1、汽车工业 CAE 解决方案摘 要：本文介绍了 CAE 在汽车工业中的重要作用和地位，同时对汽车研究设计的具体内容和相关 CAE 软件的对应关系进行了具体分析。针对目前几种典型的应用需求，本文给出了曙光相应的解决方案，并列举了之前的一些成功案例供参考。关键词：CAE、汽车、高性能计算1. CAE 简介CAE（Computer Aided Engineering）即计算机辅助工程，广义的 CAE 应该包括计算机辅助于工程和产品研发的所有方面，但是传统的 CAE 主要指用计算机对工程和产品的功能、性能与安全可靠性进行计算分析；进而扩充到对未来产品的工作状态和运行行为进行模拟仿真，及早发现设计缺陷，改
2、进和优化设计方案，证实未来工程和产品的可用性与可靠性；并对工程的施工过程和产品的加工、成型过程进行模拟仿真，优化工艺流程，提高工程或产品的质量和生产效率。CAE 起源于 20 世纪 50 年代中期。实用的 CAE 软件诞生于 20 世纪 70 年代初期。从1970 年到 1985 年的 15 年间，是 CAE 软件的功能和算法的扩充和完善期，到了 20 世纪 80年代中期，国际上逐步形成了数十个商品化的通用和专用的 CAE 软件。CAE 是工程科学家进行科学和技术研究的三大手段之一，可以帮助科学家揭示用物质实验手段尚不能揭示或很难揭示的科学奥秘和科学规律；同时也是支持工程师进行创新设计的最重要
3、的工具和手段，其应用领域越来越大，已广泛应用于航空航天、汽车、土木、机械、材料分析等诸多领域，成为结构性能分析与仿真的一种非常有效的手段，也是现代设计方法中的一个重要领域。 2. 汽车工业与 CAE汽车工业代表着一个国家制造业发展的水平，它不仅是带动面最广泛的工业，而且是高新技术的最大载体，一般航空、航天领域的高精尖技术只有通过汽车工业才能转化为规模产业，所以汽车工业是或曾是几乎所有发达国家的支柱产业。作为制造业的中坚，汽车2工业一直是 CAE 应用的先锋。CAE 技术的应用，有效地推动了汽车制造业的前进；汽车业的需求也极大地带动了 CAE。多年来，汽车业的选型趋向一直是 CAE 技术发展的晴
4、雨表，也是业内人士关注的焦点。在汽车产品的研发过程中，CAE 已经成为设计链中必须的条件，没有 CAE 分析的设计就不能进入下一个技术流程。新产品开涉及到的疲劳、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，这样就可以大幅度提高设计质量，缩短产品开发周期，节省大量开发费用。2.1. 汽车工业 CAE 应用分类CAE 分析贯穿了汽车开发的全过程，小到螺栓预紧力分析，大到整车碰撞模拟和整车NVH（噪声、振动和声振粗糙度）分析，CAE 分析都发挥了无可替代的优势和作用。CAE分析范围覆盖了结构、流体力学、多体动力学、被动安全、工艺、整机合整车性能等方方面面。概括起来，目前汽车开发过程中的
5、 CAE 分析主要包括： 1. 结构强度、刚度和模态分析及结构优化设计。汽车结构有限元分析的应用体现于： 一是在汽车设计中对所有的结构件、主要机械零部件的刚度、强度和稳定性进行分析； 二是在汽车的计算机辅助设计和优化设计中，用有限元法作为结构分析的工具；三是在汽车结构分析中普遍采用有限元法来进行各构件的模态分析，同时在计算机屏幕上直观形象地再现各构件的振动模态，进一步计算出各构件的动态响应，较真实地描绘出动态过程，为结构的动态设计了提供方便。 2. 噪声、振动与不平顺性(NVH)分析。有限元法除了广泛应用于汽车结构分析外，还可应用于车身内的声学设计，通过车身内声模态与整机模态的耦合，评价乘员感
6、受的噪声，并进行噪声控制。 3. 疲劳寿命与可靠性分析。汽车产品设计已进入有限寿命设计阶段，要求汽车在设计的使用期内整车和零部件完好，不产生疲劳破坏； 而达到使用期后，零部件尽可能多地达到损伤。以求产品轻量化，节约材料和节省能源。 4. 碰撞与安全性分析。汽车模拟碰撞分析的目的就是为了提高汽车被动安全性能。对于汽车被动安全性能的要求，一是在碰撞时，车身结构、驾驶系统、座位等能吸收较高能量，缓和冲击； 二是发生事故时，确保车内乘员生存空间、安全气囊、座椅安全带等对乘员的保护功能，以保证乘员安全并在碰撞后容易进行车外救助和脱险。35. 气动或流场分析。随着计算机技术的飞速发展， 应用计算流体力学(
7、CFD)方法来预测汽车车身外部流场已成为可能。CFD 在汽车领域中的绝大部分应用都集中于进行汽车外流场的数值模拟。在内燃机的设计和开发中，CFD 已经被作为一种重要而有效的工具加以利用。 6. 汽车的可操纵性分析。车辆的可操纵性分析是指利用整车多体动力学模型，在驾驶人员采用不同驾驶方法的情况下，对车辆的侧倾稳定性进行仿真研究，还可以预测车辆在各种极限条件下的性能。 7. 整车性能的分析评价与预测。从整体的角度对汽车的各种性能进行分析和预测，包括汽车的空气动力学特性、声学特性、振动特性、操纵稳定性、乘坐舒适性、碰撞安全性等。 2.2. 汽车工业常用 CAE 软件目前，国内汽车工业进行 CAE 分
8、析以使用国外成熟的商业软件为主，也有少量自编程软件。常用的 CAE 软件如下：前后处理 Hyperworks， Patran碰撞分析 LSDyna ， PamCrash、Radioss机械动力学仿真 Adams非线性分析 Ansys，Abaqus，Marc疲劳分析 Fatigue流体分析 Fluent ，Star-cd，AVL-Fire锻压过程仿真 SuperForge汽车内噪音预测分析 Akusmod多学科智能优化 iSight汽车自动化建模 SOFY发动机热力学分析 GT-Power整车性能分析 GT-Drive43. 曙光的汽车 CAE 解决方案由于受到计算机硬件价格和技术的制约，早期的
9、汽车 CAE 软件大多运行在工作站甚至是配置较高的个人 PC 机上。然而，随着汽车设计对 CAE 计算精度要求的日益提高，CAE的计算规模和复杂程度迅速增长，个人 PC 机早已不能满足应用需求，目前大部分的汽车CAE 软件都在高性能服务器上进行。针对不同的汽车 CAE 软件和不同的计算规模，曙光公司给出了以下几种典型方案供用户参考：3.1. 方案一 个人工作站节点型号 A440r-F（1 台）基本配置CPU：2*AMD Opteron 2000内存：816G硬盘：4*SATA (Raid 0)OS：Windows XP 64bit 专业图卡：Nvidia Qudro FX 1500-5500（
10、256MB-1GB）适用范围 小规模汽车 CAE 模拟适用软件 Hyperworks、Patran、Fluent 、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss 等3.2. 方案二 工作组服务器SMP节点型号 A950r-F（1 台）基本配置CPU：8*AMD Opteron 8000内存：3264G硬盘：4*SCSI/SAS (Raid 0)OS：RedHat / SuSe / WCCS5适用范围 隐式结构分析软件的中、大规模计算适用软件 Ansys、 Abaqus、Marc、Nastran 等3.3. 方案三 工作组服务器-Cluster节点型号
11、A950r-F(1 台)+820r-F(4 台)基本配置A950r-F：CPU：8*AMD Opteron 8000内存：3264G硬盘：4*SCSI/SAS (Raid 0)A820r-F：CPU： 4*AMD Opteron 8000内存：1632G硬盘：1*SCSIOS：RedHat / SuSe / WCCS网络：GigaE / Infiniband适用范围 隐式结构分析软件的超大规模计算适用软件 Ansys、 Abaqus、Marc、Nastran 等说明主节点（A950）的特殊性：除了参与计算外，还负责读入数据、分配计算单元、控制计算流程和收集计算结果3.4. 方案四 工作组服务器
12、-Blade节点型号 TC2600(14 台)基本配置CPU：2*AMD Opteron 2000内存：48G（主节点内存加倍）硬盘：1*SASOS：RedHat / SuSe / WCCS6网络：GigaE / Infiniband适用范围CFD 软件和显示结构分析软件的中小规模（1 台） 、大规模（22 台）和超大规模（24台）计算适用软件Fluent、Star-cd、AVL-Fire、Ls-dyna、Pam-crash、 Radioss 等4. 曙光服务器在汽车行业的 CAE 应用案例4.1. 案例一用户单位 长春一汽服务器配置4 台 R4380A，用千兆以太网连接，每台 R4380A
13、配置四路双核 CPU，整套服务器共计 32CPU实施日期 2006 年 9 月使用情况用户使用 FORTRAN 编译器 ABSOFT 9.0(STARCD 版)、商业 Fluent 软件和STAR-CD 软件，模拟汽车行驶过程中车体所受风载以及发动机内部的复杂流场。几个月的使用结果表明以上软件在曙光机群上运行稳定，且具有较高的计算效率，大量的计算结果为汽车设计提供了强有力的理论支持，大大缩短了设计周期，节省了研发经费。4.2. 案例二用户单位 清华大学汽车系服务器配置8 台双路 AMD Opteron 节点机集群；实施日期 2004 年使用情况用户使用商业 Fire、Fluent、STAR-C
14、D 软件， 对汽车的外流场和发动机的内流场进行模拟。三年多的使用结果表明，曙光机群对上述软件的并行能够很好的支持，且具有较高的并行效率。尤其是全流场模拟和精细网格流场模拟，这类在以前的计算机硬件条件下根本无法实施的大规模计算，在曙光机群上能够顺利完成。4.3. 案例三用户单位 上海超级计算机中心7服务器配置512 台 R4280 节点机集群，myrinet 高速计算网，每个节点 4 路单核 AMD CPU，整个机群共 2048 颗 CPU实施日期 2003 年使用情况 上海大众等国内多个汽车研究机构在上海超级计算中心机型汽车 CAE 辅助设计，运行的软件包括 Fluent、StarCD、LS-Dyna 和 PamCrash 等5. 相关编纂人员介绍龚道童： 所学专业：流体力学 工作部门：曙光公司技术支持部解决方案中心 工作方向：售前技术咨询，售前方案制作和呈现，性能测试曹连雨 所学专业：热物理与流体力学 所在单位：曙光公司技术支持部解决方案中心 工作方向：流体力学、财政软件等相关技术的售前支持工作戴荣 所学专业：水工结构 所在单位：曙光公司技术支持部解决方案中心 工作方向：曙光公司高性能集群产品技术咨询、方案制作
