導讀：CAE技術的應用幾乎貫穿著汽車研發設計的整個流程，在現代汽車產品設計中扮演的角色也越來越重要。特別是在試驗樣車和工裝樣車之前，通過CAE來驗證整車性能，并通過優化改進，可以大大降低整車開發問題的風險，提升開發效率，降低開發成本。
一般來說，CAE主要分布于概念設計階段、詳細設計階段、樣車階段、投產階段、改進階段。CAE作為計算機輔助工程，也只能是這幾個階段中的一部分，有CAE則必有設計，有設計則總是需要CAE來輔助，設計出來的產品需要制造，制造出來后又需要試驗來驗證，因此設計-CAE-試驗，構成一個產品設計的回路。
傳統的汽車CAE分析，我們按照計算類型的不同來進行分類，分別是剛強度分析、NVH分析、疲勞耐久分析、碰撞安全分析、流體分析。
一、鋼強度分析
剛度是結構在正常工作時的許可變形量，用剛度表示結構抵抗變形的能力, 剛度是結構在外力作用下發生單位變形所需要的力。我們更關注變形量，簡單來說剛度好就是變形量不能大；強度是結構在正常工作時能承受的載荷，一般用工作應力的峰值來表示結構強度的水平。我們更關注應力是否超過材料本身的屈服極限或者強度極限。簡單來說強度好就是不能壞。剛度和強度可能完全是同一個模型，只是我們關注的點不一樣而已。很多時候，工程師是兩個點（宏觀變形量，微觀應力）都關注的，因此，剛度強度也就不區分了，干脆合到一起，叫剛強度了。
二、NVH分析
汽車在外載荷（路面激勵、發動機的怠速和工作轉速的激勵）的作用下發生振動，用有限元分析的方法識別汽車結構的模態參數（振型、頻率和阻尼），對汽車結構的振動噪聲和舒適性（NVH，Noise、Vibration，Harshness）進行分析。好的NVH設計，會讓車內的人感覺到更平穩，更安靜，更舒服。汽車NVH是個很龐大的家族。比如白車身NVH、發動機NVH、動力總成的懸置系統NVH、進排氣系統NVH、路面-輪胎-懸架系統的NVH、傳動系統NVH、整車NVH等，整體來講的研究思路就是先解決各個子系統的NVH問題，再整合起來解決匹配后的NVH問題。
三、疲勞耐久分析
疲勞耐久性能是指汽車在正常的使用條件下，各主要結構部件在功能失效前所經歷的時間，評價指標為失效時的行駛里程數。目前采用的CAE方法是利用道路試驗所采集的載荷，計算車身及關鍵部件連接處載荷的時間歷程，用有限元方法計算單位載荷作用下的應力應變，結合材料的疲勞破壞試驗曲線，計算車身及其他關鍵部件的疲勞壽命，從而減少道路模擬試驗。疲勞耐久性問題是任何機械產品都會面臨的問題，無論是燃油汽車還是新能源汽車也都逃不開這個問題。
四、碰撞安全分析
汽車安全通常可以概括為主動安全與被動安全兩塊。主動安全領域更多的是涉及電子和軟件控制模塊，對控制模型的建立和程序的測試；而在被動安全領域則涉及到汽車碰撞、約束系統的設計開發、車身的性能優化、材料性能研究等等，在碰撞時，車身結構、駕駛系統、座位等能吸收較高能量，緩和沖擊；二是發生事故時，確保車內乘員生存空間、安全氣囊、座椅安全帶等對乘員的保護功能，以保證乘員安全并在碰撞后容易進行車外救助和脫險。這些方面均需要利用CAE技術進行仿真建模分析，不僅重要而且投入巨大。各個國家都有自己強制性的標準，同時也催生了開展新車評價規程（NCAP- New Car Assessment Program）的相關組織和機構，我國則是由中汽中心主導的C-NCAP，面向社會測試發布新車安全性能。目前CAE分析已成為設計中的一項不可或缺的流程，幾乎每一款車型都要進行碰撞安全CAE仿真分析，也積累了豐富的標桿車型和開發車型的分析經驗和數據，可以根據不同需求設計出合理的安全車身結構，以滿足法規及C-NCAP要求。
五、流動分析
流場分析是基于計算流體力學 (CFD) 的分析方法。在汽車開發過程中的應用主要集中在：汽車外流分析，以得到較低的空氣阻力系數；發動機艙的流場分析，使得發動機艙有暢通的流場分布，將發動機產生的熱量高效地帶出發動機艙，使得周圍部件及駕駛室不至于過熱；車內乘員空間的冷熱舒適及風窗玻璃除霜除霧分析；發動機燃燒及排放分析；以及發動機進排氣及水套流場分析。其中汽車空氣動力學的研究將影響整車的造型、風阻、經濟性、風噪等，市面上很多車體造型炫酷，流線動感，各種空氣動力學組件使用都是基于提升整車空氣動力學性能。
六、結語
本文僅從宏觀的角度上來描述汽車開發中涉及的CAE分析內容，也僅描述目前做得比較成熟的領域，除了這五大領域，也有一些前沿的CAE領域探索，比如多學科聯合仿真、多場耦合、仿真流管理、仿真自動化等。總之，CAE是個很大的世界。
來源：工程師聯盟
