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计算机技术已成为现代工业提升竞争力的主要手段之一。最先将计算机技术引入工业应用的是计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD），使用计算机软件直接从事图形的绘制与结构的设计。然后是计算机辅助制造（Computer Aided Manufacture，CAM），使用计算机来操纵各式各样的精密工具机器以制造不同的零件组。最后引入的是CAE，在产品分析和优化设计中具备强大的助理作用，自进入工业应用领域以来得到了长足的发展和广泛的应用，并且成为汽车产品结构集成开发中不可缺少的技术手段。
整车结构集成开发过程中CAE的应用领域包括NVH、碰撞安全、结构耐久、热管理、车辆动力学及加工制造等，而在关键系统选型分析计算中也会应用CAE仿真技术，如动力经济性、电磁及动力总成等。且随着计算机技术的飞速发展，仿真精度得到进一步提升。各大整车企业为了加速新产品升级迭代，可以凭借完善的虚拟仿真验证技术提前、快速地识别前期开发阶段的设计问题并进行优化整改，缩短造车周期，减少开发费用。
概念设计阶段运用虚拟仿真技术对技术对标车的数据进行分析计算有助于快速建立整车、系统或零部件的初始设计目标。随着整车结构集成工作的细化，虚拟仿真技术的应用显得尤为重要，详细设计阶段通过仿真技术可以评估整车数据的设计可行性和设计目标达成情况，并成为数据冻结或下发开模指令的必要条件之一。从试验样车试制到试验验证结束，CAE虚拟仿真承担了试验问题优化整改的职责，为零部件工程师提供整改依据。即使整车产品成功上市后，一些售后质量问题的协助解决仍然离不开CAE虚拟仿真技术。
实践证明，虚拟仿真技术在整车开发过程中的作用越来越重要，而各应用领域的虚拟仿真能否在复杂的整车开发过程中有序、高效地协同工作也是影响开发质量的重要因素。因此，建立一套符合企业自身研发环境，科学、高效管理的虚拟验证优化设计体系是很有必要的。虚拟验证优化设计体系不仅可以缩短开发周期、减少投入，也可以通过系统科学的分析规划，识别能力短板，统筹制定提升计划。开发体系管理平台通过建立模型库、材料库、试验数据库及多平台指标数据体系，为新车型开发奠定数据基础，同时也实现快捷、安全的资源共享，使分析流程及规范标准化，培训新人快速成长。
1.虚拟验证优化设计流程
前期预研开发明确的整车产品定义包括对车型级别、架构平台、配置需求、法规要求以及关键性能和质量目标等。造型设计过程中，结构集成需要根据造型外饰的计算机辅助造型（Computer Aided Styling，CAS）完成工程可行性分析及法规校核，并通过结构集成设计确定各系统的布置位置走向、空间尺寸，同时兼顾装配工艺、各方面属性需求等。第一轮集成设计的结果初步界定了系统数据的边界，为下一轮的精细化设计奠定基础，至少要经过三轮这样的验证、细化和集成迭代的过程，完善并在工程发布的节点冻结发布。此阶段完成了从整车概念定义到零部件结构精细化并最终搭建可供制造生产使用的数字样车的设计开发过程。从预研阶段的造型设计开始，到试制样车验证结束，虚拟验证优化设计工作在验证评价中占主导地位，并在整车开发过程中设置关键评审节点，用于支撑工程数据冻结。虚拟验证优化设计评审流程如图2-15所示。虚拟验证优化设计工作主要集中在生产导入之前完成，基于数据设计的层级和逻辑关系可分为六个主要阶段，具体如下：
图2-15 虚拟验证优化设计评审流程
1）前期预研阶段的虚拟验证工作主要是基于产品定义和整车性能开发策略制定初步的整车性能目标和造型创意草图方案，确定初始整车架构，并选择合适的基础模型和材料模型，并根据项目需求对基础模型进行虚拟仿真分析。
2）立项前需完成早期动力总成的初始匹配验证和发动机台架标定工作，以及动力附件、底盘及下车体等特定系统的早期仿真验证，确定骡子车中的架构件数据，初步设计和验证主断面数据，并完成CAS整车外流场及初始碰撞安全虚拟仿真验证，基于架构件的评估更新整车性能目标，同时完成骡子车装车方案的制定。
3）从立项到方案批准的阶段需完成概念车的设计数据虚拟仿真验证及整车性能目标的更新，完成非造型相关件的概念车TG1数据冻结，并开启模拟样车模具制作以支持EP1阶段的工程造车，完成上车体及造型相关的结构车TG0数据发布，发布数据包括零部件数量、材料及几何结构要求。
4）从方案批准到项目批准阶段的虚拟验证工作用于评估概念车架构件的最终数据（TG2数据）冻结发布，为开正式模具做准备。同时完成结构车零部件的中间设计数据（TG1）的虚拟验证，即验证造型相关零部件的先期设计数据，包括整车上车体及内外饰结构等的初始装配情况，完成初始BOM及焊接关系的可行性评估，同时完成整车性能目标的冻结发布，并完成部分性能指标达成验证评估报告。
5）从项目批准到工程发布阶段是建立结构车数据，即造型相关件TG2数据虚拟仿真验证并冻结发布的阶段，为开模和EP2工程样车造车做准备。结合整车架构TG2数据，评估上车体及内外饰结构等数量、材料、焊接信息等的最终确认，并完成BOM的最终验证。此阶段完成部分与整车相关的VTS及STS的验证评估，完成动力总成标定及公告法规的早期验证。
6）产品和工艺验证前需要完成基于工程样车试验验证过程中设计变更后的数据，并对验证问题提供解决方案，优化后的整车数据可为PPV造车做准备。
2.虚拟验证优化设计内容简介
虚拟验证涵盖多学科、多专业。从造型设计到工程设计需要各专业有序协同开展工作，以寻求最佳的低成本解决方案为原则，同时以减少因为验证不充分而带来的设计变更为目的。CAE在整车结构集成开发中应用比较成熟的领域是车身刚度、强度、模态、噪声及机构运动分析等，有些工况的仿真精度已经可以达到取代试验的程度。而在碰撞模拟分析、金属板材冲压成形分析、疲劳分析和空气动力学等大变形、非线性等有限元模拟分析中的精度还有待提高。以上分析技术已经全面投入工程应用，虽然还不能取代试验验证，但完全可以用于定性分析和改进优化，也为减少试验次数和缩短开发周期做出很大贡献。近些年，整车虚拟试验场分析技术已开始进入各大主机厂研发部门的视线，还处于不断探索的阶段。另外，焊装模拟和涂装模拟分析技术也已经逐步得到工程应用，为评估制造工艺可行性提供不可缺少的依据。此外，虚拟现实（Virtual Reality,VR）技术也已逐步走进汽车领域，造型设计师和工程师们可以利用人机交互方式在虚拟现实的空间里进行无限接近真实的造型设计和零部件布置。下面简要介绍几个较成熟领域的虚拟仿真内容。
（1）NVH虚拟仿真
NVH属于客户感知的舒适性范畴的控制指标。从噪声来源上可以将NVH属性细分为发动机噪声和振动、风噪、路噪、内外饰或底盘异响等。NVH虚拟仿真技术就是借助计算机模拟整车振动噪声的传递路径和激励源与被激励对象之间进行模态规避设计的性能集成开发手段。NVH仿真分析主要应用在动力总成系统的振动和辐射噪声分析、悬架动静态刚度分析、车身的灵敏度分析、传递函数分析、模态分布、声腔模态分析、接头刚度分析等，结构设计阶段的NVH虚拟仿真技术为车身结构的模态频率避开车辆行驶过程中因多种激励所产生的共振风险提供可能。所以，准确识别外部激励的情况是实现NVH设计目标的重要前提和依据。本书的第4章中将对NVH虚拟验证内容做详细的讲解。
（2）碰撞安全虚拟仿真
车辆碰撞模拟分析广泛应用在汽车被动安全性能开发中。被动安全CAE分析包括汽车正面碰撞和侧面碰撞的乘员保护分析、后部碰撞的燃油系统安全分析、前后端防护装置低速碰撞分析、乘用车顶部抗压强度分析、行人的碰撞保护分析、安全带固定点分析、座椅及头枕强度分析、行李舱冲击工况分析的仿真内容，并考核前围板乘员位置的侵入量、转向管柱向后或向上的侵入量、正碰过程中的冲击力及加速度、侧碰B柱各位置的侵入量、车顶压溃中各位置的刚度值。本书的第4章中将对被动安全虚拟验证内容做详细的讲解。
（3）结构耐久性虚拟仿真
车身和车架是整车中结构和受力都很复杂的部件，对于承载式车身更是如此。在整车结构集成开发的设计阶段，车身的刚度、强度CAE分析的主要目的在于基于重量最轻的原则提升车身承载能力和抗变形能力，即轻量化设计，随着重量的降低，整车的动力性和经济性也会得到改善。另外，CAE强度分析也为零部件设计校核提供了便利，例如，对于动力传动系统中的齿轮所承受的弯曲应力和接触应力分析，可以借助ABAQUS非线性接触分析模块，实现齿轮齿根弯曲应力和齿面接触应力的分析，优化齿轮结构参数，提高齿轮的承载能力和使用寿命，大大缩减传统手工理论计算的时间和误差。同样，在发动机缸盖设计中，如果仅采用结构局部应力的理论计算方法则无法同时引入气缸内高压气体的作用力和其承受的复杂的热应力，而有限元软件中的热机耦合模块可以从根本上解决热机耦合疲劳开裂分析的问题。近年来，虚拟试验场技术在整车疲劳耐久性能分析中崭露头角。
传统的车身疲劳分析方法需要在物理样车制造之后，通过试验场实测道路载荷采集并建立整车多体动力学模型，获得车身连接点的受力，从而对车身钣金及焊点进行疲劳强度分析。道路采集除了样车的准备，还需要采集设备及工装夹具的制作和标定数据，周期长、试验费用高。然而，虚拟试验场技术不依赖物理样车，可以在项目前期通过扫描3D试验场路面和测试轮胎参数，建立虚拟试验场模型，获得动态道路载荷，开展车身疲劳分析，预测危险部位。本书的第5章中将对结构耐久虚拟验证内容做详细的讲解。
（4）机构运动分析
机构运动分析是根据系统原始运动部件的已知运动规律，校核与其相关联的其他部件的运动轨迹、位移、速度、加速度、角速度、角位移及角加速度等参量。通过机构运动分析可以确定系统运动时所需要的空间，判断当系统运动时是否会存在系统内干涉或与配接系统存在干涉，并最终实现预定的轨迹和位置要求。通过对机构进行速度分析，可以了解从动件的速度变化规律能否满足工作要求，了解机构的受力情况。通过对机构进行加速度分析，可以确定各构件及构件上某些点的加速度，了解机构加速度的变化规律。
（5）加工工艺仿真技术
冲压成形材料利用率高，产品质量稳定，可用于批量的自动化生产中，因此这一工艺方法在汽车零部件生产中得到广泛应用。传统的冲压生产过程中，冲压工序的制定、工艺参数的选取，冲压模具的设计与制造都要经过多次试错性试验验证并修改才能确定。这种反复的调试过程不仅造成企业人力、物力和财力的大量消耗，而且导致生产成本高，生产周期难以保证。随着计算机有限元模拟软、硬件技术的发展，冲压成形过程的虚拟仿真技术的出现改变了这种传统模式的生产过程。通过对冲压过程模拟分析不仅能够设计最佳的模具结构和工艺条件，能在计算机上直观地验证模具结构、冲压工艺条件（如压边力、冲压方向、摩擦润滑等）和材料性能参数（如褶皱、破裂）对材料成形的影响，还可以提供最佳的材料形状、合理的压料面形状、最佳冲压方向以及分析卸载和切边后的回弹量，并补偿模具尺寸以得到尺寸和形状精度良好的冲压件。该技术使试模时间大大缩短，从而减少制模成本。另外，在焊接技术上，运用优化算法规划焊接机器人的焊接路径也可以提高车身的焊接质量，缩短生产加工时间，并通过仿真加工进行验证，从而达到指导实际生产的目的。
虚拟仿真技术还应用到了电器的EMC分析和智能驾驶的模拟中，为减少开发投入和缩短开发周期提供可能。基于以上虚拟验证内容建立整车虚拟验证优化设计体系，内容框架如图2-16所示。整个体系的基础是模型数据库、材料数据库和试验数据库，借助强大的模型前后处理工具建立不同专业领域的分析模型，凭借先进的CAE仿真求解器完成分析评价结果，为达成整车结构集成优化设计目标奠定理论基础。
图2-16 虚拟验证优化设计内容
3.虚拟验证优化设计的数据库
建立数据库的核心目的是“共享”，而“共享”带来的是提升新产品开发能力和企业的可持续发展。模型数据库的建立方便各专业的有限元模型共享，可以减少不必要的重复劳动。例如，碰撞安全、NVH和结构耐久的仿真计算模块虽然不同，但前处理的建模要求是相似的，因此模型是可以共享的。另外，在同平台开发换代产品或年度改款产品时，可以在模型数据库中找到基础车型数据并快速建立分析模型，缩短分析时间。材料数据库包括汽车常用材料的牌号及相应的力学属性（强度、硬度、刚度、塑性和韧性等）、物理属性（密度、熔点、导热性、热膨胀性等）和化学属性（耐蚀性、热稳定性等）。仿真分析结果的准确性很大程度上取决于模型材料数据的准确性，如结构耐撞性分析中的材料力学特性不是简单的应力应变拉伸曲线，而是高速拉伸曲线，只有准确的材料输入才能获得合理的仿真结果。试验数据库包括常规的系统试验或整车试验的过程数据积累，如试验工况（环境）、样车或系统部件的状态（工装、约束条件）、试验结果及问题等，其目的主要是用于标定和修正仿真模型，从而进一步提升仿真能力和精度。当然大部分车企还会建立专门的对标数据库，通常由竞品分析部门负责搜集和管理。对标数据库的建立可以在实现与竞争车型之间进行充分对比的过程中提升自身汽车新产品开发的能力。
