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汽车工业CAE解决方案
摘要:本文介绍了CAE在汽车工业中的重要作用和地位,同时对汽车研究设计的具体内容和相关CAE软件的对应关系进行了具体分析。针对目前几种典型的应用需求,本文给出了曙光相应的解决方案,并列举了之前的一些成功案例供参考。
关键词:CAE、汽车、高性能计算
CAE简介
CAE〔ComputerAidedEngineering〕即计算机辅助工程,广义的CAE应该包括计算机辅助于工程和产品研发的所有方面,但是传统的CAE主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与平安可靠性进行计算分析;进而扩充到对未来产品的工作状态和运行行为进行模拟仿真,及早发现设计缺陷,改良和优化设计方案,证实未来工程和产品的可用性与可靠性;并对工程的施工过程和产品的加工、成型过程进行模拟仿真,优化工艺流程,提高工程或产品的质量和生产效率。
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CAE起源于20世纪50年代中期。实用的CAE软件诞生于20世纪70年代初期。从1970年到1985年的15年间,是CAE软件的功能和算法的扩充和完善期,到了20世纪80年代中期,国际上逐步形成了数十个商品化的通用和专用的CAE软件。
CAE是工程科学家进行科学和技术研究的三大手段之一,可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学奥秘和科学规律;同时也是支持工程师进行创新设计的最重要的工具和手段,其应用领域越来越大,已广泛应用于航空航天、汽车、土木、机械、材料分析等诸多领域,成为结构性能分析与仿真的一种非常有效的手段,也是现代设计方法中的一个重要领域。
汽车工业与CAE
汽车工业代表着一个国家制造业开展的水平,它不仅是带动面最广泛的工业,而且是高新技术的最大载体,一般航空、航天领域的高精尖技术只有通过汽车工业才能转化为规模产业,所以汽车工业是或曾是几乎所有兴旺国家的支柱产业。作为制造业的中坚,汽车工业一直是CAE应用的先锋。CAE技术的应用,有效地推动了汽车制造业的前进;汽车业的需求也极大地带动了CAE。多年来,汽车业的选型趋向一直是CAE技术开展的晴雨表,也是业内人士关注的焦点。
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在汽车产品的研发过程中,CAE已经成为设计链中必须的条件,没有CAE分析的设计就不能进入下一个技术流程。新产品开涉及到的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题,可成熟地在设计阶段解决,这样就可以大幅度提高设计质量,缩短产品开发周期,节省大量开发费用。
汽车工业CAE应用分类
CAE分析贯穿了汽车开发的全过程,小到螺栓预紧力分析,大到整车碰撞模拟和整车NVH〔噪声、振动和声振粗糙度〕分析,CAE分析都发挥了无可替代的优势和作用。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动平安、工艺、整机合整车性能等方方面面。概括起来,目前汽车开发过程中的CAE分析主要包括:
结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计。汽车结构有限元分析的应用表达于:一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析;二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中,用有限元法作为结构分析的工具;三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析,同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态,进一步计算出各构件的动态响应,较真实地描绘出动态过程,为结构的动态设计了提供方便。
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噪声、振动与不平顺性(NVH)分析。有限元法除了广泛应用于汽车结构分析外,还可应用于车身内的声学设计,通过车身内声模态与整机模态的耦合,评价乘员感受的噪声,并进行噪声控制。
疲劳寿命与可靠性分析。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段,要求汽车在设计的使用期内整车和零部件完好,不产生疲劳破坏;而到达使用期后,零部件尽可能多地到达损伤。以求产品轻量化,节约材料和节省能源。
碰撞与平安性分析。汽车模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动平安性能。对于汽车被动平安性能的要求,一是在碰撞时,车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量,缓和冲击;二是发生事故时,确保车内乘员生存空间、平安气囊、座椅平安带等对乘员的保护功能,以保证乘员平安并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。
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气动或流场分析。随着计算机技术的飞速开展,应用计算流体力学(CFD)方法来预测汽车车身外部流场已成为可能。CFD在汽车领域中的绝大局部应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。在内燃机的设计和开发中,CFD已经被作为一种重要而有效的工具加以利用。
汽车的可操纵性分析。车辆的可操纵性分析是指利用整车多体动力学模型,在驾驶人员采用不同驾驶方法的情况下,对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究,还可以预测车辆在各种极限条件下的性能。
整车性能的分析评价与预测。从整体的角度对汽车的各种性能进行分析和预测,包括汽车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞平安性等。
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汽车工业常用CAE软件
目前,国内汽车工业进行CAE分析以使用国外成熟的商业软件为主,也有少量自编程软件。常用的CAE软件如下:
前后处理Hyperworks,Patran
碰撞分析LS-Dyna,Pam-Crash、Radioss
机械动力学仿真Adams
非线性分析Ansys,Abaqus,Marc
疲劳分析Fatigue
流体分析Fluent,Star-cd,AVL-Fire
锻压过程仿真SuperForge
汽车内噪音预测分析Akusmod
多学科智能优化iSight
汽车自动化建模SOFY
发动机热力学分析GT-Power
整车性能分析GT-Drive
……
曙光的汽车CAE解决方案
由于受到计算机硬件价格和技术的制约,早期的汽车CAE软件大多运行在工作站甚至是配置较高的个人PC机上
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。然而,随着汽车设计对CAE计算精度要求的日益提高,CAE的计算规模和复杂程度迅速增长,个人PC机早已不能满足应用需求,目前大局部的汽车CAE软件都在高性能效劳器上进行。针对不同的汽车CAE软件和不同的计算规模,曙光公司给出了以下几种典型方案供用户参考:
方案一
个人工作站
节点型号
A440r-F〔1台〕
根本配置
CPU:2*AMDOpteron2000
内存:8~16G
硬盘:4*SATA(Raid0)
OS:WindowsXP64bit
专业图卡:NvidiaQudroFX1500-5500〔256MB-1GB〕
适用范围
小规模汽车CAE模拟
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适用软件
Hyperworks、Patran、Fluent、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、Radioss等
方案二
工作组效劳器-SMP
节点型号
A950r-F〔1台〕
根本配置
CPU:8*AMDOpteron8000
内存:32~64G
硬盘:4*SCSI/SAS(Raid0)
OS:RedHat/SuSe/WCCS
适用范围
隐式结构分析软件的中、大规模计算
适用软件
Ansys、Abaqus、Marc、Nastran
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等
方案三
工作组效劳器-Cluster
节点型号
A950r-F(1台)+820r-F(4台)
+
根本配置
A950r-F:
CPU:8*AMDOpteron8000
内存:32~64G
硬盘:4*SCSI/SAS(Raid0)
A820r-F:
CPU:4*AMDOpteron8000
内存:16~32G
硬盘:1*SCSI
OS:RedHat/SuSe/WCCS