PEP中的CAE过程和必要的装备

在使用CAE时重要的是要很好再现工程实际的物理模型，还要具有高度的功能性和可靠性。这就要注意高度的可用性和与开发阶段有关的过程优化。相应地，在与项目时间表密切协调中选择CAE方法并与不断地对产品定义密切协调中细化CAE方法。在早期开发阶段，根据公式（见10.2节）检验和选择方案。典型的例子是车桥载荷分配、估计倾斜或所需冷却器网格数量。随着CAE过程的不断细化可以建立不同学科（项目）的计算模型。

PEP可分两个主要阶段：虚拟阶段和硬件试验阶段。两个阶段包含要采取产品决策的一些重要时间节点。这些时间节点用于各个专业领域之间开发过程的同步。虚拟阶段最重要的时间节点是方案开发阶段结束，这时计算结果将转入物理样车阶段（图10.3-1）。

图10.3-1 在产品设计过程（PEP）和时间节点（M）中，根据阶段使用仿真，以与开发过程同步（设计评审）

为使产品尽快达到成熟产品并使以后的修改费用最少，在设计中要不断注意设计成熟度问题。因此，在早的时间节点同步评价方案的功能状况和在设计的几何形状基础上表述功能是非常重要的。因为“虚拟世界”需要一定的建模时间（约4～6周），所以在设计评审的时间节点前就要对CAD状态“固化”，并用作CAE模型的基础。到评审的时间节点一般要报告整个数字模型（DMU—Digital Mock-up）的几何成熟度和计算的功能成熟度。联合企业范围联网的数据管理是必不可少的。

1.在不同的开发阶段使用CAE

图10.3-2 在方案阶段中参数化车身模型实例

（资料来源：奥迪公司）

（1）方案阶段 在早期方案阶段要确定几何细节，它们确定产品重要的潜在性能，如防碰撞性能、燃料消耗和行驶舒适性。因此，计算在设计和组装优化中起着特别重要的作用。当然，在早期方案阶段会出现问题，即还不可能根据精确的设计数据进行经典的CAE标准设计过程。补救办法是利用合适的先前模型或利用参数化的方案工具建立专门的方案模型。这样的工具可以用较少的单元（数量级1000）描述模块化的汽车方案（图10.3-2）。这些参数中的每一个参数相互作用而改变方案。由于参数改变而影响几何形状的相邻范围而自动地修改设计方案。如整体的汽车B柱在不到几分钟的计算时间内由于改变参数向后移动5cm，这在常规的CAD平台上计算过程要花费几天。集成的网络生成器可产生数字仿真的网格。缺点是模型只能在一定程度上反映规划汽车细节。但由于网格生成速度快而得到弥补^[2，3，36]。在以后的开发阶段可以建立精确的车身模型，并通过与底盘模型耦合而扩大为整车模型（见10.3.3小节）。

为改进方案阶段仿真预测品质，常采用“混合法”。通过对相应部件仿真计算或等效试验可保证带有这些验证部件的新开发方案或新开发材料的成功。如对易失效材料的材料试验，要对易变形件、弹性件和阻尼件特性参数以及建立的子硬件模型进行试验，以尽早校正计算模型。这样可大范围地节省样车试验和缩短试验过程。在一些项目中，如在开发底盘时通过早期附加的技术支撑可开发和保证各个性能。

（2）批量生产开发和试验阶段　经典的CAE过程有5个阶段：数据准备、连接、建模、计算和评价（后处理）。计算的数据准备是一个重要的“时间因素”。如果设计的零件数据和产品结构数据能很好地建立联系，则能很好地改进时间因素，即采用了一个产品数据管理（PDM）系统。在有限元计算或流动计算连接时会生成能计算的网格结构。只要将一些零件分配到多个子程序组中和平行地连接起来，这种连接过程可以缩短。未来，各个零件可自动连接，从而可减少连接时间。

在建立能计算的、由有限元网格组成的模型时，挑战（难点）在于尽可能顺利地建立整车模型。在开发过程不断进行时要将必要的修改加入到整车模型中（图10.3-3）。在计算后要将模型数据和结果数据归入数据管理中，且应能辨认它们是属于什么样的计算方案。数据管理系统可有效地支持计算工程师为原来的开发任务节省不少时间。

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图10.3-3 以前和现在的典型的有限元模型。几年前还是粗大的有限元模型，

现在则采用整车的有限元模型以评定众多的细节问题（资料来源：奥迪公司）

前提当然是在计算小组中评价标准和数据结构是约定好的。在后处理中，数据管理系统可自动地比较各个计算方案。这样还可相互比较各个项目的优劣，并可利用过去项目的一些诀窍。通过CAE数据库与试验部门的数据库系统的连接还可很快比较计算结果和试验结果。

在批量生产开发中，根据所选方案对汽车部件细调。当在设计部门通过目视化的CAE数据，以数字模型（DMU）设计评审和装配仿真的形式观察虚拟样车的可制造性时，试验方法就瞄准了要在样车上试验的那些功能上，如抗振舒适性、被动安全性、寿命的试验方法。仿真法提取CAD数据，从设计角度评价它们具有的详细度。通过使用功能强大的软件系统可从CAD数据中生成有限元计算网格或生成流动拓扑结构试验网格。

在试验阶段，仿真的任务是细调参数以帮助试验，必要时还要进行方案计算。在理想情况下，试验用以证明对早前的虚拟开发零件和最终的零件或系统的认可。为仿真，这时需要用试验的结果调节所用的模型，直至每一个细节。然后将这些模型输入到其他的项目开发中。

2.在企业中的CAE组织

为接受虚拟的同步化过程和方法挑战，需要进一步开发计算机辅助（CA）的总体组织。这样需要一个转化过程。在转化过程中常将CAE小组连在一起，以将必要的技术诀窍和必要的过程组合。方法开发小组和项目小组密切合作可更加接近实际，并容易将新方法嵌入到计算过程中。为保证仿真计算与设计和试验紧密衔接，并在开发过程中很好结合，则需要将仿真计算小组、设计小组和试验小组在空间上组织在一起，以保证频繁和直接的信息流交换（图10.3-4）。

图10.3-4 转变组织机构以开发闭式计算机辅助过程^[32]

在以后的步骤中又要将仿真计算分散到各专业部门。如果将试验小组和仿真计算小组合并，则可以快速、低成本地将所有的仿真计算和试验联系在一起，但要注意不要损失合并的初衷。必要时可以测定不同目标的每个功能，在目标冲突时要保证确定的整体方案。由于这一原因，除了在各个功能部门的仿真计算小组外，要有有效的集成计算小组。它特别是在早期开发阶段可试图平衡目标冲突。

3.CAE的计算机资源

CAE计算传统上是一个带专门计算单元（向量CPU）和大型计算机操作系统[大多为Unix（操作系统），但也有专用系统]的超级计算机的计算领域。几年来，系统结构明显变化。这是因为在台式计算机处理器浮点范围巨大增长的计算能力引起的。由于性价比很好并通过很多处理器连接（即集群），使它能达到一年前还不能想象的计算能力^[5]。因为计算机工业平均18～24个月更新计算机设备和大部分CAE仿真是平行进行的，所以汽车工业更新计算机设备也是这个趋势。在“X86系统”中选择Linux操作系统，它有突出的稳定性。因为操作系统原先为经典的Unix系统，所以可利用现有的各种工具和过程定义。

不断增加仿真的模型单元与达到的硬件和解算器特有的能力提升是对立的。目前碰撞分析模型单元可达到一百万个。每个单元计算时间达150ms。在8个处理器上典型的前碰撞计算约需22h。NVH（噪声/振动/不平顺性）模型单元与此相似。典型的车身动态计算在1个处理器上约需5h。计算流体动力学（CFD）模型单元可达34万个。整个的计算过程在64个处理器上约需24h。计算能力的不断提高可使模型方案越来越细致。