計(jì)算機(jī)技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)提升競爭力的主要手段之一。
最先將計(jì)算機(jī)技術(shù)引入工業(yè)應(yīng)用的是CAD（Computer?Aided?Design，計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)），使用計(jì)算機(jī)軟件直接從事圖形的繪制與結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)；然后是CAM（Computer?Aided?Manufacture，計(jì)算機(jī)輔助制造），使用計(jì)算機(jī)來操縱各式各樣的精密工具機(jī)器以制造不同的零件組；最后引入的是CAE（Computer?Aided?Engineering，計(jì)算機(jī)輔助工程），基于在產(chǎn)品分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)中的強(qiáng)大助理作用，自引入工業(yè)應(yīng)用以來得到了長足的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。
其中，對CAD的理解可分為三個(gè)層次，分別賦予"D"不同的解釋：“Drawing”、“Design”、“Development”，即“繪圖（先以擴(kuò)展到三維造型）”、“設(shè)計(jì)”、和“開發(fā)”。
當(dāng)前在以汽車工業(yè)為代表的諸多應(yīng)用領(lǐng)域中，往往更習(xí)慣于“Drawing”的理解方式，并據(jù)此劃分CAD和CAE的功能界限，形成CAD與CAE的相互驅(qū)動(dòng)，進(jìn)而決定了CAD與CAE的協(xié)同關(guān)系。
此外，在汽車工業(yè)應(yīng)用中，還有CAPP（Computer?Aided?Process?Planning，計(jì)算機(jī)輔助工藝計(jì)劃）、CAT（Computer?Aided?Test，計(jì)算機(jī)輔助測試）等計(jì)算機(jī)輔助手段。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，我們希望計(jì)算機(jī)能夠?qū)崿F(xiàn)CAD/CAE/CAT、CAD/CAPP/CAM的集成以縮短產(chǎn)品開發(fā)和制造的周期。
一、通用化CAD軟件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用
在汽車工業(yè)中常用的商業(yè)化通用CAD軟件有UG、CATIA、ProE等。
1、UG是美國UGS(Unigraphics?Solutions)公司的主導(dǎo)產(chǎn)品，是集CAD/CAE/CAM于一體的三維參數(shù)化軟件，是面向制造行業(yè)的CAID/CAD/CAE/CAM高端軟件,是當(dāng)今最先進(jìn),最流行的工業(yè)設(shè)計(jì)軟件之一.它集合了概念設(shè)計(jì).工程設(shè)計(jì),分析與加工制造的功能,實(shí)現(xiàn)了優(yōu)化設(shè)計(jì)與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的組合。被廣泛應(yīng)用于機(jī)械、汽車、航空航天、家電以及化工等各個(gè)行業(yè)。UG將CAD/CAM/CAE三大系統(tǒng)緊密集成，用戶在使用UG強(qiáng)大的實(shí)體造型、曲面造型、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖等功能時(shí)，可以使用CAE模塊進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和仿真模擬，以提高設(shè)計(jì)的可靠性；根據(jù)建立起的三維模型，還可由CAE模塊直接生成數(shù)控代碼，用于產(chǎn)品加工。?
2、CATIA是法國Dassault?System公司的CAD/CAE/CAM一體化軟件，居世界CAD/CAE/CAM領(lǐng)域的領(lǐng)導(dǎo)地位，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車制造、造船、機(jī)械制造、電子電器、消費(fèi)品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)與制造領(lǐng)域，其特有的DMU電子樣機(jī)模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動(dòng)著企業(yè)競爭力和生產(chǎn)力的提高。CATIA?提供方便的解決方案，迎合所有工業(yè)領(lǐng)域的大、中、小型企業(yè)需要。包括:從大型的波音747飛機(jī)、火箭發(fā)動(dòng)機(jī)到化妝品的包裝盒，幾乎涵蓋了所有的制造業(yè)產(chǎn)品。在世界上有超過13,000的用戶選擇了CATIA。CATIA?源于航空航天業(yè)，但其強(qiáng)大的功能以得到各行業(yè)的認(rèn)可，CATIA是汽車工業(yè)的事實(shí)標(biāo)準(zhǔn)，是歐洲、北美和亞洲頂尖汽車制造商所用的核心系統(tǒng)。CATIA?的著名用戶包括波音、克萊斯勒、寶馬、奔馳等一大批知名企業(yè)。其用戶群體在世界制造業(yè)中具有舉足輕重的地位。
CATIA?在造型風(fēng)格、車身及引擎設(shè)計(jì)等方面具有獨(dú)特的長處，為各種車輛的設(shè)計(jì)和制造提供了端對端（end?to?end?）的解決方案。CATIA?涉及產(chǎn)品、加工和人三個(gè)關(guān)鍵領(lǐng)域。CATIA?的可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時(shí)間。?一級(jí)方程式賽車、跑車、轎車、卡車、商用車、有軌電車、地鐵列車、高速列車，各種車輛在CATIA?上都可以作為數(shù)字化產(chǎn)品，在數(shù)字化工廠內(nèi)，通過數(shù)字化流程，進(jìn)行數(shù)字化工程實(shí)施。CATIA?的技術(shù)在汽車工業(yè)領(lǐng)域內(nèi)是無人可及的，并且被各國的汽車零部件供應(yīng)商所認(rèn)可。
3、Pro/Engineer是一套由設(shè)計(jì)至生產(chǎn)的機(jī)械自動(dòng)化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個(gè)參數(shù)化、基于特征的實(shí)體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。Pro/Engineer是采用參數(shù)化設(shè)計(jì)的、基于特征的實(shí)體模型化系統(tǒng)，工程設(shè)計(jì)人員采用具有智能特性的基于特征的功能去生成模型，如腔、殼、倒角及圓角，您可以隨意勾畫草圖，輕易改變模型。這一功能特性給工程設(shè)計(jì)者提供了在設(shè)計(jì)上從未有過的簡易和靈活。Pro/Engineer是建立在統(tǒng)一基層上的數(shù)據(jù)庫上，不象一些傳統(tǒng)的CAD/CAM系統(tǒng)建立在多個(gè)數(shù)據(jù)庫上。所謂單一數(shù)據(jù)庫，就是工程中的資料全部來自一個(gè)庫，使得每一個(gè)獨(dú)立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個(gè)部門的。換言之，在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的任何一處發(fā)生改動(dòng)，亦可以前后反應(yīng)在整個(gè)設(shè)計(jì)過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會(huì)自動(dòng)更新；組裝工程圖如有任何變動(dòng)，也完全同樣反應(yīng)在整個(gè)三維模型上。
這種獨(dú)特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設(shè)計(jì)的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設(shè)計(jì)結(jié)合起來。這一優(yōu)點(diǎn)，使得設(shè)計(jì)更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價(jià)格也更便宜。
二、通用化CAE/CAM軟件在汽車工業(yè)中的應(yīng)用
在汽車的開發(fā)中，CAE起到了重要作用。CAE是一個(gè)很廣的概念，從字面上講它可以包括工程和制造業(yè)信息化的所有方面。但是，傳統(tǒng)的CAE主要指用計(jì)算機(jī)對工程和產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)涉及缺陷，并證實(shí)未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性。所以，CAE是一項(xiàng)綜合應(yīng)用技術(shù)，它以解決具體工程問題為出發(fā)點(diǎn)，借助于計(jì)算機(jī)信息處理手段，集成應(yīng)用計(jì)算數(shù)學(xué)、計(jì)算力學(xué)等“單元”技術(shù)，形成系統(tǒng)化的技術(shù)解決方案以支持復(fù)雜工程或產(chǎn)品的優(yōu)化設(shè)計(jì)。計(jì)算數(shù)學(xué)與計(jì)算力學(xué)滲透于各個(gè)應(yīng)用分支，為具體工程問題的建模與求解提供了相應(yīng)的數(shù)學(xué)工具，從而構(gòu)成CAE軟件的核心計(jì)算方法。傳統(tǒng)觀點(diǎn)認(rèn)為CAE基本等同于有限元分析技術(shù)；如今的觀點(diǎn)認(rèn)為，CAE基本等同于計(jì)算力學(xué)手段及其綜合再加上優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。
目前，國內(nèi)汽車汽車工業(yè)進(jìn)行CAE分析以使用國外成熟的商業(yè)軟件為主，也有少量自編程軟件。常用的CAE軟件列舉如下：?
前后處理軟件：Heperworks、Patran?
碰撞分析：LS-Dyna、Pam-Crash、Radioss?
機(jī)械動(dòng)力學(xué)仿真：Adams?
非線性分析：Abaqus、Marc、Ansys?
疲勞分析：Fatigue?
流體分析：Fluent、Star-cd、AVL-Fire?
鍛壓過程分析：SuperForge
汽車內(nèi)噪聲預(yù)測分析：Akusmod?
多學(xué)科智能優(yōu)化：iSight
汽車自動(dòng)化建模：SOFY?
發(fā)動(dòng)機(jī)熱力學(xué)分析：GT-Power?
整車性能分析：GT-Drive?
當(dāng)前，CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品的開發(fā)過程中，需要解決的關(guān)鍵問題主要集中在以下五個(gè)方面：?
①系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析。主要分析汽車的行駛性、操縱性等，常采用多體（多剛體、多柔體）系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析方法。?
②疲勞壽命分析。汽車疲勞壽命分析主要研究汽車整車及各部件的動(dòng)、靜疲勞壽命。?
③碰撞分析。碰撞分析方法主要包括有限元法、多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)法河機(jī)械振動(dòng)學(xué)法。汽車碰撞分析主要進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究、碰撞生物力學(xué)研究和乘員約束系統(tǒng)及安全內(nèi)飾件研究。?
④NVH分析。工程中常用的NVH分析方法有：多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方法、有限單元法、邊界元法、統(tǒng)計(jì)能量分析法。?
⑤空氣動(dòng)力學(xué)分析。主要進(jìn)行汽車高速行駛時(shí)的氣動(dòng)噪聲分析，分析汽車高速行駛時(shí)空氣流場對操縱穩(wěn)定性的影響。?
在汽車CAE領(lǐng)域，在上述通用化商業(yè)化軟件得到廣泛應(yīng)用的同時(shí)，一些面向汽車產(chǎn)品設(shè)計(jì)開發(fā)領(lǐng)域特定問題的專用商品化軟件業(yè)得到了很好的發(fā)展，如：Adams/car（常與Matlab/simulink進(jìn)行聯(lián)合仿真）ADVISOR、PSAT等。?
主要軟件介紹如下：?
1、MSC.ADAMS?
MSC.ADAMS（Automatic?Dynamic?Analysis?of?Mechanical?Systems，機(jī)械系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)自動(dòng)分析）是一款功能完善的系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)分析軟件，是美國MSC.Sofeware公司的系列軟件產(chǎn)品之一。應(yīng)用它可以方便地建立參數(shù)化的實(shí)體模型，并采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)原理進(jìn)行仿真計(jì)算，進(jìn)行機(jī)電產(chǎn)品性能分析。
MSC.ADAMS軟件由基本模塊、擴(kuò)展模塊、接口模塊、專業(yè)領(lǐng)域模塊及工具箱5類模塊組成。?
在汽車領(lǐng)域SMC.ADAMS/Car的應(yīng)用已比較普遍。ADAMS/Car吸收了Audi、BMW、Renault和Volvo等汽車公司的設(shè)計(jì)開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，能夠快速建立高精度的車輛子系統(tǒng)模型和整車模型，可以通過高速動(dòng)畫直觀地再現(xiàn)各種工況下的車輛運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，并輸出表征穩(wěn)定性、制動(dòng)性、乘坐舒適性和安全性等的性能參數(shù)。?
2、ANSYS?
ANSYS是融合結(jié)構(gòu)、流體、電場、聲場分析于一體的大型通用有限元分析軟件，由美國ANSYS,Inc.公司開發(fā)。它能與大多數(shù)CAD軟件接口，如Pro/Engineer、Unigraphics、CATIA、I-DEAS、AtuoCAD等實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)共享與交換。ANSYS的基本功能包括：結(jié)構(gòu)靜力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、柔體運(yùn)動(dòng)分析、熱分析、電磁場分析、計(jì)算流體分析、聲場分析等。?
在運(yùn)用ANSYS進(jìn)行汽車設(shè)計(jì)中，前處理階段需要進(jìn)行“定義載荷信息”的操作，而載荷信息是否真實(shí)直接關(guān)系到分析結(jié)果的正確性和可用性。汽車仿真分析中，常從事先在ADMS/Car中建立的整車模型的相關(guān)仿真結(jié)果中提取所需要的載荷信息。?
3、MSC.NASTRAN?
MSC.NASTRAN是美國MSC.Sofeware公司推出的一款大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件。當(dāng)前，眾多企業(yè)和工業(yè)行業(yè)已將MSC.NASTRAN的計(jì)算結(jié)果作為標(biāo)準(zhǔn)代替其他質(zhì)量規(guī)范。MSC.NASTRAN具有開放性的結(jié)構(gòu)，全模塊化的組織形式使其不但擁有很強(qiáng)的分析能力而又能保證很好的靈活性，使用者可以根據(jù)自己的工程問題和系統(tǒng)需要通過模塊選擇和組合獲得最佳的應(yīng)用系統(tǒng)。此外，MSC.NASTRAN還為用戶提供了開發(fā)工具DMAP語言。?
MSC.NASTRAN與ANSYS同為大型通用有限元分析軟件，其功能和用途也有許多一致和相似之處。MSC.NASTRAN的主要功能包括：靜力學(xué)分析、屈曲分析、動(dòng)力學(xué)分析、非線性分析、熱傳導(dǎo)分析等。還能進(jìn)行諸如空氣動(dòng)力彈性及顫振分析、流固耦合分析、多體超單元分析、高級(jí)對稱分析、設(shè)計(jì)靈敏度分析及優(yōu)化設(shè)計(jì)等。
4、LMS.SYSNOISE?
LMS.SYSNOISE是比利時(shí)LMS公司開發(fā)的大型聲學(xué)分析軟件，用于計(jì)算聲場中任一點(diǎn)處的聲壓、聲輻射功率、聲強(qiáng)，結(jié)構(gòu)對聲場的輻射功率、能量密度，流體的模態(tài)，并能計(jì)算聲振耦合問題。還能與其他有限元軟件（如NASTRAN）相結(jié)合，進(jìn)行降噪優(yōu)化設(shè)計(jì)。?
LMS.SYSNOISE本身不具備前處理功能，但它能與眾多主流有限元分析軟件有界面程序連接，可由此讀取有限元的模型數(shù)據(jù)，以及模態(tài)、表面振動(dòng)速度等計(jì)算結(jié)果，從而提高建模速度。?
5.MATLAB/Simulink?
Simulink是Mathworks公司開發(fā)的動(dòng)態(tài)系統(tǒng)通用仿真軟件包。Simulink為用戶提供了用方塊圖進(jìn)行建模的圖形接口，只需點(diǎn)擊和拖動(dòng)鼠標(biāo)操作就可以完成復(fù)雜系統(tǒng)建模。它提供了一種更快捷、更直接明了的方式，而且用戶可以立即看到系統(tǒng)的仿真結(jié)果。?
在汽車電子產(chǎn)品開發(fā)設(shè)計(jì)中，往往需要將控制器與控制對象模型聯(lián)系起來實(shí)施仿真分析，以預(yù)估或評價(jià)整個(gè)車輛系統(tǒng)的控制效果。鑒于MATLAB/Simulink在控制器模型構(gòu)建方面具有獨(dú)特的優(yōu)勢，而ADAMS/Car則具有整車建模的方便性與完善性，常將二者聯(lián)合起來建立聯(lián)合仿真模型，以提高建模效率和仿真精度。
