基于CAE技術的汽車零部件輕量化設計研究

劉同舟

(林口縣交通運輸綜合行政執法大隊，黑龍江 林口 157600)

1 國內汽車零部件輕量化設計現狀

當前，在國內汽車輕量化主要有兩大實現途徑：(1)在汽車零部件輕量化設計中采用輕量化材料，比如高強度鋼材，鋁合金等強度較高、重量較輕的材料；(2)采用CAE技術優化汽車零部件設計結構，使汽車零部件中空化、薄壁化、復合化、小型化，并在汽車零部件的結構和工藝等方面進一步改進，以最大限度地減輕汽車零部件的質量。相關研究證實：輕量化材料和CAE技術這兩種汽車輕量化實現途徑是相輔相成的，在汽車零部件輕量化設計中需采用材料替換和技術改進相結合的方式，這樣才可確保汽車在不影響整體性能和質量的前提下，以最大限度減輕汽車各零部件質量。與傳統汽車輕量化設計方式相比，CAE技術在實現汽車輕量化方面具有不可比擬的優越性。

2 CAE技術概述

CAE技術(計算機輔助工程技術)是由計算機技術和工程分析技術相結合而形成的一種新興技術，其理論基礎是有限元法和數值分析法。有限元法是將數值連續的求解區域分散為按一定方式連結在一起的有限個單元組合體，可用于求解幾何形狀復雜的數值；數值分析法是一種較為有效的計算機數值計算方法，具有理論可靠、實際可行和計算復雜性好等優點，數值分析近年來迅速發展已成為數學領域中一門獨立課程。

CAE技術按目標可分為靜態分析、動態分析、優化分析和可靠性分析；按研究對象的物理屬性可分為靜力計算、動力計算、疲勞計算、運功計算、流體分析、塑性分析和熱分析等。CAE軟件將有限元法、數值分析、圖像處理、優化設計、工程管理學和人機智能工程等多種技術集為一體，是一種綜合性、知識密集型信息計算軟件。

3 CAE技術在汽車零部件輕量化設計中的應用

在國內汽車產業中，運用CAE技術，結合有限元法和結構優化法對汽車零部件進行精簡，進而實現汽車零部件輕量化設計，筆者從汽車車身結構、汽車車架結構和汽車發動機零部件這3方面研究CAE技術在汽車零部件輕量化設計中的具體應用。

3.1 汽車車身結構輕量化設計

在節約能源和環境保護方面，汽車車身結構的輕量化設計尤為重要。據相關數據統計，一般情況下汽車的車身重量在整車自重中所占比例為45%～50%，減輕汽車車身重量，既可節約材料，降低生產成本，又可降低耗油量，減少環境污染，且符合我國一直倡導的綠色環保可持續發展的理念。CAE技術通過拓撲方式優化汽車車身，提升汽車各種參數指標，在采用CAE技術對汽車車身結構輕量化后，車身重量降低為原有的80%，性能提高到原有的1.5倍。汽車設計工程師從有限元拓撲技術入手，在汽車車身結構初始劃分階段進行CAE技術設計，將拓撲所得結果作為進行汽車零部件輕量化設計的依據，進而設計出更為安全有效的汽車車身輕量化結構。

3.2 汽車車架結構輕量化設計

汽車車架是汽車結構中最為關鍵的構成要素，也是汽車消費者關注和汽車設計專家分析和優化的重點對象，隨著CAE技術在汽車產業的應用，拓撲優化技術不斷完善，并成為汽車車架結構輕量化設計的有效方式，且常見的NASTRAN和ANSYS等有限元分析軟件均可實現拓撲功能，已被逐步應用到部分汽車車架的輕量化設計中。據相關汽車設計技術報告顯示：在汽車車架輕量化設計中，CAE技術已被應用到基本設計、詳細設計和概念設計等過程中，著重分析拓撲優化技術在汽車概念設計初始階段的應用，并提升其在汽車車架結構輕量化設計中的實用性。在實際設計操作中，根據最優拓撲式的分析結果明確使用衡量數量及不同位置的縱梁加強模式，真正將汽車車架輕量化落到實處。當然，也可采用構建拓撲優化模型進行車架結構輕量化設計，采用CAE技術在ANSYS有限元分析軟件進行二次開發，進而實現汽車集裝箱和半掛車架的優化。

3.3 汽車發動機零部件輕量化設計

發動機是汽車正常行駛的主要動力來源，隨著我國汽車類型的不斷涌現，廣大汽車消費者對汽車發動機的性能要求也逐漸提高。研究表明：發動機是汽車自身重量的重要組成部分，在滿足其高效率、高可靠性的前提下，盡量縮小汽車發動機的體積， 減輕發動機的重量， 最大限度地降低汽車自身總重量。采用CAE技術，在發動機剛度恒定的情況下，可有效減輕其自身重量。目前常見的拓撲優化模式是對發動機主軸承蓋及連桿蓋采用優化措施，且取得良好效果。一些汽車設計公司采用CAE技術拓撲軟件設計汽車發動機零部件，既提升自振頻率，又減輕發動機自身重量，比如一汽集團，在設計新型發動機時，采用CAE技術拓撲軟件全面優化發動機支架，在自身重量降低10%的結果下，恒定最大定力，有效提升剛度。此外，一些汽車設計專家借助材料替換和結構改造的方式，輕量化設計發動機罩內和發動機外板，既減輕其自身重量，也同時解決發動機罩內斷裂問題。

在汽車零部件輕量化設計中，采用CAE技術全面優化，增強其初始結構方案的合理性，通過各種參數優化及優化設計模式，進而獲得剛度及設計要求的最優結構，是我國汽車產業穩步健康可持續發展的必然趨勢。當前，國內很多汽車設計公司都在進一步研究如何采用CAE技術最大限度實現汽車零部件輕量化設計。基于CAE技術的輕量化設計是以基礎理論、工程設計、實踐論證、工廠制造和回收利用等為基礎內容的汽車產業重要課題之一，必將經歷一個不斷探索的過程，持續提高我國汽車產業的輕量化設計水平，同時為國內的能源節約和環境保護作出一定的貢獻。