叶文 李灿钦
柳州柳工叉车有限公司， 广西 柳州 545000
摘要：CAE，在计算机辅助工程的字面意义，有一个足够广泛的概念来涵盖计算机辅助设计和制造的所有方面。传统CAE主要是指工程设计中的分析计算和分析模拟，其核心是基于现代计算机力学的有限元分析技术。CAE技术对降低产品开发成本、缩短研发周期具有重要的意义。分析了CAE技术在叉车产品开发中的应用。
关键词：CAE；叉车设计；制造仿真分析
前 言：在一个日益全球化的市场中，企业之间的竞争将表现在产品性能和制造成本上。CAE在产品开发和创新设计方面无与伦比的优势，使其成为现代工业企业在竞争日益激烈的市场中取得成功的重要条件。CAE软件可以对产品的性能、安全和可靠性进行仿真和结构分析，并按性能要求进行综合评价，以便及早发现设计缺陷并优化设计;创新的实施伴随着设计质量的提高、研发成本的降低和研发周期的缩短。
1 概论CAE技术
CAE是计算机辅助工程,利用复杂的方法计算结构的强度、刚度、稳定性,计算三维热传导以弹塑性力学性能进行动态分析和优化设计以及结构特性的数值分析方法。由于计算机技术的不断改进,大幅度改善了CAE系统的精度和计算功能,所以各种CAE系统基于数值模拟产品应运而生,成为重要的工具来分析和结构优化,以及4C(CA D/CAE/CAPP/CAM)计算机辅助体系。CAD(计算机辅助设计),CAM(计算机辅助制造)和CAPP（计算机辅助工艺过程设计）。CAD技术用于建立CAE的二维几何图形和三维物理模型，并完成分析数据的输入，通常称为CAE预处理。CAE结果也需要由CAD技术对图形输出图像进行处理,如生成应力应变图、绘制数据曲线图形、疲劳预测曲线图、数据信号变换图、产生实时动画和其他动态图，我们称之为CAE后处理。
2 CAE技术的时效特征
（1）CAE分析的时效冲突。对于产品研发，周期长短决定着市场占有率多少。然而，在产品研发周期内，往往出现中大规模CAE模型运算分析周期远远落后于产品推进周期的现象。如一款产品从调研到产品上市，最快仅需半年。而CAE分析中大规模运算周期可能单一模型就需要1个月，如分析方案中有多种备选方案，则计算周期根据运算数目可能是数倍的延长，从而经常出现分析未做完，样机已下线的现象。这种现象在产品市场改进时尤为明显，市场上出现质量反馈后，整机改进时间非常局促，这段时间如引入CAE分析无疑对产品改进是一个很有力的支撑，然而在时效特征上，CAE技术引入反而拖慢了产品改进进度，这是一个看似矛盾的命题，其实质则是CAE分析与产品研发的时效冲突。
（2）CAE分析时效核心剖析。对产品进行CAE分析时，虽然不同技术门类研发内容有区别，但实质上均包含“建模→前处理→求解分析→结果改进→后处理”，这五个环节也是CAE分析的必要步骤。建模分为一维与三维，以简单的刚体动力学为例，如以一维分析为主，则需采用Newton-Raphson或Lagrange建立数学模型，如以三维为主，则需根据图纸采用Creo或Catia等三维软件建立三维模型。虽然两者表现方式不同，但实质上均为建模过程。该环节所需时间与类型、规模、可用性均相关。例如，流体与固体基础理论不同，用于结构分析的模型往往需要处理后才能用于流体分析，无形中延长了计算周期。前处理也分为一维和三维，一维则以数值边界为主，三维则是指软件中的单元网格划分、施加约束、载荷等边界条件。分析为求解过程，即采用程序化的理论计算方法或者固化在商业软件中的求解器，求解数值。后处理则是指计算出的数值直接输出或以可视化方式呈现。以上的数个环节均以不同的CAE软件为基础，如MSC.Nastran求解器、Creo三维建模软件、Hypermesh网格划分软件、ABAQUS分析软件、ANSYS有限元分析软件、NASTRAN动力学分析软件等，对设计人员的熟练程度和技术水平要求较高，特别是前处理环节，受经验影响较大。
随着设计人员对CAE软件熟悉程度提高，CAE分析经验的积累，在设计中融合以住在CAE分析中取得的经验，可以提高在初次设计中的成功率，从而突破CAE技术的时效限制。
3 CAE在叉车设计制造中的应用
（1）叉车覆盖件冲压成型过程的计算机模拟。在全球叉车工业应用需求的推动下，钣金计算机仿真技术得到了很好的发展。国际上许多叉车生产厂家都开发了覆盖件成型仿真分析系统。钣金件冲压成型模拟分析为这些企业在冲压生产中提供了重要的支持，分析板形、材料性能和零件形状对冲压强度的影响。冲压成型过程中考虑几何形状、变形应力状态和工艺顺序之间关系、冲击回弹修正等，主要是通过有限应变弹塑性有限元法和预植法仿真进行的。CAE技术通过对覆盖件冲压成型过程进行计算机模拟，在计算机上观察到模具结构、冲压工艺条件（如冲压方向、分模面、压边力、摩擦润滑等）和材料性能参数（如起皱、拉裂），来预测某一工艺方案成型的可行性及可能出现的问题，对提高覆盖件模具的加工精度，缩短模具制造周期起着非常重要的作用。
（2）叉车结构强度和刚度分析。叉车结构强度和钢度是衡量叉车安全性和可靠性的重要指标。叉车结构强度和钢度分析通常包括用有限元法对叉车结构进行数值计算。由于叉车是一种非常复杂的结构，其强度和刚度分析对叉车整机的承载能力和抗变形能力至关重要。首先建立有限元模型，再进行单元网格划分，进一步求解。对进行过前处理的结构模型进行简化处理，如倒角、翻边等；进行连接处理，如焊接，螺栓连接等；进行单元质量控制，对于网格的形状，主要控制歪斜、翘曲、长宽比、单元最大内角、单元最小内角，这些质量控制因素直接影响计算的精度和收敛性。分析主要包括静态分析、特征值分析(固有频率)和瞬态动力分析。静力分析可以确定其结构的位移和应力分布，以保证其在工作负荷下的安全性和可靠性。通过对特征值的分析，可以确定结构的固有频率和相应的振型。根据结构的固有频率和振动模式，可以帮助设计者分析和研究结构振动的原因，从而通过改进结构来避免共振。基于瞬态动力分析，计算叉车结构在动态荷载作用下的应力、位移等物理应力响应。
（3）叉车结构优化设计。优化结构设计的基本思想是以满足结构正常运行要求为前提，在叉车设计的使用寿命期限内，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。随着CAE技术在飞速发展，非线性软件功能的逐渐成熟和研究进展，计算机硬件也提供了足够的支持，数学结构的规划与优化设计已逐步得到完善，并开始应用于实际结构设计中。自20世纪70年代以来，结构优化设计得到了长足的发展，在实际结构设计中发挥着越来越重要的作用和优势。将结构优化方法应用于叉车结构，设计出满足超轻量叉车工程要求的结构，提高叉车和叉车的经济强度，降低生产成本。
（4）叉车整车性能仿真系统。叉车是由发动机、车架、轮胎、前后桥、门架、护顶架或驾驶室、机罩等复杂的系统部件组成。各结构系统中大量存在非线性结构，例如发动机、驾驶室与车架连接的橡胶支承，车轮轮胎，零部件间连接的能量缓冲等。产品开发要求CAE更多地考虑非线性影响，叉车整车性能，如行驶操纵稳定性、舒适性分析也不仅仅满足于结构刚性简化，还要求考虑结构变形刚度影响，进行整车非线性系统分析，以达到动态参数设计的目标。
虚拟试验场(VPG技术)二次开发是汽车CAE技术发展的新领域，是汽车系统性能的综合仿真与实现软件。VPG是在ANSYS/ls-dyan软件平台上开发并发布的。其分析对象不再是分开的各个零部件，而是包括车架模型、发动机橡胶支承、车轮轮胎等整车非线性系统模型。可以对标准车速、道路和荷载作用下的车辆系统进行结构疲劳和寿命分析；全频振动和噪声分析；动力学分析；并进行数据计算结果后处理。疲劳分析可以根据计算结果整理出疲劳曲线进行使用寿命预测；运动学和动力学计算可输出转动半径、内倾刚度、内外轮角、内倾、后倾角和纵向摆动等参数，进行整车性能评价。以整车为分析对象，边界条件只有路面和车速，这样分析载荷实现了规范化、标准化，使计算结果更加真实准确，可比性提高。整车行驶性能、操纵稳定性能计算不再受制于传统计算方法中自由度数量，可同时考虑车架结构变形影响，使计算结果精度提高。应用VPG技术,可以在样车试制前即可得到产品试验结果,缩短产品开发时间，节省研制费用，减少投资风险。
利用CAE技术研究开发叉车产品，在叉车总体设计的过程中，可以对叉车覆盖件冲压成型过程进行计算机模拟，缩短制造周期；对结构强度和刚度分析，进行结构优化设计；对整车进行行驶性能、操纵稳定性仿真的模拟，可以在开发时间和成本上获得可观的收益。在叉车行业推广这项技术，必将大大促进企业的技术进步，提高产品设计质量，带来可观的经济和社会效益。
参考文献：
[1]朱涛.计算机辅助工程（CAE）技术的应用及其新发展[J].机械制造与自动化,2018,（6）.
[2]杨瑞.CAE技术在叉车产品研发中的应用[J].力学与实践,2018,（3）.