計算機技術(shù)已成為現(xiàn)代工業(yè)提升競爭力的主要手段之一。

最先將計算機技術(shù)引入工業(yè)應用的是CAD（Computer?Aided?Design，計算機輔助設計），使用計算機軟件直接從事圖形的繪制與結(jié)構(gòu)的設計；然后是CAM（Computer?Aided?Manufacture，計算機輔助制造），使用計算機來操縱各式各樣的精密工具機器以制造不同的零件組；最后引入的是CAE（Computer?Aided?Engineering，計算機輔助工程），基于在產(chǎn)品分析和優(yōu)化設計中的強大助理作用，自引入工業(yè)應用以來得到了長足的發(fā)展和廣泛的應用。

其中，對CAD的理解可分為三個層次，分別賦予"D"不同的解釋：“Drawing”、“Design”、“Development”，即“繪圖（先以擴展到三維造型）”、“設計”、和“開發(fā)”。

當前在以汽車工業(yè)為代表的諸多應用領域中，往往更習慣于“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，進而決定了CAD與CAE的協(xié)同關(guān)系。

此外，在汽車工業(yè)應用中，還有CAPP（Computer?Aided?Process?Planning，計算機輔助工藝計劃）、CAT（Computer?Aided?Test，計算機輔助測試）等計算機輔助手段。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，我們希望計算機能夠?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,是當今最先進,最流行的工業(yè)設計軟件之一.它集合了概念設計.工程設計,分析與加工制造的功能,實現(xiàn)了優(yōu)化設計與產(chǎn)品生產(chǎn)過程的組合。被廣泛應用于機械、汽車、航空航天、家電以及化工等各個行業(yè)。UG將CAD/CAM/CAE三大系統(tǒng)緊密集成，用戶在使用UG強大的實體造型、曲面造型、虛擬裝配及創(chuàng)建工程圖等功能時，可以使用CAE模塊進行有限元分析、運動學分析和仿真模擬，以提高設計的可靠性；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領域的領導地位，廣泛應用于航空航天、汽車制造、造船、機械制造、電子電器、消費品行業(yè)，它的集成解決方案覆蓋所有的產(chǎn)品設計與制造領域，其特有的DMU電子樣機模塊功能及混合建模技術(shù)更是推動著企業(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)領域的大、中、小型企業(yè)需要。包括:從大型的波音747飛機、火箭發(fā)動機到化妝品的包裝盒，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)，但其強大的功能以得到各行業(yè)的認可，CATIA是汽車工業(yè)的事實標準，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?在造型風格、車身及引擎設計等方面具有獨特的長處，為各種車輛的設計和制造提供了端對端（end?to?end?）的解決方案。CATIA?涉及產(chǎn)品、加工和人三個關(guān)鍵領域。CATIA?的可伸縮性和并行工程能力可顯著縮短產(chǎn)品上市時間。?一級方程式賽車、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，進行數(shù)字化工程實施。CATIA?的技術(shù)在汽車工業(yè)領域內(nèi)是無人可及的，并且被各國的汽車零部件供應商所認可。

3、Pro/Engineer是一套由設計至生產(chǎn)的機械自動化軟件，是新一代的產(chǎn)品造型系統(tǒng)，是一個參數(shù)化、基于特征的實體造型系統(tǒng)，并且具有單一數(shù)據(jù)庫功能。Pro/Engineer是采用參數(shù)化設計的、基于特征的實體模型化系統(tǒng)，工程設計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計者提供了在設計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庫，使得每一個獨立用戶在為一件產(chǎn)品造型而工作，不管他是哪一個部門的。換言之，在整個設計過程的任何一處發(fā)生改動，亦可以前后反應在整個設計過程的相關(guān)環(huán)節(jié)上。例如，一旦工程詳圖有改變，NC（數(shù)控）工具路徑也會自動更新；組裝工程圖如有任何變動，也完全同樣反應在整個三維模型上。

這種獨特的數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)與工程設計的完整的結(jié)合，使得一件產(chǎn)品的設計結(jié)合起來。這一優(yōu)點，使得設計更優(yōu)化，成品質(zhì)量更高，產(chǎn)品能更好地推向市場，價格也更便宜。

二、通用化CAE/CAM軟件在汽車工業(yè)中的應用

在汽車的開發(fā)中，CAE起到了重要作用。CAE是一個很廣的概念，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主要指用計算機對工程和產(chǎn)品進行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運行行為進行模擬，及早發(fā)現(xiàn)涉及缺陷，并證實未來工程、產(chǎn)品功能和性能的可用性與可靠性。所以，CAE是一項綜合應用技術(shù)，它以解決具體工程問題為出發(fā)點，借助于計算機信息處理手段，集成應用計算數(shù)學、計算力學等“單元”技術(shù)，形成系統(tǒng)化的技術(shù)解決方案以支持復雜工程或產(chǎn)品的優(yōu)化設計。計算數(shù)學與計算力學滲透于各個應用分支，為具體工程問題的建模與求解提供了相應的數(shù)學工具，從而構(gòu)成CAE軟件的核心計算方法。傳統(tǒng)觀點認為CAE基本等同于有限元分析技術(shù)；如今的觀點認為，CAE基本等同于計算力學手段及其綜合再加上優(yōu)化設計技術(shù)。

目前，國內(nèi)汽車汽車工業(yè)進行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?

機械動力學仿真：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)噪聲預測分析：Akusmod?

多學科智能優(yōu)化：iSight

汽車自動化建模：SOFY?

發(fā)動機熱力學分析：GT-Power?

整車性能分析：GT-Drive?

當前，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方面：?

①系統(tǒng)動力學分析。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)動力學分析方法。?

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、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)動力學法河機械振動學法。汽車碰撞分析主要進行車身結(jié)構(gòu)的耐撞性研究、碰撞生物力學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)動力學方法、有限單元法、邊界元法、統(tǒng)計能量分析法。?

⑤空氣動力學分析。主要進行汽車高速行駛時的氣動噪聲分析，分析汽車高速行駛時空氣流場對操縱穩(wěn)定性的影響。?

在汽車CAE領域，在上述通用化商業(yè)化軟件得到廣泛應用的同時，一些面向汽車產(chǎn)品設計開發(fā)領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，機械系統(tǒng)動力學自動分析）是一款功能完善的系統(tǒng)動力學分析軟件，是美國MSC.Sofeware公司的系列軟件產(chǎn)品之一。應用它可以方便地建立參數(shù)化的實體模型，并采用多剛體系統(tǒng)動力學原理進行仿真計算，進行機電產(chǎn)品性能分析。

MSC.ADAMS軟件由基本模塊、擴展模塊、接口模塊、專業(yè)領域模塊及工具箱5類模塊組成。?

在汽車領域SMC.ADAMS/Car的應用已比較普遍。ADAMS/Car吸收了Audi、BMW、Renault和Volvo等汽車公司的設計開發(fā)經(jīng)驗，能夠快速建立高精度的車輛子系統(tǒng)模型和整車模型，可以通過高速動畫直觀地再現(xiàn)各種工況下的車輛運動學和動力學仿真，并輸出表征穩(wěn)定性、制動性、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)靜力學分析、結(jié)構(gòu)動力學分析、結(jié)構(gòu)非線性分析、柔體運動分析、熱分析、電磁場分析、計算流體分析、聲場分析等。?

在運用ANSYS進行汽車設計中，前處理階段需要進行“定義載荷信息”的操作，而載荷信息是否真實直接關(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。當前，眾多企業(yè)和工業(yè)行業(yè)已將MSC.NASTRAN的計算結(jié)果作為標準代替其他質(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：靜力學分析、屈曲分析、動力學分析、非線性分析、熱傳導分析等。還能進行諸如空氣動力彈性及顫振分析、流固耦合分析、多體超單元分析、高級對稱分析、設計靈敏度分析及優(yōu)化設計等。

4、LMS.SYSNOISE?

LMS.SYSNOISE是比利時LMS公司開發(fā)的大型聲學分析軟件，用于計算聲場中任一點處的聲壓、聲輻射功率、聲強，結(jié)構(gòu)對聲場的輻射功率、能量密度，流體的模態(tài)，并能計算聲振耦合問題。還能與其他有限元軟件（如NASTRAN）相結(jié)合，進行降噪優(yōu)化設計。?

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)、表面振動速度等計算結(jié)果，從而提高建模速度。?

5.MATLAB/Simulink?

Simulink是Mathworks公司開發(fā)的動態(tài)系統(tǒng)通用仿真軟件包。Simulink為用戶提供了用方塊圖進行建模的圖形接口，只需點擊和拖動鼠標操作就可以完成復雜系統(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)設計中，往往需要將控制器與控制對象模型聯(lián)系起來實施仿真分析，以預估或評價整個車輛系統(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。