現代汽車開發是一個綜合與分析的互逆過程。綜合與分析在汽車產品開發的不同階段，發揮不同的作用，從概念設計到詳細設計的開發流程，實際是一個從系統綜合到系統分析的流程。在開發階段初期，有充分的設計自由度，但有關設計的參數、數據則較少，我們關注的是產品的整體性能，例如：平順性、操縱穩定性等，利用Nasran軟件，我們能夠在設計初期結合試驗數據、客戶意見反饋設定好整車設計性能指標（設計目標）；在詳細結構設計階段，根據整車性能指標，逐級分解到車身、底盤等各個子系統、零部件上，最終體現在結構的各個設計參數上。

汽車結構設計過程

        現在國內產品設計更加整合已有資源、優化配置，更加強度產品的整體性能，比如平順性、操縱穩定性，高端的在整車NVH方面有更高的要求。無論是商用車還是乘用車，車身設計一直是現代整車設計的核心技術，有限元在車身設計發揮的作用遠超過其他方面，下文結合IDEAS CAE、Nastran軟件介紹有限元在車身設計的各個階段發揮的不同作用。

1.1 整車性能設計

        汽車的平順性主要是指保持汽車在行駛過程中產生的振動和沖擊環境對乘員舒適性的影響，是現代高速汽車的主要性能之一。研究對象主要是整車懸架系統、前后軸荷、整車慣性質量等，利用IDEAS CAE人性化的前處理界面和Nastran豐富的單元庫，能在概念設計階段快速、準確的建立多自由度整車和動力系統模型，進行模態、瞬態響應、隨機響應分析，對整車系統的平順性、人體的響應做出評估；結合試驗、先期客戶反饋意見、專業人士主觀評價，設立設計目標，指導后繼結構設計。

        利用Nastran提供的SOL 200求解序列，可以以懸架系統的剛度、阻尼為設計變量，根據國家標準化組織的要求對各個頻段頻率進行加權優化，設計出平順性最佳的前后懸架剛度、阻尼系數。有限元模型、部分計算結果見下圖。

2.2 車身結構設計

    2.2.1車身截面、接頭設計

    接頭（Joint）和梁（Beams）是決定整車剛度和全局模態的主要因素，它們控制著整車低頻的Boom和振動（Shake）；截面特性（Section Property）決定了梁的特性。因此，通過對截面形狀、厚度以及結構特性的分析，在汽車概念設計階段，初步估計和評價標桿樣車的主要承載結構的抗彎、抗扭模量、截面面積，對整車的部件的設計和結構改進有著重要的指導意義。IDEAS CAE提供了豐富的截面庫，同時，允許用戶建立任意形狀的梁截面，根據下式計算梁的截面屬性：

                                                                         圖三 Ideas中梁截面計算公式

                                                                           圖四 Ideas中梁截面計算

圖5 Ideas中梁截面計算

2.2.2 車架、車身模態分析

         車身設計應滿足車身剛度和強度設計要求。

         剛度不足，將會引起車身的門窗、發動機艙口等發生變形，導致玻璃破碎、車門卡死等現象；同時，低剛度必然伴隨低的固有頻率，易發生結構共振和噪聲，影響人的乘坐舒適性。利用Nastran SOL103 進行結構、聲腔模態求解，可以在設計初期識別系統整體、局部模態頻率、振型；結合整車設計要求，對不同頻率、各個子系統之間的相互作用做出評估，從而采取合適的設計策略合理的分布車身系統的頻率；同時根據計算結果，對于影響室內噪聲的部位，在考慮成本、安裝條件、設計目標的選取合適的阻尼材料，達到最優的減振、降噪目的。

         現代車身用骨架構件加薄鋼板互相連接，形成承載結構的“網絡”，它們之間互相依存。車身設計十分強調承載結構的合理性，不論受靜力還是受變化的力，車體本身各部分都要和諧地變形，沒有特別薄弱的環節。利用模態分析，可以幫助設計工程師確定車身薄弱環節，在最少的設計循環下，找到合理的改進措施。

        利用UGS的IDEAS CAE軟件，可以模擬焊點聯接，它提供通用的兩種模擬方法CWELD和ACM2，并且焊點的生成與網格無關，能夠輕松的實現設計更改而不必重新做焊點。其有限元模型的裝配管理模式，可以方便的實現三維CAD數據和CAE有限元模型的關聯，當三維模型幾何、定位發生改變時，只要點取有限元裝配更新，不必重頭再做，提高了工作效率。

                                                            圖六  車架、車身結構有限元模型模態振型

                                                                      圖7  車身聲腔限元模型模態振型

         通過車身結構、車身聲腔模態分析，可以發現二者之間的耦合關系，為車身NVH設計提供指引；通過車身、車架模態分析可以為車身懸置位置布置提供指導。

         強度不足則引起車身構建早期出現裂紋和疲勞斷裂。利用Nastran SOL101 進行強度分析，可以在設計階段提前發現車身構件的薄弱環節、剛度變化是否合適，快速實現各個設計之間的對比，減少設計開發的盲目性。

圖8  車身地板強度分析應力云圖

2.3 整車有限元分析

         在IDEAS CAE模塊中建立整車模型，通過強度、剛度計算，可以發現各個部件之間、各個系統的力的傳動關系，檢驗與設計目標是否相符；通過模態分析，可以發現各個系統之間的頻率分布，指導NVH設計。結合Nastran SOL200 可以同時考慮模態、整體剛度、關鍵部位強度對各個部件的設計靈敏度等進行計算，在保證強度的前提下，進行減重設計、部件優化。

結論

         福田公司通過在開發過程中開展CAE工作，提高了產品開發質量、縮短了產品開發周期、節約了產品開發經費。概括起來，采用CAE的優點如下：

    1、 采用計算機輔助工程（CAE）手段，可以在樣品、樣車之前，模擬零部件甚至整車的性能和工作狀況，避免傳統上的設計－試制－測試－改進設計－再試制的重復過程。減少了時間上的浪費、縮短了開發周期，減少了人力、物力和財力上的消耗而減低開發費用。

    2、 國內設計部門隨著三維設計的普及，為開展CAE工作奠定了基礎，使開展同時工程成為可能；同時，在開發過程中應用CAE技術，也改變了CAD在開發中只進行幾何模型定義，在開發同時進行功能設計、性能設計。

    3、 在產品開發過程中開展CAE工作，改變了傳統設計中的依靠經驗進行定性分析、缺少定量數據的設計方法，使產品減重、性能優化成為可能；同時，采用CAE計算能在短時間內嘗試和比較更多的設計方案，因而有可能獲得較佳甚至最優的設計而提高開發質量。