CAE結構優化在汽車輕量化開發中的作用

摘要：隨著汽車市場競爭的加劇以及對純電動汽車續航里程需求不斷提升，汽車輕量化越發受到整車企業的重視。汽車輕量化途徑主要有材料及工藝輕量化和結構輕量化，其中結構輕量化主要是通過CAE方法對車輛結構進行優化設計。本文基于車型開發不同階段，詳細論述了CAE結構優化在車型輕量化開發過程中的作用。關鍵詞：汽車輕量化;CAE結構優化;輕量化開發

中圖分類號：U461

文獻標識碼：A

0 引言

隨著消費者對新能源電動汽車續航里程要求的不斷增加，汽車企業一方面通過增大動力電池容量來增加續航里程，另一方面通過對汽車進行輕量化設計來降低整車質量，提升續航里程。在動力電池儲能技術進步有限的情況下，汽車輕量化被各大汽車企業高度重視，甚至要求在項目開發過程中，同步進行輕量化優化設計。

汽車輕量化主要有兩大途徑：一是使用輕量化材料及相應的制造工藝;二是通過對車輛結構進行優化設計。在車型開發過程中，車用輕量化材料的選取及相應成形工藝的確定，基本在項目定義初期或方案階段之前開展。一旦材料及成形工藝初步明確，如何實現最優的結構設計將是汽車企業不斷追求的目標。CAE結構優化可用于對零部件或系統結構進行全階段詳細優化，實現輕量化設計。常用的結構優化方法有拓撲優化、形狀優化和尺寸優化等。在實際項目中，通過結合使用不同結構優化方法，可使零部件達到用材少、質量輕和性能優的目的。

1 CAE結構優化在車型開發不同階段的作用

輕量化設計是一個伴隨整車開發流程的系統性和連續性開發工作。CAE結構優化可從前期項目定義之后，到樣車試生產之前，對整車或系統進行合理的輕量化設計，此類結構優化工作在項目過程中越早開展輕量化作用越大。

1.1 車型開發概念設計階段

在車型項目概念階段，一旦整車基本尺寸如軸距、長、寬和高確定之后，CAE便可基于基礎車型數據建立Morph變形塊，對其進行適當變形，得到前期概念階段新開發車型的車身模型，用于前期結構優化研究。在項目初期，新開發車型不可能有具體結構CAD數據。此階段可首先重點對車型框架結構進行優化研究，以先主后次的優化設計理念，確保車型框架結構的最優設計。

CAE拓撲優化可從車型尺寸整體空間上識別出合理的框架路徑，指導工程師在設計過程中，將材料分布到最需要加強的路徑位置，提高材料利用率。比如某設計團隊通過使用不同工程約束控制，對平臺化車身架構進行多工況作用，尋找車身架構的最優載荷傳遞路徑，為前期平臺化車身架構的概念設計提供有力的參考[1]。某汽車品牌設計團隊在車型開發前期，采用OptiStruct優化軟件，基于彎曲扭轉剛度、正面碰撞、后面碰撞和側面碰撞多個工況，以柔度最小化為目標對白車身進行了拓撲優化研究，分別獲取了各單個工況及綜合工況下的車身結構傳力路徑，為后期結構設計提供最優的車架拓撲架構[2]。

CAE形狀優化或尺寸優化可用來對前期概念車型結構進行詳細優化研究，以快速指導車型結構數據設計。常用的形狀優化方法有：基于SFECONCEPT軟件對結構進行隱式參數化建模;基于morph變形對結構建立其包絡變形體實現參數化建模，以及對詳細結構模型建立其1D梁單元簡化模型等，開展零件形狀和尺寸大小參數化優化設計。某設計團隊借助DEPMorpher軟件，通過在車型有限元模型中對軸距和輪距加長與加寬以及造型面貼合等一系列網格變形、靈敏度分析和多目標優化[3]，在車身開發早期對白車身的截面尺寸以及板厚進行了研究，實現了概念階段的輕量化效果。2012年，某設計團隊在車身開發早期階段，借助SFECONCEPT軟件建立隱式白車身參數化模型[4]，通過多學科優化，找到白車身零件形狀、尺寸、位置與厚度等參數之間最優匹配組合，并滿足系統各項性能要求，實現白車身減重12.00kg。

傳統CAE分析通常在車型詳細結構CAD數據確定之后進行，更側重性能驗證與設計改進。通過在車型概念階段引入CAE結構優化，結構可變更的空間會更大，難度相對較小。傳統CAE分析模式在項目前期輕量化參與度較低，在項目后期因輕量化可改動的空間大大減少，導致責任和難度增大。改進后的CAE模式在項目前期參與度較高，盡早實現結構輕量化優化設計，可大大減少車型后期輕量化減重難度。

1.2 車型開發詳細設計階段

傳統開發模式下，通常優先確保車型結構性能滿足目標要求，輕量化工作會相對滯后開展。項目組或設計部門根據造型數據輸入后，開始進行主斷面和車型詳細數據設計，主要是以參考競品車或者標桿車的方式去設計。之后CAE部門開始對詳細數據進行建模分析及改進優化，在車輛結構主要性能達標后，開始輕量化工作。傳統開發模式下，由于沒有進行先期結構優化工作，結構布置和空間尺寸等限制較大，導致結構可變動的空間有限，輕量化難度相對加大。

在車型輕量化開發模式下，由于前期概念階段進行了大量的結構優化工作，此階段車型路徑結構即達到相對最優狀態，不存在明顯設計不合理現象，在整車基本關鍵性能達標前期下，輕量化工作可快速開展，工程師在相對充裕的時間內實現最大幅度減重。此階段可重點通過CAE形狀優化和尺寸優化等方法，對車型詳細結構進行輕量化設計。某汽車品牌設計團隊利用SFEConcept軟件建立某轎車白車身的參數化模型，結合相對靈敏度分析確定白車身非安全件為設計變量，最終通過最優拉丁超立方方法、徑向基神經網絡和第二代非劣排序遺傳算法，對白車身進行多目標優化設計。在白車身靜態彎曲剛度、扭轉剛度、一階彎曲模態固有頻率及一階扭轉模態固有頻率，在正碰安全性能基本不變的情況下，實現白車身減重24.17kg[5]。

在車型開發詳細階段，通常車型結構基本不會進行大的改變，例如對車身傳力路徑上的結構組成進行變更。此階段，可通過CAE形狀優化和尺寸優化等具體結構優化方法，對整車進行全局輕量化減重，達到零件結構形狀、厚度和性能最優匹配，避免傳統依靠人為主觀經驗設定輕量化方案法所產生的盲目與矛盾。

1.3 車型開發樣車測試階段

車型開發過程中，整車性能目前還無法達到只通過CAE仿真即可確保滿足目標要求。通過對樣車進行物理試驗，可真實反映車輛結構中具體存在的問題，進而指導CAE更準確地對車輛進行優化設計。

通常在此階段，針對暴露出的結構問題，設計工程師及仿真工程師將結合具體問題對結構進行一定的改進，例如增加結構小件、增加連接或加大零件尺寸等，其中多數情況下，改進方案會帶來系統質量或成本的增加。在此情況下，通過借助CAE形狀優化、尺寸優化以及形貌優化等結構優化方法，可最大程度實現方案在滿足性能的基礎上，達到質量和成本最小化。某汽車品牌設計團隊針對某款SUV車型工裝樣車，在試驗場可靠性道路試驗中出現的擺臂結構開裂問題，應用HyperMorph和HyperStudy優化模塊，對初步改進后的幾何結構進行智能優化，找到最佳的結構幾何尺寸，快速有效地解決工程驗證中出現的實際問題，降低了后期問題整改的驗證成本和周期[6]。某汽車品牌設計團隊針對某型號汽車發動機艙蓋耐久開裂問題，建立了發動機艙蓋耐久的有限元模型，對開裂問題進行了焊點數量與位置優化分析，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設計要求[7]。

2 結束語

汽車設計開發過程中，考慮到車型平臺定義等因素，零件選材及相應的生產工藝在項目初期通常已基本確定，尤其是車身結構件。因此，在車型項目輕量化設計過程中，CAE結構優化起到重要作用。在當前汽車平臺化和模塊化開發趨勢下，結構優化也是最終決定汽車輕量化水平的唯一途徑。

【參考文獻】

[1]趙永宏.袁煥泉，陳東，等.平臺化車身架構拓撲優化方法研究[J].汽車仿真與測試，2018，4：83-87.

[2]張繼游.基于OptiStruct的白車身拓撲優化研究[C].Altair2012技術大會論文集，2012.

[3]史國宏，陳勇，楊雨澤，等.白車身多學科輕量化優化設計應用[J].機械工程學報，2012，48（8）：110-114.

[4]陳東，姜葉潔，張琪.車身概念階段輕量化設計[J].設計研究，2018，17：159-162.

[5]王傳青，馬亮，董傳林.參數化白車身結構輕量化多目標優化[J].計算機輔助工程，2018，27（1）：15-21.

[6]李芹英.某SUV車型工裝樣車擺臂結構開裂問題優化分析[C].Altair2012技術大會論文集，2012.

[7]陸志成.HyperWorks在某車機罩耐久開裂分析中應用[C].Altair2015技術大會論文集，2015.