CAE技术在汽车设计中的应用及作用研究

摘要：现代社会快速发展，汽车设计及制造水平全面提升，尤其以CAE技术为代表的技术应用，对提升在汽车设计水平有十分积极的意义。文章阐述了CAE技术的基本概念，分析了该技术在汽车设计中的应用价值。从车架有限元模型构建、汽车安全性能分析及定位誤差建模等角度，分析了汽车设计中CAE技术的应用要点。

关键词：CAE技术;汽车设计;作用

前言：

改革开放以来，我国社会经济全面发展，人们的生活水平越来越高，汽车消费能力也逐步增强。新形势下，消费者对汽车的性能、安全、功能性及外观美观度等方面都有了更高的要求，汽车设计水平备受关注。在当代汽车设计中，CAE技术的应用价值越来越受认可，值得相关从业者进行深入探究。

一、CAE技术概述

CAE技术即计算机辅助工程技术，是一种建立在计算机软件、数据库基础上，通过数据计算、信息分析、虚拟模型等方式，为相关设计工作提供支持的综合性技术。在现代工业设计中，涉及到的设计要素较多，尤其是在精细化、精密化设计中，不仅要对各类要素进行科学融合，还要考虑美观度、实用性、安全性等方面的需求。显然，传统单纯依靠人员进行设计，设计效率和质量无法得到保障，甚至完全无法开展设计工作。从技术发展趋势来看，CAE与当下各个领域设计工作中常用的CAD软件有一定相关性，但其功能更为强大，且更为智能化，在以汽车、工程为代表的工业设计中有非常好的应用前景[1]。

二、CAE技术在汽车设计中的作用及应用价值分析

（一）兼顾多方面需求，提高设计效率

汽车是一种极其复杂的工业产品，一两普通家用汽车由超过一万个不同类型的零件、装置构成。从零部件的结构形式，到各个功能板块的协调运行，再到基于用户使用场景、维修场景的实用性需求，汽车设计需要考虑的内容非常复杂。显然，CAE技术的应用，事实上为设计人员提供了一个基础数据模型和技术模型，有利于快速进行参数整合、设计评估。同时，汽车设计往往需要负责多个板块的设计人员进行合作，而CAE技术应用场景下，可以通过计算机软件平台进行多方协作设计，提高沟通效率及设计效率[2]。

（二）降低设计风险，提高设计质量

汽车系统的设计，对各个板块的设计质量要求极高，任何失误都可能导致后续汽车制造乃至使用期间出现问题，造成严重后果。而在CAE技术应用背景下，可以基于标准化设计体系，对设计过程进行实时监测，对出现的异常参数发出预警，提醒设计人员进行处理。同时，在需要用到一些新的设计思路时，可以通过虚拟模型对设计思路可行性及合理性进行评估。在设计环节，可以辅助设计师进行设计优化，提高设计环节的可控性，降低设计风险。

（三）降低研发成本，提高行业效益

现代汽车设计事实上需要在相对清晰的技术基础、市场发展趋势背景下，对各类资源进行优化配置，在满足消费者需求、安全标准、技术应用标准的基础上，降低研发成本和造价。CAE技术的应用，可以便于设计人员综合各类技术、材料及市场分析报告，对设计方案的直接研发成本、远期成本进行分析，甚至可以配合市场部门进行市场前景分析。显然，这有助于提高汽车工业设计水平，降低汽车研发成本和造价，促进行业效益的全面提升[3]。

三、CAE技术在汽车设计中的应用要点

（一）构建车架有限元模型

现代汽车设计中，车架设计关系到汽车技术结构、外观效果、安全性能等环节，因此在车架设计中通过使用CAE技术，构建有限元模型。例如，通过CATIA软件，对汽车车架和主要构件进行模型建造，模拟车架梁体、主要承载构件及零件结构特征，结合各个构件的质量参数，模拟质心位置[4]。然后，对车架、轮胎及路面边界，使用刚性单元模拟轮胎，再通过弹簧单元模拟轮胎运行状况，让车架结构中各个组件形成有序整体。在安全设计方面，通过软件模拟汽车受到垂直冲击的工况，当压力作用于车架时，各个构建的受力情况及变形情况，借此分析该种设计方案下车架的静态安全因子值。比如，某小型汽车车架设计环节中，通过模拟垂直冲击工况，得出车架最小静态安全因子为1.005，超过材料及车架结构的安全系数，说明其符合安全要求。然后，再将车架四个轮胎升高0.2m，此时车架本身承受比较大的弯曲及扭转应力，测出纵梁最小静态安全因子参数为0.410，小于车架结构及材料的安全系数，说明在该工况下车架安全性是不足的，需要进行针对性优化。

（二）汽车安全设计及性能分析

在汽车设计中，安全设计是十分关键的环节，从局部到整体设计，都需要考虑其安全性。汽车碰撞及防撞性能试验十分重要，传统设计工作中，往往要按照设计方案制造实体样品来进行碰撞试验，效率低且会造成研发成本过高。而通过CAE技术的应用，可以直接通过软件模拟各种工况下汽车碰撞时各个位置的受力变形情况，并对安全防护系统的工作状况进行模拟分析。待持续优化到一个理想方案之后，再进行实物试验，通过该方式提高了安全设计效率和质量，同时也减少了研发成本。

（三）汽车定位误差建模

前文提到，汽车设计也涉及到大量精密设计内容，各个部件的定位精准性，会直接影响系统功能。在汽车基础构造及功能体系设计完毕之后，通过CAE软件模型，对各个部件及零件的定位点进行精确设计，降低组件定位误差，确保汽车制造质量达到设计要求。同时，通过全方位、精确性的模拟分析，避免铸件缺陷，减少试模次数，缩短汽车研发周期。这对降低研发成本、提高汽车企业市场竞争力，也有积极的意义。

结束语：

综上所述，如今社会经济快速发展的背景下，汽车工业也发展迅速，社会汽车保有量大幅度提升。为了满足市场越来越高的汽车使用要求，以及多样化的汽车应用需求，汽车设计工作越来越复杂化。在汽车设计中，CAE技术的科学应用，对提高设计效率、降低设计工作压力有积极意义，同时也有助于缩短汽车产品研发周期，降低研发成本，促进汽车行业的健康发展。

参考文献：

[1]刘同舟.基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计研究[J].黑龙江交通科技，2021，44（5）：121，123.

[2]赵战锋.基于气辅注射成型工艺CAE优化的汽车手柄模具设计[J].中国塑料，2020，34（3）：78-84.

[3]王国锋.CAE技术在汽车设计中的应用研究[J].时代汽车，2020（10）：96-97.

[4]何建林，白志鹏.基于Moldflow的汽车前格栅的CAE优化分析与模具设计[J].模具技术，2019（1）：27-31.

作者简介：刘钊，1989年6月，男，籍贯山东，硕士学位，工程师，研究方向为NVH和整车操控性能。