车身cae流程讲座

CAE技术在车身设计中的应用李守成2005-03一、加速汽车产品创新流程的技术 n 多年来汽车制造商坚持不懈地对汽车的操纵性、美观性、大小、舒适性、经济性等众多指标进行改善，以期达到最好的综合性能，将最有创意的汽车投放市场。同样汽车零部件供应商也需要研发创新，在配置、成本、质量等方面满足主机厂的要求。 n 对创新苛刻的要求源自上市时间的严格要求，如果竞争对手以快于你的速度将类似的设计呈现于市场，创新的价值也就丧失殆尽了，第一个上市的厂商常常赢得最大的销售利益。因此研发周期的缩短也就意味着实现销售利润，准确地满足消费者的需要。n 尽管创新非常重要，但汽车的安全、成本、质量绝对是实现销售利润的长期需要，这些方面的任何不足都会导致销售的直线下降。简单来说，汽车在路上行驶的时间越长，汽车厂商和其零部件供货商可以售出的配件就越多。n 产品的创造过程将是市场占有率战役的最前线， “产品创造过程所面临的最大挑战在于车辆概念的研发，以最大限度地满足客户的需求，最好的概念是那种可以以最短的时间、最低的成本、最高的质量得以实施的。这一挑战不能用常规的方法应对，必须研究创新途径。 “n 在汽车工业中，产品创新扮演着至关重要的角色，成为战略竞争优势的要点和高于一切的市场关键。戴姆勒 -克莱斯勒的总裁 Jurgen Schrempp说： “人们常常问我批量、产品、销售、生产率，但没人问我创造力、技术、创新，但这才是我赚钱的关键，问题不在于降低了 3美元的成本，公司最赚钱的是创新，而不是降低成本。 “1、研发瓶颈 n 汽车制造公司在创新上所面临的最大挑战在于保持高质量的同时以低成本快速研制出有把握的设计，这就大大影响了汽车产品研发过程的创新速度，造成了迟缓和低效。n 汽车研发中的最大瓶颈之一是物理样机试验，典型的研发流程是：首先将车形概念转换成详细的工程图，经过漫长的设计检查以后，开始建立物理样机并进行试验，暴露出的问题将反馈给设计人员，修改设计，制造新样机，再试验；这一循环不断重复，直到达到满意的性能，一般需要经过多次迭代。n 这一制造、试验过程即费时又耗资巨大，手工建造一个汽车实物模型需要数月的时间和数十万元的费用，试验费用还远远超过这个数，并且设计还远远达不到优化，为满足修改定型时间表的要求，常常通过损失总体性能的方式解决一些局部问题；例如，为加强有问题的装配部件，某些零部件设计可能常常过于保守，增加无谓用的重量和体积。 2、前端分析的价值 n 所有主要的汽车制造商以及制造业的许多公司都已经开始通过计算机仿真及优化进行虚拟样机的评价和设计，由此降低对物理样机试验的依赖。目标并不是完全取消物理样机试验，而是减少样机试验的数量，改变完全靠经验的设计流程，引导设计朝正确的方向进行。n 在设计的早期，通过研究不同的设计方案，工程师可方便地进行设计变更，并且所花的代价非常低。研究表明，设计阶段每向前推进一步，变更设计所需的成本将呈指数增加，例如，如果概念阶段设计修正的代价是 10，到了详细设计阶段再修正的话代价将是 100，到了物理样机试验阶段将变成 1000，进入生产阶段后将超过 10000，如果产品售出后再修正错误， “召回 “和保修的成本惊人，有时甚至会导致制造商悲剧，由此可见早期发现并修正设计缺陷的意义。在设计早期进行仿真的另一个益处在于，设计者有时间和能力评价多种方案，提出创新性的设计。 n 不能把计算机仿真简单地当作降低成本的手段而取代物理样机，它为创新带来了一种完全不同的试验方式。公司创新能力的核心在于试验方式，即创造和提高产品系统试验的观念；启发性试验采用试验仿真技术，在计算机软件上测试多种不同的产品方案，以在苛刻的创新时间和成本约束下，取得多方面的突破；计算机仿真这样的新技术不但可降低试验费用、加快试验速度，而且使公司更有创造力，快速的反馈和高质量的计算机图形可以驱动创新，可实时可视化地研究多种设计可能性，加快设计迭代速度。在研发的早期进行迭代仿真是最有效的，可快速、不费力地发现并修正设计问题。许多公司往往在研发后期花数百万元修正设计问题，却常常忽视早期解决问题所带了的效益。在产品研发前期识别、解决问题的概念为 “前期装载“(front-loading)， 仿真可起到很好的杠杆作用。n 为加速产品研发流程，丰田公司实施了 “前期装载 “概念，进行早期仿真并配合相应的流程改进，研发时间和成本降低了 30% 40%。在实施 “前期装载 “过程中，丰田公司采用 CAE技术在设计前期发现功能性的问题，汽车制造商期望通过这种方法在初次样机前发现并解决 80%的设计问题，并通过减少第二代样机的某些实验降低时间和成本。3、汽车工业 12个月研发周期的目标 n Altarum研究院汽车研发中心总裁 David Cole博士认为：CAE即虚拟样机技术是减少对物理样机依赖的关键，也是降低成本及研发时间的关键；他解释说： “汽车制造商都清楚，他们必须实施仿真技术以加速设计流程 “。目前CAE技术对汽车工程的支持仅有 30%，而汽车工业的管理者们希望到 2007年这一工具的应用达到 70%。n Cole先生说： “在未来的 5年中，分析技术的采用将增加一倍，这将为汽车制造商及零部件厂商带来巨大的效益 “；他引用了一个制造商的例子，通过减少物理样机的数量，研发成本和时间降低了 50%。n 汽车工业的许多努力是降低上市时间，更确切地说是压缩创新时间，压缩从概念设计到投产的时间；对大多数汽车制造商来说， 90年代车辆的研发时间是 48到 60 个月，2000年是 24到 36个月，某些汽车制造商将分析和仿真技术集成于设计之中，已将周期降低到了 18个月，下一个目标是 12个月，这对汽车工业来说是一眨眼的时间。n “将研发时间降低到这一水平的关键是虚拟样机技术，并在跨供应链的实时协同中采用这一技术。对于大多数零部件来说，这一技术已经是成熟技术，汽车制造商和其供应链所面临的挑战是如何将其集成到自己的研发流程之中并加以实施，从而将创新性的车辆投放到市场。 “4、基于时间的产品研发 n 汽车公司采用分析仿真技术的关键是其缩短研发周期的需求，基于时间的产品研发已经成为势在必行的策略，而基于时间的产品研发必须以 CAE工具和流程的革新为支撑；第一个上市会带来巨大的市场份额和收益，随着对这一观念的认可，各公司争相研究加快产品设计的创造性方法。汽车行业中，在市场竞争的驱动下，人员的分配、流程、工具正在发生巨大的变革，在汽车新研发平台的资金投入巨资，市场的压力将产品研发和投放市场的周期压缩到 3年以下，上市时间这一事实永远地改变了汽车研发和试验的方法。n 例如，某汽车厂商通过 CAE分析物理样机建造时间减少了30个星期，新车型的上市时间提前 5个月，同时带来 2千万美元的销售额。另一个例子是某汽车零部件制造商，通过分析主要零部件的物理样机减少 50%（由 6次减少到 3次），一般认为，零部件厂商通过分析设计最终可减少 75%的物理样机。n 到 2010年，通过将 CAE和协同技术集成入设计流程，通过设计流程的再造，汽车行业主要厂商的产品研发和生产力应该提高 1倍至 2倍，因此，坚持传统设计方法的公司是没有出路的，寻求生存和发展的公司必须认识到再造设计流程和制造流程的重要性，并且加以实施。 n 加强 CAE仿真技术的使用及建立高效的流程是大量降低产品研发时间和成本的关键，也是实现公司核心业务的关键。要想在几个小时而不是几个月内评估一个设计概念、探讨多种设计方案和设计条件，通过物理样机基本是不可能的，快速、低成本地评价设计方案的能力为管理提供了独特的战略优势，可让设计工程师从多种经过优化的概念中选择，而不是仅仅保证按时完成了任务，这一优势将产品研发变成了时间竞争优势。二、 CAE分析的目标1、样车 设计阶段：提供设计参考意见2、样车 验证 阶段：验证车身设计并提出相关评价3、样车 改进 阶段：根据道路试验结果提出改进意见三、技术方案与工作流程（以车身骨架设计为例）1、样车设计阶段目标为设计部门提供车身骨架的设计参考意见 输入条件n 设计目标n 概念设计n 载荷条件n 材料参数n 时间节点工作内容a. 车身骨架拓扑分析n b. 车身骨架等截面梁模型分析n c. 车身骨架非等截面梁模型分析n d. 车身骨架梁模型模态分析分析报告a. 理想车身骨架的几何分布分析报告b. 理想车身骨架的截面分布分析报告c. 车身骨架动力学特性分析报告2、样车验证阶段目标n 验证样车车身骨架设计，针对该设计提出评价报告输入条件n 设计目标n 三维数模n 工艺要求n 载荷条件n 材料参数n 时间节点工作内容n a 建立 车身骨架三维壳单元有限元模型n b 车身骨架扭转载荷应力分析n e 车身骨架弯曲载荷应力分析n f 车身 模态分析n h 车身骨架危险区域的确