CAE在汽車零部件輕量化設計方法中的應用

胡建軍，楊長輝，秦飛龍，鄢敏麗

（1.重慶理工大學 材料科學與工程學院，重慶 400054；2.模具技術重慶市高校市級重點實驗室，重慶 400054）

0 引言

汽車輕量化技術可以降低油耗、減少廢氣排放量、提高汽車動力性。研究表明，汽車整車質量降低10%，燃油效率可提高6%以上。汽車的輕量化主要是零部件輕量化，它是指在不影響零部件強度的基礎上，通過設計質量輕的產品達到降低產品重量的目的；同時車輛行駛顛簸會因底盤重量減輕而降低，增加行車舒適性；輕量化材料對沖撞能量的吸收，同時可提高碰撞安全性。在電動汽車制造行業，輕量化在降低車輛自重的同時增加續航里程，成為各制造商產品宣傳和銷售的亮點［1］。

汽車輕量化技術和方法很多，特點也各不相同，例如新材料的使用，零件結構的優化。在這些方法中，CAE 因其先進性在設計過程中起到積極的推進作用，可以得出滿足工程精度的近似結果來替代對實際結構的分析，這樣可以解決實際工程中理論分析無法解決的復雜問題。本文主要針對汽車零部件，討論輕量化設計方法及CAE的應用［2－3］。

1 輕量化設計方法

1.1 結構優化設計

結構優化設計技術是將數學中的最優化理論與工程設計相結合，使工程師可以從無數工程設計方案中找到盡可能完善的設計方案，提高設計效率和質量。汽車零部件輕量化可以根據設計變量類型劃分為3 個層次：優化結構元件的尺寸優化；優化結構的形狀優化；優化結構的拓撲優化。如目前汽車中的懸掛結構優化，渦輪增壓、汽油直噴等技術實現發動機小型化部件結構優化。圖1 為發動機支架在滿足設計工況的狀況下，優化設計節省材料23%［4］。

1.2 輕量化新材料的應用

輕質新型材料應用是實現汽車零部件的主要途徑之一。目前用來減輕汽車自重的新型材料包括鋁合金、鎂合金、鈦合金等。鋁、鎂、鈦合金材料是所有現用金屬材料中密度較低的輕金屬材料，鋼的密度約7.8×103kg/m3，而鎂合金約1.74×103kg/m3，鋁合金約2.7×103kg/m3，鈦合金約4.51×103kg/m3，因而成為汽車輕量化，提高環保性的首選材料。

1）鋁及鋁合金的使用。作為一種輕質材料，鋁及鋁合金的特點為比強度高，密度小，耐磨，耐腐蝕性好，回收率高，易加工，導熱性好，彈性好。自20 世紀70 年代開始，汽車用鋁量不斷增加，目前，全世界耗鋁量的12%～15%以上用于汽車工業，發達國家已超25%。已被用于設計制造汽車中的鋁合金部件包括發動機缸體、缸蓋、水泵殼等，如圖2（a）為鋁合金發動機汽缸蓋。

圖1 發動機支架結構優化

圖2 輕量化新材料零件

2）鎂及鎂合金的使用。鎂比鋁輕，鎂及鎂合金的特點包括阻尼減震性能高，比強度、比剛度高，回收率高、回收無污染，資源豐富，開采技術成熟，易加工。我國原鎂產量目前居世界第一位，占全球總產量的1/3。雖然我國是世界產鎂大國，而在鎂合金材料生產、研究及應用領域與世界先進水平還有相當大的差距，處于起步階段。目前儀表盤骨架、座椅骨架、賽車車輪、轉向盤骨架、殼體類零件等已經可以采用鎂合金制造，圖2（b）為鎂合金輪轂。

3）鈦及鈦合金的應用。鋁和不銹鋼在200℃會失去原有力學性能，而鈦合金在500℃左右仍能保持，鈦的強度可以達到1 500 MPa，大大高于鋁、鎂合金；鈦合金具有優異的耐蝕性能，是替代鋼鐵的輕量化和高性能的材料。同時鈦合金屈強比值大，記憶功能用于車身方便復原，易加工與鋼材同樣的設備工藝，可綠色回收，密度小、比強度大。圖2（c）為鈦合金汽車連桿。

4）其它輕材料的應用。其它材料比如陶瓷、塑料和橡膠等在汽車零部件中也具有較廣泛的應用。陶瓷主要用于汽車的各種耐磨耐高溫零件，如活塞、氣缸、發動機、配氣機構零件等。工程塑料的柔韌性較好，耐磨，避震，單位質量的抗沖擊性高。橡膠主要用于汽車輪胎、膠管、傳動帶、防塵罩等部件，圖2（d）為橡膠制等速萬向節防塵罩［5］。

1.3 先進加工制造技術

為了使汽車零部件能夠輕量化，最近發展了較多的先進加工制造技術，這里介紹幾種應用范圍較廣和技術成熟的技術。

1）高強度鋼沖壓技術。高強鋼的應用成為汽車輕量化的重要方向。發達國家汽車輕量化首選高強鋼，轎車主流車型高強鋼的使用比例最高達80%。受高強鋼板材強度的影響，傳統的冷沖壓工藝在成型過程中容易產生破裂現象，無法滿足高強度鋼板的工藝要求。國際上逐漸研究超高強度鋼板的熱沖壓技術，該技術是綜合了成形、傳熱以及組織相變的一種新工藝。圖3（a）為高強度板B 柱加強板。

2）內高壓成形技術。內高壓成形技術（Hydroforming）是以管坯作原料，通過適當的模具和液體壓力，一次成形零部件，代替多個零件分別成形再組焊成所需的零部件，可以減少零件數量和重量，提高質量和降低成本。內高壓成形的構件質量輕，產品質量好，工藝過程簡捷，同時又具有近凈成形與綠色制造等特點，在汽車輕量化領域獲得了廣泛的應用。如圖3（b）為內高壓成形工藝生產的排氣管件。

3）其它先進制造技術。常用的先進制造技術還包括激光拼焊板成形技術、注射成形、電磁成形、旋壓成形等。如激光拼焊技術，將幾塊不同強度級別、不同厚度或不同規格的鋼板用激光拼焊成一個沖壓毛坯，再沖壓成零部件，代替分別進行沖壓再組焊的零部件以減輕了整車自重［6］。

圖3 先進成形工藝零件

2 CAE 在汽車結構設計上的應用

在輕量化設計和制造過程中，CAE 技術得到了廣泛地應用，和傳統方法相比，其優點如下：1）可大幅度減少樣機制造試驗次數，縮短新產品試驗期。2）CAE 技術應用可實現設計者、產品用戶在設計階段信息的互反饋。3）CAE 技術代替實際試驗，實現了試驗不受場地、時間和次數的限制，具體應用如下。

2.1 結構優化

利用有限元和優化設計方法可對零件結構和性能進行優化。通常采用的優化方法有：1）拓撲優化。多應用在結構的概念設計階段。主要思想是將尋求結構的最優拓撲問題轉化為在給定的設計區域內尋求最優材料分布的問題。目前常用的連續體結構的拓撲優化方法有：變厚度法、變密度法及均勻化方法。2）形貌優化。可以對加強筋的形式、走向和位置深度等參數進行優化。3）形狀和尺寸優化。這種結構設計方法已用于汽車后軸差速器殼體、半軸等零件設計。圖4（a）為行李箱內板結構優化的位移云圖［7］。

圖4 CAE 在輕量化設計中的應用

2.2 制造工藝分析優化

在先進加工制造技術上，CAE 也有較廣泛的應用，內高壓的成形，鑄造鎂合金的流動分析、注塑零件的充填等都能利用CAE 進行分析和優化。圖4（b）為內高壓成形極限圖。隨著高內壓產品的逐步復雜化以及精度要求的不斷提高，建立一套科學的板料成形分析系統來分析、預測沖壓件的變形狀態和材料流動行為，將作為模具設計的依據。

2.3 優化方案的校核

汽車零部件輕量化的前提是不影響零部件的強度，因此優化方案需要進行校核計算。在現今大多數工程問題中，這種模型校核和驗證都是根據已有的設計經驗用手動試湊方法實現，繁瑣、主觀和費時。使用CAE 工具對參數的設計和強度分析顯得愈加重要，這類模型校核與驗證，將極大地提高設計工作的效率。圖4（b）為汽車分動器齒輪傳動校核［8］。

3 結語

市場的高速發展給汽車企業帶來了機會的同時也面臨著巨大的挑戰，汽車零部件輕量化成為未來發展趨勢，各種先進的輕量化技術方法和制造技術成為未來產業競爭制高點。CAE 技術以其較突出的優點在輕量化設計中的應用對于提升行業、企業自主研發能力，實現節能減排目標具有重大意義和實施的緊迫性。

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