论面向整车和整机开发的CAE分析体系建设

经过多年努力和发展，目前资阳机车有限公司已经具有了雄厚的产品研发能力，搭建了较为完善的产品研发平台。在CAE分析软件方面，1996年资阳厂依靠当时中国中车公司的重点投入项目，先后引进了ANSYS、ADAMS等软件，其后又陆续引进了FE-Safe、DesignSpace等分析软件。这十多年里CAE软件在公司重大产品研发工作中发挥了巨大作用，曾先后完成了多种机车柴油机（12V240D、16V240D、16V280ZJH）、机车车体（装径向转向架东风8B、装空滤器东风8B、6500马力机车、南非机车、苏丹机车）、转向架构架（越南车、装径向转向架韶山3B）和柴油机安装架（越南车、南非车、苏丹车）等重要部件的设计分析、设计优化工作。

但我公司作为一家集研发、制造为一体的国有企业，要进一步发展和壮大，除了充分用好已有资源、努力进行内部挖潜、深化生产管理来促进发展外，也需要进一步吸收、深化应用先进的CAE研发技术，完善整车、整机CAE分析体系，以缩短产品研制周期、优化产品结构、提高产品质量、降低研发成本，从而高效地研制出具有自主知识产权的好产品、增强公司的核心竞争力、获得更好的市场回报。

一、问题的提出

现在机车以及柴油机设计越来越趋向于安全、高速、重载、轻量化的设计要求，由于机车、柴油机、柴油发电机组和曲轴等本身都是结构大型复杂的产品，都是在动态载荷工况下服役工作，且有不少产品为焊接装配件。从产品的专业性、特殊性而言，涉及到的CAE计算需求是多方面的，包括部件的散热性能、运动学/动力学性能、极端载荷条件（结构载荷、热载荷）的强度/刚度性能、疲劳性能、结构优化问题等，这些性能也直接与某项目各部件的可靠性、品质等息息相关。

经过多年努力和积累，机车研发部虽然很早就拥有一批相关CAE专业分析人员，但受人员变化、当前分析工作中不断出现新的复杂需求、CAE分析软件版本低功能受限等原因影响，公司CAE人员近几年主要是针对部件结构强度计算分析（如车体、构架、车轴、曲轴、柴油机发电机组安装架的强度计算）。而柴油机的传热分析和热-结构耦合分析；机车和车辆的碰撞动力学分析；机车中司乘人员和乘客的安全和舒适性的动力学分析；电力机车受电弓网系统的动力学分析；铁路机车运行的动力学仿真分析；机车、与轨道的系统动力学仿真分析；机车柴油机供油系统、冷却系统的流体动力学分析；机车通风系统和空调系统的流体力学分析等则很少涉及。

整个机车及柴油机的系统优化、减重、疲劳强度、流体动力学分析、散热性能、运动学/动力学性能和稳定性等CAE新问题已越来越制约着产品的品质进一步提升。公司经过多个整车整机的开发，也积累了一部分CAE知识点，如何进一步将这些知识系统化，形成公司的规范体系？CAE技术如何贯彻于整个设计流程？如何建设符合公司实际情况的CAE体系，为公司产品开发提供安全保障，也为整车优化提供保证？这已成为迫在眉睫的问题。

笔者认为只有深入分析CAE在机械、装备行业的应用现状，再结合公司产品的实际特点，摸索出符合我公司特色的整车及整机的CAE体系建设之路，才能提升产品研发效率，提高技术性能并降低成本，增强企业竞争力。

二、CAE技术在国内外现状分析

1.CAE技术在国内外现状分析

就CAE技术的工业化应用而言，西方发达国家目前已经达到了实用化阶段。通过CAE与CAD、CAM等技术的结合，使企业能对现代市场产品的多样性、复杂性、可靠性和经济性等做出迅速反应，增强了企业的市场竞争能力。在许多行业中，CAE分析已经作为产品设计与制造流程中不可逾越的一种强制性的工艺规范加以实施。如，以国外某大汽车公司为例，绝大多数的汽车零部件设计都必须经过多方面的计算机仿真分析，否则根本通不过设计审查，更谈不上试制和投入生产。

国内这几年，各方也加大了这方面的投入，逐渐从过去的结构强度分析，向更高、更难的流体、流固耦合、空气动力学、系统优化、控制和疲劳等CAE方面开展深入研究。但产品的应用范围、计算项目的深度、CAE平台建设的规模以及CAE计算分析的细节程度还与国外还有不小的差距。

2.CAE技术在国内机车行业应用现状分析

目前国内铁路行业的CAE技术应用在很多企业已经进入逐渐的普及阶段，但比航空、国防和汽车行业应用层次要低。其中长春客车厂、株洲机车车辆厂、齐齐哈尔车辆厂、北京二七机车车辆、四方股份公司、大连机车厂、大连机车研究所、株洲电力机车厂和研究所与戚墅堰厂和工艺所等的仿真分析手段基本都已涵盖了零部件的结构强度、整车或列车动力学和零部件疲劳、振动噪声等专业，取得了显著的成果。尤其是四方股份、长江集团、齐齐哈尔、长客和大连等实施相应的CAE技术已经近10年了。其CAE仿真技术已经越来越多地被相关的厂家接受。另外，为了保证实施CAE仿真技术的延续性，有些厂所也出台了相应的鼓励分析师的政策，并成立了专业的分析团队，充分发挥了CAE仿真技术在产品研发过程中的作用。

而我公司与同行业其他兄弟公司相比，CAE技术相对滞后，现有CAE应用情况如下。

（1）无法快速地评估设计结构的大量复杂的流体力学、疲劳寿命预测、电磁场、温度场以及多体耦合场、抗冲击、抗振动、冷却效果和使用寿命等性能，许多课题还未开展研究。

（2）无法贯穿整个产品的设计过程，主要是做校核计算。

（3）无法快速地分析与改进设计结构的降噪措施。

（4）无法快速地对新设计结构进行针对性的结构优化和用料优化。

三、整车整机的CAE体系建设思路

公司正逐渐加大研发力度，不断增强自主研发能力，这必将对机车及发动机提出了更高的设计要求，而过去的CAE分析内容显得过少，CAE分析的深度及广度不够，为此CAE体系应尽快完善，以下根据笔者多年的工作经验及结合公司产品的实际情况，提出的CAE体系建设的思路。

1.完善整车、整机的CAE分析内容

（1）整车的CAE分析内容：机车包含的常用部件如车体、构架和车轴等需做常规的结构强度、刚度有限元分析；进一步考虑，部分关键件、大型件的结构优化、拓扑优化、模态分析，车身结构噪声分析、疲劳强度分析；研究整车空气动力学、整车动力学性能和整车稳定性能。

（2）整机的CAE分析内容：发动机常用部件的有限元分析、缸体及缸盖的结构分析、轴系的多体动力学分析、发动机三维CFD分析、发动机性能分析、发动机冷却分析和发动机热固耦合分析。

另外，需根据各个整车、整机的开发级别定义不同级别CAE的分析内容。整车、整机研发的新技术越多，产品结构越新颖，CAE计算分析的内容细化级别也应相应增加，以保证产品研发的可靠性。

2.细化整车、整机的CAE分析流程

对于全新的机车或发动机研发，CAE流程应分为三个阶段。

第一阶段：概念分析阶段。主要是考虑整车、整机设计的总体要求，根据相关评定标准，CAE人员对整车、整机的总体性能进行CAE计算，以验证是否能达到设计目标，同时提出优化建议，在预研阶段把握产品的总体性能，为高层决策提供技术参考。此阶段分析结束后，须确定基本结构形式，总布置方式，各子性能的详细设计目标值。

此阶段的工作难度较大，需要CAE工程师具备较多的设计和分析经验。

第二阶段：工程化分析阶段。主要是根据设计师的详细设计情况，进行各部类常用部件的各类型的详细等分析。此阶段是以产品的详细结构为输入，从CAE方面，对设计的产品各方面的性能进行分析，以验证是否达到概念分析阶段所获得的性能目标，若没有达到，则需优化分析，并与设计师、工艺师共同商定，确定修改设计方案。

工程化分析阶段是整车、整机开发中工作量最大的阶段，此阶段必须根据整车、整机设计的进度要求，进行至少2～3轮覆盖结构、流体、动力学、热固耦合CAE领域的完整的CAE分析，为工程化设计进行虚拟验证并在设计阶段进行优化。

第三阶段：试验验证分析阶段。主要是根据整车、整机做试验以及试运行时出现的一些的问题，进行CAE工程分析，找出问题出现的原因，并提出可行的解决方案。

此阶段的工作难度和工作量则是不确定的，一般来说，在设计前期，考虑的问题越周全，在试验阶段出现的问题就越少，涉及的CAE工作量也就越小。

按此流程，公司的CAE技术还应更早介入设计流程中，因为在早期采用CAE技术，虽然加大了前期投入，但降低了后续的产品开发费用。投入总量和传统做法相比要少得多，而且在产品投产后，能将投入维持在很低的水平，从总体上来说，降低了产品开发的总费用，也使产品的上市时间得以提前。CAE在降低成本方面的作用，如图1所示；CAE技术贯穿设计流程对解决工程问题的意义如图2所示。

3.整车、整机的CAE体系规范

流程是定义什么时候该做什么事，而规范是定义如何正确做事的准则。机车和发动机开发本就是一项系统性很强的任务，需要不断地总结，建立合理的规范体系，系统性地沉淀已有的知识点，并保证持续修订。经过这些年整车整机的开发，我公司其实也积累了很多经验知识点，但没有形成书面规范，前些年随着CAE人才的流失，公司也随之流失了CAE的经验知识点，为此应该进一步将这些知识系统化，形成公司的规范体系。不能为了建规范而建规范，而是应该根据公司的技术规划来建立规范体系，如对应不同的开发级别，首先规划必须具备哪些能力，应该建立哪些规范，然后分专业有计划地进行实施，并不断完善。只有不断地建设有价值的规范，才能将已有的知识固化在公司，而不至于因为人员的流动造成能力的损失，同时也才能保持已有的技术能力。一般来说，规范是很难从其他企业获得或者购买，因为这都是各企业的核心技术，多少钱都不会卖，而且各企业情况差别很大，直接引进的规范不一定适用，所以必须公司自己建设。

结合公司实际产品CAE分析特点，笔者认为应逐渐形成公司CAE体系自己的规范，如：CAE操作规范、CAE任务流程规范和具体的CAE专业分析规范。

4.CAE数据库的完善

CAE的计算相关数据应有效规划、利用，因为每次产品设计的革新离不开过去的技术基础。笔者认为，这类数据应分为两类：第一类是性能数据库，性能数据库积累了多个平台车型或机型的结构强度、总体稳定性和动力学性能等多项重要性能指标，为后续车型或机型开发目标值设定、工程判断提供了充分、可靠的依据。第二类是结构数据库，结构数据库积累了跟某项性能相关的重要结构信息，为后续CAE能力提高、指导工程化设计提供依据。

5.整车、整机CAE资源配置

在影响CAE应用效果的诸多因素中，人才、分析软件和计算机硬件、外部资源是三个最主要的方面，其中“人才”是最重要的因素，这涉及到对CAE人才的层次规划、CAE队伍的稳定性建设。

（1）没有CAE队伍，核心技术无从谈起，CAE工程人员工程背景要求高，因CAE技术具有较高的技术含量，CAE应用的每一个方向实际上都是一门专门学科，如结构力学、断裂力学、流体力学、电磁学或传热学等，且CAE工程人员对设计、工艺和产品的工作原理、特性也应有一定的了解。根据前面CAE体系的思路，公司人员配置7～10人，才能满足未来CAE设计分析要求。

（2）软，硬件平台：要根据公司实际情况，购置适合公司产品特点的分析软件及硬件，除非有十足的把握，否则不应贪大求全。应制定一个合理的CAE实施计划，在预算允许的情况下，先考虑最急需的CAE软件和硬件，应用一段时间、见到良好效益后，再考虑使用权的扩充或其他软件模块的扩充。

（3）重视与高校、CAE软件厂商的合作关系：与CAE软件开发商建立良好的技术合作而不仅仅是商务合作关系，相互间长期的技术交流甚至与程序开发人员本身的底层技术讨论等是保证CAE应用能取得实效的关键因素之一。与CAE软件厂商、高校合作的另一种好的方式是进行一系列项目咨询工作，项目咨询不但能结合多方的优势最佳地解决实际工程问题，而且能在合作过程中非常对口地深入学习和掌握软件应用技巧，同时还能增进双方的了解和建立良好的关系。

四、几点建议

（1）要给予CAE足够的重视。一项新的技术从提出到应用再到产生效益总有一个成长的过程，尤其是在起步阶段，还特别需要各个方面的重视和支持，只有这样，才能共同把这项工作做好。

（2）CAE的价值有很大一部分隐含或体现在设计工作中，因此，单从CAE自身的效益很难看出工作的价值。另外，还要理顺关系，责权明确，避免出现“做好了是设计人员的功劳，做不好是分析人员的责任”的现象。

（3）CAE行业正处于一个快速发展、成长时期，从业人员流动性较大，因此有必要从政策上对此予以引导和扶持，采取有效措施吸引、留住人才，保证工作的持续性。

（4）现在的CAE技术已经基本成熟，CAE软件的可用性、可靠性和计算效率问题已经基本解决，CAE软件应该成为设计工程师实现工程创新、产品创新的得力助手和有效工具，一些比较简单的分析计算可以在CAD软件上直接完成。

（5）及时发现问题、解决问题。能在设计早期进行CAE分析，及时发现可能存在的问题，是对设计工作的一个重要补充。

五、结语

CAE体系完善后，可以针对性地解决资阳机车有限公司目前整车、整机研制工作中面临的CAE技术需求问题，如通过相关的CAE工作，对产品结构设计、制造、使用中最紧迫关心的强度、刚度、振动、冷却效果和疲劳安全等问题进行系统分析；可在满足上述要求条件下，针对性地对相关产品的结构设计形状、用料方式和制造工艺等进行优化，降低产品的结构用料和制造工艺成本，提高产品的可靠性、安全性和经济性；可最大限度地避免相关结构的温度分布不合理、刚度不足、装配间隙不合理（会出现机械死机）、强度不足、剧烈振动和噪声过大和早期疲劳破坏等现象。另外，也可以提升设计分析手段、解决实际工程问题，增强资阳机车有限公司进行自主知识产品研发、产品投放市场方面的知名度、影响力和权威性。

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