ANSYS对中国汽车工业的解决方案

ANSYS对中国汽车工业的解决方案
2005-3-21
美国ANSYS股份有限公司
一、中国汽车工业现状
中国汽车特别是轿车工业有了巨大发展，到2000全年整车产量达206.9万辆，车型由单一品种发展到客货并重、大中小系列产品的可喜局面。

但是，和市场要求比，产品技术水平差距还很大。

在国内外汽车市场激烈竞争的局面下，产品技术质量已成为各厂家的第一生命线。

国外名厂已进入我国汽车业，合资产品已大批量投产。

但是基本上还是走“散件装车-引进消化图纸-逐步国产化”的道路。

造成了“产品批量生产之时即是市场淘汰之日”被动的局面，实践证明这种CKD(Complete knock down)方式是装不出自己的汽车工业的。

中国汽车的一个重要战略制高点－自主的产品开发能力尚未形成。

“中国汽车必须建立自主的产品开发能力！”已是政府和企业的共识。

CAE 技术可以在提高产品质量和建立产品开发能力方面，对汽车企业提供极大帮助。

ANSYS是最早通过ISO9001质量认证的设计分析软件，其全面的分析功能涉及结构、疲劳、热、流体、电磁场、碰撞、板金成形等汽车行业所需的各种分析仿真功能，产品应用的深度、广度、解算结果的高精度及其图形界面的易学易用，已经使之成为汽车产品开发必不可少的伙伴。

国际上，在广泛应用ANSYS进行产品开发的企业中，有限元分析已是设计链中必须的常规，没有有限元分析的设计不能进入下一个技术流程。

新车开发中的疲劳、寿命、振动、噪声等强度和刚度问题，可成熟地在设计阶段解决，大幅度提高了设计质量，缩短了产品开发周期，节省大量开发费用，同时避免了产品投放市场初期常常出现的质量问题而影响新产品的声誉。

这就可以使得企业集中力量于汽车的环保、节能和安全等现代汽车设计主题研究。

可以说，没有CAE应用，则没有产品的高质量，没有CAE则没有自主的产品开发能力。

二、现代汽车设计的新特点
现代汽车向清洁、节能、安全和智能方向发展。

夹在质量和成本间的汽车设计数据空间越来越少。

这就提出了精益设计等一系列课题，主要表现是：
1．电子和电器产品比重不断加大。

新的电磁产品例如：电喷、ABS、安全气囊开起等等控制系统核心都是电磁产品。

汽车机电一体化速度加快。

汽车电子产品，工作条件恶劣同时对产品性能和可靠性的要求又极为严格，产品一旦失效，将造成对安全的威胁，所以汽车的电磁分析及电磁兼容性（EMC）研究已提到了议事日程。

EMC 研究涉及电－磁－热－流体－压电－结构的多学科交叉分析。

传统的有限元分析软件已不能满足电磁产品精益设计要求。

具有多物理场仿真功能的有限元分析软件ANSYS为此提供了合适的工具。

在设计中，采用场—路
结合的方法模拟电机电磁场
分析，取得部件磁场分布。

例
如：气隙磁场、转子力矩、空
载及负载的特性帮助产品设
计。

Fisher公司使用ANSYS
图1 电机实物图2磁场分布
分析轻而易举地解决了电动
机定向晶粒钢材非线性磁流限值问题，达到提高钢材磁密度的同时减少铜线的损失，设计轻
量化电机。

2．非线性分析进入实用化。

世界事物的本质是非
线性的。

传统设计中常常简化为线性，是因为过去非线
性分析往往无法实现。

现在，精益设计呼唤非线性分析。

ANSYS软件强大方便的非线性能力满足了这个要求。

图
6 为一少片弹簧的非线性分析例题。

3．系统分析成广范应用汽车结构是一个复杂的系统。

相关部件间的载荷传递，一般无明确的规范，单零部件
的工况就不甚明确，这给汽车另部件分析增加了困难；
而今ANSYS为汽车业提供的解决方案允许将分析对象
扩大至总成系统、直至整车。

从而绕过了零部件内部复
杂的受力关系这一难题。

使得分析结果更加符合实际。

4．动力学分析和弹性体分析
结合。

传统上动力学分析对象
只能是刚体，应力分析的弹性
体只能是被约束的。

例如图7
的悬挂系统的动力学分析现
在不需要对各机构部件刚化，
可以在考虑结构弹性的同时
分析其运动情况和工作时间
的应力响应。

可以大幅度提高
分析精度。

三、ANSYS在汽车工程中的应用
目前，国际上大多数企业将新产品开发工作分为四个主要阶段：开发时间18-36个月。

第一阶段－市场策划阶段。

通过市场调研，设定市场定位，建立新产品目标。

第二阶段－概念设计和可行性研究：ANSYS的引入对降低开发成本、缩短研制周期是
效果最为显著的阶段。

ANSYS可以帮助总设计师
粗略确定车身、发动机等主要总成
的拓扑和结构参数。

分析虽然不是
最后精确的结果，但可以使总师作
到“心中有数”，以便能够向设计
工程师布置明确的设计任务，分配
强度、刚度、质量等设计控制指标，
中国船舶七院712所，应用ANSYS对同步电动机磁场分析和优化设计，效果良好图3 空载轴向磁感应势图4 负载轴向磁感应势图5总体结果
图6抛物线形少片弹簧
图7 双横臂式前悬挂系统图8 悬挂车轮系统分析结果
从而保证设计控制指标既是高水平的又是可行的。

（图9、10）。

第三阶段－产品设计和原型车确认：大量应用ANSYS 的阶段，是得到优化设计的关键 ANSYS 支持全部产品零部件设计，帮助工程师应用现代技术进行强度、刚度校核和优化设计，保证产品设计水平。

第四阶段－确认设计，解决设计存在的问题，针对样车试验中暴露的问题，ANSYS 可以进行专项分析，诊断问题原因、验证对策可行性，将问题解决在市场投放之前。

这个阶段已经有完全的技术资料，所以进行各种更详细、更精确的分析，建立评价标准和结果档案。

四、 ANSYS 对整车分析的解决方案
现代汽车设计以整车为对象的分析提到了实用阶
段。

ANSYS “虚拟实验场”代表了整车分系统析软件的
新高，它包括结构、连接件、机构、轮胎等全部非线性
因素，计算更加真实。

“虚拟实验场”技术提供了除车身
结构以外的，例如悬挂、轮胎、减振器、假人、空气囊
等FEM 模型数据库，建模型特别方便。

载荷方面提供了
各种标准的实验场路面载荷谱、标准的障碍物，因而结
果更加真实可信、可比性高。

同一模型可以进行多项分析，从整车结构疲劳、振
动分析、碰撞到整车动力学分析和相应的结构评价。

在安全性方面，整车碰撞历程仿真、碰撞时乘员
安全保护分析（安全气囊气袋-乘员响应），结果可以
依据FMVSS 法规评价。

ANSYS “虚拟实验场”技术可以达到在样车试制前
就取得试验场实验结果，这在缩短产品开发时间，节
省研制费用，减少投资风险方面原因深远。

ANSYS 的计算流体动力学分析功能可对整车进行空气动力学计算，解决高速行驶中的湍流、升力、
阻力（图12）。

五ANSYS 对零部件设计中的解决方案
1 发动机机体
发动机机体同时承受高着热负荷和机械负荷工作，本质上是多物理场偶合工作体，ANSYS 多物理场分析的功能为发动机的分析提供了完整的解决方案。

图10整车碰撞 图11 碰撞时空气囊打开仿真模拟
图12 汽车的流体动力学分析
ADAPCO 公司用
ANSYS 详尽地进行了某
V6 发动机机体的热分
析、结构分析、动力分析
和热－结构耦合分析（图
13，14）。

对产品开发作
用特别明确。

1.1柄连杆机构运动件
活塞、曲柄连杆等运
动件是高热/机械负荷部
件，因为往复运动，其质量对整个发动
机性能非常重要。

ANSYS 分析热和机
械载荷下的形状及应力为设计提供依
据。

连杆强度向来是发动机设计关键，
ANSYS 柔体－柔体接触计算功能可以
准确模拟连杆与大头盖、主销、曲柄销
间联合工作状况。

这是ANSYS 系统分
析功能和强大的接触功能体现。

ANSYS 曲轴结构分析和模态分析功能计算出曲轴扭转与弯曲模态，通
过频率优化达到减震效果。

ANSYS 的疲劳计算功能，精确的计算曲轴传统疲劳强度，同时还可计算出曲轴的强度因子，从而预测疲劳裂纹的产生及疲劳寿命。

应用ANSYS 对曲轴轴颈及油膜进行流-固耦合分析评价高曲轴的耐磨性。

曲轴连杆机构运动件的重量优化设计，不仅是节
省材料及发动机重量降低，运动件质量对改善发动机整
体的工作状况特别有效，ANSYS 形状优化的功能可以对
活塞内腔、活塞销孔、连杆形状、曲轴圆角和曲柄臂尺
寸进行优化设计。

1.2 机体：缸盖、箱体、缸套
机体、缸盖的热分析特别重要，热疲劳是失效和
“拉缸”主要原因，为保证可靠性与耐久性，应用ANSYS
分析机械和热负荷下的刚度、强度是设计师的首选。

ANSYS 可准确地计算出机体的自振频率及模态。

以控制
噪声源。

此外ANSYS 可模拟机体的热冲击实验、热-结
构耦合分析可
计算出机械负
载、热负荷双重
作用下机体的
变形，应力分
布。

流体-结构偶
合分析轴承油膜状态进行润滑系设计等等。

图13 V6发动机实物 图14 发动机整体模型 图15 曲柄连杆机构的柔体运动学、动力学分析 图16 缸盖、箱体分析 图17 上海柴油机公司利用ANSYS 热分析功能模拟某型号发动机机体热冲击实验，根据分析结果改进结构，效果明确。

1．3 气机构：进排气门、气门弹簧、摇臂、推杆、挺杆、凸轮轴、正时齿轮
配气机构影响发动机性能，
要求进行精确计算。

ANSYS 系统
分析能够考虑配气机构中各个部
件的弹性变形，从而取得比刚体假
定更精确凸轮-气门规律。

气门弹簧承受高频交变载荷，伴随着多气门设计的发展趋势，弹簧尺寸限制更大， ANSYS
非线性瞬态动力分析及疲劳分析的功能，可较好地解决非线性变节距弹簧高应力破坏及疲劳损坏问题。

排气阀受高速冲击载荷、受高温燃气冲刷，ANSYS 热－结构耦合分析可仿真，热疲劳分析预测可靠性都是十分有效。

配气机构分析中存在着大量的接触问题，ANSYS 高级接触单元、接触向导、智能化接触参数设置的功能引导设计工程师方便、有效、快速地进行配气机构的非线性分析，解除了计算者非线性参数选取试凑的苦恼，大大加速了分析进度。

1.4 进排气系：空气滤清器、进排气道、增压器、消声器
进排气系统的设计关系到结构-热-流体-声的综合作用，是典型的多物理场问题。

ANSYS 计算流体动力学可计算气道的流场分布、压力分布、温度分布、湍流动能、湍流耗散率，得到气道几何形状对进气效率的影响，；通过ANSYS 独一无二的流场优化功能，可使发动机由于进排气阻力而造成的功率损失减至最低。

进排气系是汽车噪声的重要噪声源，ANSYS 声场分析和声场优化可求解出声压分布及分贝级别，通过对消声器的声－流体－结构耦合的优化仿真，可大大降低排气噪声、减小排气阻力。

增压器涡轮有轮-轴过盈配合、超高速旋转、和叶片振动等严格的工作条件，ANSYS 协助用户完美解决了工程中提出的多项技术问题。

1.5 燃油供给系：油箱、油泵、高压油管
燃油喷射和进气螺旋关系到燃烧充分和排放，ANSYS 流体动力学分析及优化功能允许设计师在物理样机制造之前考查多种气道方案得到最优设计。

国家已经禁止化油器车销售，电喷技术普遍应用，通过电控实现智能燃油供给，提高功率和控制排放，ANSYS 多
物理场仿真技术可模拟电
喷过程的“电－磁－结构
多场耦合”的工作状况，
为电喷系统的设计提供了
从性能评价到结构设计的
完整解决方案。

图 18 大连机车车辆厂利用ANSYS 结构分析找 到了构摇臂座裂纹发生的原因。

提出改进方法。

图19 进气螺旋 图 20 消声器热分析 图21 增压器涡轮分析
图22 散热片流-固耦合分析 图23散热器模态分析
1.6 冷却系：
冷却系设计焦点是结构、空气、水、油和热的流动和传递过程，分析项目主要是计算流体力学和偶合分析。

ANSYS 分析得到冷却系统内的流动、温度分布、与结构壁面的对流换热系数等，从而为冷却系的设计提供参数。

2 传动系：变速箱、离合器、万向节、主减速器、差速器、半轴、液力偶合器与液力变速器等
传动系承担功率传递功能，部件在随机高载荷条件下
工作，强度震动问题始终是主要矛盾。

以主传动螺旋伞齿
轮为例，过去FEM 分析只能针对啮合过程的一个状态分
析，现在ANSYS 可以在啮合运动全过程中分析齿轮对的
强度、刚度响应。

因为分析对象可以包含齿轮轴和轴承座，
这就可能发现因为齿轮轴或轴承座刚度不足而造成螺旋伞齿轮对碎齿问题（图24）。

高档汽车采用液力变速器是靠流体在泵轮、导向轮和
涡轮间液体耦合的相互作用工作的。

ANSYS 流体和非线性流－固耦合的分析功能，可预测其工作性能与可靠性。

传动轴系统的扭转振动是产品设计关键，ANSYS 模态分析可准确的预测其自振频率及振型，指导设计。

万向节密封套在大变形
条件下工作，设计上寿命至
少要求达到一个大修期。

韩
国大成公司采用ANSYS 软
件对封套进行损伤寿命及密
封性能预测，得出了不同的
轴交叉角与应力关系曲线，
完好地解决了密封套的寿命
设计问题。

图25 26 。

3 承载和行驶系：车身车架、车桥、轮胎、悬挂（前后桥、钢板弹簧、减振器） 汽车承载和行驶系是高负荷安全结构，可靠性特别重要，所以强度分析地位特别突出。

ANSYS 全面多样单元库和多种分析功能及强大的前后处理能力的能力为承载系和行驶系的分析提供了完整、方便的解决方案。

采用ANSYS 进行非线性柔体运动学、动力学仿真和优化设计，可将设计水平推上一个新的层次。

车架和车身结构，基本是由
梁组件焊接（铆接）而成，分析
中常应使用梁单元模型。

ANSYS
有梁断面几何参数生成和记忆
单元的断面形状功能、按真实断
面形状显示梁单元，后处理中能在断面上显示应力结果、按工程习惯绘制弯矩图等极大方便了 图24 齿轮滚动接触分析
图25 图26
图27双层客车计算模型 图28 车架全壳体单 用梁单元模拟骨架 元分析模型
梁系模型应用。

现代车身车架的设计应充分考虑碰撞过程的能量吸收能力，以提高汽车的被动安全性。

ANSYS 的冲击碰撞模拟功能及非线性屈曲的分析功能，是车身车架吸能件设计、刚度分配设计的标准软件。

在车轮的设计中，车轮的轮毂、轮辋和轮胎的非线性分析是十分关键的。

采用ANSYS 的复合材料多层实体单元技术在保证轮胎求解同等精度的同时计算成本大幅度下降。

悬架的设计中，ANSYS 的柔体运动学、动力学仿真比以往的刚体假设计算更加真实地反应了悬架的动力特性；ANSYS 非线性优化设计的功能，可方便地设计出符合
非线性力－位移曲线的悬挂弹簧；流场计算、流－固耦合分析可保证液压式减振器的可靠性。

别克轿车弹簧是变线径、变节距、变节圆半径、下端套有塑料的复杂结构，代表了当前最先进、最复杂的弹簧设计。

中国弹簧厂在设计该弹簧过程中，为达到非线性的力－位移曲线，利用ANSYS 进行优化设计，一个月内就设计出了符合要求的弹簧。

图32图33。

4 转向系与制动系：
动力转向设计中，ANSYS 的流体分析可计算出管路中流经各阀门、油罐、油泵等处的油液流量、压力，流－固耦合分析可计算出动力油缸活塞的运动及应力，从而保证转向特性。

制动是一个重要噪声源，制动器本身的振动也影响其工作的可靠性与稳定性，ANSYS 的矩阵单元和约束方程的手段，允许添加阻尼和方程约束，从而方便地建立更符合实际的制动器摩擦耦合模型，进行模态分析可对制动器的尖叫倾向进行估评，从而抑制制动噪声。

图29 ANSYS 上海办事处直接造型的车轮模型。

分析发现潜在问题，根据计算结果调整了一些几何参数，使其满足了强度及疲劳寿命条件。

图30北京化工大学采用ANSYS 完成了某子午线轮胎的
三维非线性计算，取得了与地面接触状态下，各层材料的应力分布。

图31 后悬架的柔体动力学分析 图32前悬挂弹簧 图33应力分布
清华大学用ANSYS 建立了制动器摩擦耦合模型，研究得出摩擦耦合系数对制动尖叫趋势的影响以及抑制、消除尖叫的解决方法。

图44为制动器有限元模型，图45为制动盘
变形。

5 座椅、仪表板总成
座椅设计不单是舒适性，相关的安
全性标准规定了座椅对乘员保护的严格要
求，座椅大变形计算成为常规的分析；采用ANSYS 非线性计算功能，进行碰撞过
程中座椅靠背和头枕对乘员保护性能进行
评判，已通过相应标准。

清华大学用ANSYS 软件对座椅进行非线性大变形计算，与试验结果的对比发现，计算与试验间的误差只有2.8％。

图37
6 汽车电子、电器
现代汽车已从单一的机械产品变为机电产品，ABS 、电子喷射、微机电系统已占到相当的比例。

ANSYS 多物理场仿真的能力，在汽车汽车电子、电气领域有广泛的应用。

柏林工业大学利用ANSYS 开发测量内燃汽缸压力的微机电传感器，图38为封装好的薄膜电阻传感器芯片的热应力分布。

Colibri Pro Development AB 公司利用ANSYS 开发MEMS 陀螺，用于高级汽车的悬挂控制传感器及自动驾驶导航系统。

图39是陀螺压电梁在共振时的电压分布以及结构中4微米宽接头处的应力集中。

接头的设计通过优化，保证了足够弹性。

六、ANSYS 对汽车薄板成形的解决方案
图34
图35 图 36 流体流迹
图38
图
39 图37计算位移与试验结果的对比
ANSYS板成形专用模块DYNAFORM界面的开发是以冲压工艺过程对板成形过程进行描述和定义，避免了一般成形软件有限元术专业术语及复杂加载等环节，整个分析过程变得简洁而准确。

通过ANSYS/DYNAFORM的板成形仿真，可观测冲压过程的应力、应变、厚度及能量等指标的变化；对板成形过程中出现的减薄、拉裂、起皱、回弹等进行分析，预报拉延力；可模拟拉延、翻边、剪边、弯曲、多工序加工等工序；可对模具几何形状、板料、冲压工艺等进行优化设计。

DYNAFORM的求解器DYNA，
是目前功能最强、解算速度最快、用
户最多的商业软件。

是当前板成形分
析软件的理论基础。

目前，长春一汽、东风汽车公司、
中国汽车技术中心、上海交通大学汽
车研究所等都已引进DYNAFORM ，
并且对一些大型覆盖件，包括汽车的
产中发挥了巨大的指导作用。

七、ANSYS对零部件铸、锻工艺中的解决方案
锻造、铸造工艺普遍应用在汽车零部件生产。

锻造过程是涉及几何非线性、接触非线性和材料非线性的塑性流动过程，ANSYS非线性仿真可获得常规方法难以获得的金属成形过程中温度场、应力场、应变场、行程载荷曲线信息。

为提高锻件质量、选取设备、制定合理的工艺提供了理论依据。

戚墅堰机车车辆工艺研究所对活塞顶、曲轴的模锻过程进行了仿真，结果与实际模锻过程相吻合。

图53为活塞钢顶成形过程中温度分布，图54为曲轴成形过程中等效塑性功分布。

ANSYS相变分析及热变形、热应力分析功能，可模拟预测铸造过程中铸件的变形及残余应力，考查不同的落沙条件，降低铸件内的残余应力。

图53 图54
图40 驾驶室成形图41
清华大学机械系对发动机缸体铸件在三种落沙条件下的铸造过程进行数值模拟，得到了变形及铸件内的残余应力，评价了三种工艺方案，图55 为残余应力分布。

ANSYS 软件在汽车行业的国际著名用户
Alcan Deutchland, Germany Alfa-Laval AB, Sweden Alfred Teves GmbH, Germany Automotive Products, Italy
Automotive Concepts Technology, USA Automotive Systems Lab, Inc, USA Automotive Research Association, India Bayer AG, Germany Bendix Altecna, Italy
Brog Warner Automotive K.K., Japan Brog Warner Automotive, Inc., USA Borlem S.A. Equip. Industries, Brazil Briway Transit Systems, England Brush Traction Ltd., England Btr Engineering, Australia Bucher-Guyer AG, Switzerland Compuflo, Inc., USA C.A.F.(Construccionesy Aux
de
Fer.S.a,
Spain
Cummins Engine Company, Inc, USA
Daewoo Shipbuilding & Heavy Machinery Ltd., Korea
Design Engineering Analysis Corp., USA Eaton, Corporation, USA Eaton, Ltd., England Elasis, Italy
EDA/GM Technical Center, USA EDS of Canada, Ltd., Canada ELBO S.A., Greece Ferm Engineering, USA
FEV Motorentechnik GmbH & Co KG, Germany Fiat Auto, Italy Fiat Ciei, Italy
Footwork Arrows Racing Ltd., England Ford Motor Company, USA Fuji Heavy Industries, Ltd., Japan GEC Alsthom, France
GEC Alsthom Transportation, Ltd., England GEC Avionics, Ltd., England GTE Valentite, USA Gates Powerdrive, USA Helson Metal Products, USA Honda Motor Co., Ltd., Japan Harvard Industries, USA
Hyundai Motors Company, Korea Industrie Magneti Marelli, Italy Iveco, Italy
Iveco Fiat SpA, Italy
Iveco Fiat Engineering Systems, Italy KMC, Inc., USA
Knorr-Bremse AG, Germany
Korea Institute of Automotive Technology Labinal (Telma), France Lucas Automotive, Ltd., Englan Lucas Automotive GmbH, Germany MAN B&W Diesel A/S, Denmark MAN Nutzfahrzeuge AG, Germany Mafersa S/A, Brazil Merlin Gerin, France Metal Leve S.A., Brazil MGI Gestec, France
Ministry of Transportation, Canada
图55发动机缸体铸件落沙条件 图 56 活塞铸造过程仿真
Monroe Auto Equipment Company, USA Moto Meter AG, Germany
Motor Coach Industries, Ltd., Canada Nissin Kogyo Co., Ltd., Japan Ltd., Japan Officina Meccanica Stanga SPA, Italy Orbital Engine Company, Australia
Pankl Prazisionstechnik, Austria
Pebra GmbH paul Braun, Germany Piaggio V.e., Italy
Public Transport Corporation V line, Australia
Rehau AG& Company, Germany
R.D. Werner, Inc., USA
Riken Corporation, Japan
Sandvik Coromant, Sweden
S.A.T., France
S.E.M.T., Pielstick, France
SGN, France
S.N.C.F., France
Siemens Automotive, Ltd., Canada Siemens Automotive L.P., Ltd., USA
SKF Industrie, Italy
Structural Analysis Engineering Corp., USA St. Enterpriese for Automotive Industries, USA Superior Industries Int., Inc., USA
Tecoplan GmbH, Germany
The Onan Corporation, USA
Thomson CNI, France
TOYOTA Motor Corporation, Japan Transtech, Ltd., England
United Technologies Automotive, USA Valeo E.E.M, France
Volke GmbH, Germany
Volvo GM Heavy Truck Corp, USA Wardrop Engineering, Inc., Canada Weber, Italy
Wegmann & Co.,
Nittan Valve Co.,
Germany。