淺談CAE技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

高士軒

摘 要：著眼于可持續(xù)發(fā)展，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的兩大問(wèn)題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，因此減輕汽車重量是節(jié)約能源和提高燃料經(jīng)濟(jì)性的最基本途徑之一。汽車輕量化正成為21 世紀(jì)汽車技術(shù)的前沿和熱點(diǎn)。汽車輕量化有兩大途徑： 一是采用輕量化材料，例如采用鋁合金、高強(qiáng)度鋼材等強(qiáng)度更高、重量更輕的新材料;二是利用CAE 技術(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)汽車的結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復(fù)合化以及對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)和工藝改進(jìn)等以最大限度地減輕零部件的質(zhì)量。以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)相結(jié)合的方法，才可能在保證汽車整體質(zhì)量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質(zhì)量。利用CAE 技術(shù)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化有著傳統(tǒng)設(shè)計(jì)手段不可比擬的優(yōu)越性。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù);汽車輕量化設(shè)計(jì);應(yīng)用

從汽車的總體構(gòu)造來(lái)看，占汽車總質(zhì)量比重較大的部分有車身、發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、內(nèi)外裝備等。由此，車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)等部件的輕量化研究對(duì)減輕汽車總質(zhì)量存在很大潛力。

1CAE 的技術(shù)概述

CAE （ Computer Aided Engineering， 計(jì)算機(jī)輔助工程） 技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)，它的理論基礎(chǔ)是有限元法和數(shù)值分析方法。有限元法的基本思想是將連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組有限個(gè)、且按一定方式相互連結(jié)在一起的單元的組合體。由于單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬幾何形狀復(fù)雜的求解域。數(shù)值分析方法是研究適合于在計(jì)算機(jī)上使用的實(shí)際可行、理論可靠、計(jì)算復(fù)雜性好的數(shù)值計(jì)算方法，近40 年來(lái)，數(shù)值分析迅速發(fā)展并成為數(shù)學(xué)科學(xué)中的一個(gè)獨(dú)立學(xué)科。

2 CAE 技術(shù)應(yīng)用范圍

CAE 技術(shù)的應(yīng)用范圍很廣， 發(fā)展也相當(dāng)快，CAE 技術(shù)的功能主要體現(xiàn)在產(chǎn)品的模型建立、工程分析、模擬仿真和優(yōu)化設(shè)計(jì)等幾個(gè)方面。

2.1 工程數(shù)值分析

運(yùn)用工程數(shù)值分析中的有限元等技術(shù)分析計(jì)算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場(chǎng)量， 給出整個(gè)物理場(chǎng)量在空間與時(shí)間上的分布，實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計(jì)算分析到非線性、動(dòng)力的計(jì)算分析。分析內(nèi)容包括靜力分析和動(dòng)力分析兩個(gè)方面。靜力分析通常包括： 線性、（材料、幾何、狀態(tài)）非線性靜力分析;動(dòng)力分析通常包括： 穩(wěn)態(tài)動(dòng)力分析、瞬態(tài)動(dòng)力分析、譜分析。

2.2 仿真

運(yùn)用運(yùn)動(dòng)/ 動(dòng)力學(xué)的理論和方法， 對(duì)由CAD 實(shí)體造型設(shè)計(jì)出的機(jī)構(gòu)、整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)/ 動(dòng)力學(xué)仿真，并給出機(jī)構(gòu)、整機(jī)的運(yùn)動(dòng)軌跡、速度、加速度以及動(dòng)反力的大小等。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法在滿足設(shè)計(jì)、制造、使用的約束條件下， 對(duì)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)、工藝參數(shù)、結(jié)構(gòu)形狀參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)， 使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過(guò)程達(dá)到最優(yōu)。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化通常包括的截面優(yōu)化、幾何優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu)化、結(jié)構(gòu)類型優(yōu)化幾個(gè)層次。

3 CAE 技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE 技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)中得到了廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用CAE 技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)、制造。輕量化的手段之一就是對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化。

利用CAE 技術(shù)， 結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)零部件輕量化的一個(gè)重要研究方向。本文從車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計(jì)、車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)三個(gè)方面講述了CAE 技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

3.1 在車身輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

車身結(jié)構(gòu)的輕量化對(duì)汽車節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計(jì)，客車、轎車和多數(shù)專用汽車車身的質(zhì)量約占整車自身質(zhì)量的40 %～60%。減輕汽車自身的質(zhì)量，一方面節(jié)約了原材料，降低了汽車的生產(chǎn)成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于環(huán)保。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， CAE 技術(shù)在車身輕量化設(shè)計(jì)上得到了廣泛的應(yīng)用。以下文獻(xiàn)證明了車身設(shè)計(jì)輕量化的潛力。

3.2 在發(fā)動(dòng)機(jī)零部件輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

發(fā)動(dòng)機(jī)是整個(gè)汽車的動(dòng)力來(lái)源，隨著新型汽車的不斷發(fā)展，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求也越來(lái)越高，要求現(xiàn)代發(fā)動(dòng)機(jī)有高效率、高可靠性、體積小、質(zhì)量輕的同時(shí)要求有低燃油消耗率和低排放等。發(fā)動(dòng)機(jī)作為汽車最為關(guān)鍵的大總成之一，減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的質(zhì)量對(duì)降低汽車自身重量也至關(guān)重要。從總的趨勢(shì)上看，發(fā)動(dòng)機(jī)一直在向著輕量化的方向發(fā)展，CAE 技術(shù)在發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域也得到廣泛應(yīng)用。

3.3 在車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)件中結(jié)構(gòu)和載荷都很復(fù)雜的重要部件，也是人們首先開(kāi)展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究對(duì)象。近年來(lái)， 隨著CAE 技術(shù)的發(fā)展， 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)成為以提高結(jié)構(gòu)性能或減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量為目標(biāo)的一種新興結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法， 隨著商業(yè)有限元分析軟件，如ANSYS，NASTRAN 中拓?fù)鋬?yōu)化功能的實(shí)現(xiàn)，以及商品化結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件（如OptiStruct，TOSCA 等） 在國(guó)內(nèi)的逐步普及，目前已在車架輕量化設(shè)計(jì)中得到成功應(yīng)用。

4 結(jié)語(yǔ)

綜合國(guó)內(nèi)外已經(jīng)開(kāi)展的研究，采用CAE 技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)輕量化的理論研究和實(shí)際應(yīng)用都取得了重要的進(jìn)展。無(wú)論是從方案設(shè)計(jì)、方案評(píng)價(jià)、模型建立、工程分析等諸多方面實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、輕質(zhì)、整合，還是對(duì)輕量化后汽車的操縱穩(wěn)定性、強(qiáng)度和剛度、行駛安全性、乘坐舒適性等性能指標(biāo)進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)，最終都實(shí)現(xiàn)減輕汽車質(zhì)量，提高燃油經(jīng)濟(jì)性， 減少排放污染的目標(biāo)。彰顯了CAE 技術(shù)在汽車研發(fā)過(guò)程中的作用日益重要。

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