系统动力学的结合和延伸。
４.１ ADAMS在整车开发中的应用
４.１.１ 悬架分析
４.１.２ 转向分析
４.１.３ 机构运动分析
４.１.４ 轮胎包络分析
４.１.５ 操纵稳定性、平顺性、制动性分析
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