淺談CAE 技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

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題。據(jù)統(tǒng)計，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。

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)實現(xiàn)汽車輕量化有著傳統(tǒng)設(shè)計手段不可比擬的優(yōu)越性。

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

1 CAE 的技術(shù)概述

CAE ( Computer Aided Engineering， 計算機(jī)輔助工程) 技術(shù)是計算機(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、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算機(jī)上使用的實際可行、理論可靠、計算復(fù)雜性好的數(shù)值計算方法，近40 年來，數(shù)值分析迅速發(fā)展并成為數(shù)學(xué)科學(xué)中的一個獨立學(xué)科。

CAE 的核心技術(shù)為有限元技術(shù)與虛擬樣機(jī)的運(yùn)動/ 動力學(xué)仿真技術(shù)。主要是用計算機(jī)對工程或產(chǎn)品進(jìn)行性能與安全可靠性分析，對其未來的工作狀態(tài)和運(yùn)行行為進(jìn)行模擬，及早發(fā)現(xiàn)設(shè)計缺陷，并證實工程或產(chǎn)品未來性能的可用性與可靠性。參考文獻(xiàn)將CAE 定義擴(kuò)展為支持從研究開發(fā)到產(chǎn)品檢測整個生產(chǎn)過程的計算機(jī)系統(tǒng)， 包括分析、計算和仿真在內(nèi)的一切研發(fā)活動。

CAE 軟件集成了有限元法、數(shù)值分析、優(yōu)化設(shè)計、圖像處理、工程管理學(xué)、人機(jī)智能工程等多種技術(shù)領(lǐng)域，是一種綜合性、知識密集型信息產(chǎn)品，其中較為著名的有Nastran、Ansys、Abqus、Algor、Marc、Strand7 等。2000 年以來，CAE 軟件在功能、性能、前后處理能力、單元庫、解法庫、材料庫等方面進(jìn)一步完善， 版本不斷更新， 用戶界面和數(shù)據(jù)管理技術(shù)等方面已臻于成熟， 解決了很多實際工程需要解決而理論分析又無法解決的復(fù)雜問題。

CAE 技術(shù)可以按目標(biāo)分為靜態(tài)分析、動態(tài)分析、可靠性分析和優(yōu)化分析;根據(jù)研究對象的物理屬性， CAE 又可以分為靜力計算、動力計算、運(yùn)動(干涉)計算、疲勞計算、熱分析、流體分析、塑性分析及噪聲分析等。

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)計等幾個方面。
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)分析計算產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的應(yīng)力、變形等物理場量， 給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。分析內(nèi)容包括靜力分析和動力分析兩個方面。靜力分析通常包括： 線性、(材料、幾何、狀態(tài))非線性靜力分析;動力分析通常包括： 穩(wěn)態(tài)動力分析、瞬態(tài)動力分析、譜分析。

2.2 仿真

運(yùn)用運(yùn)動/ 動力學(xué)的理論和方法， 對由CAD 實體造型設(shè)計出的機(jī)構(gòu)、整機(jī)進(jìn)行運(yùn)動/ 動力學(xué)仿真，并給出機(jī)構(gòu)、整機(jī)的運(yùn)動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。

2.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

運(yùn)用優(yōu)化設(shè)計的方法在滿足設(shè)計、制造、使用的約束條件下， 對產(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， 使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)性能、工藝過程達(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)化幾個層次。

3 CAE 技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE 技術(shù)在汽車設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用，運(yùn)用CAE 技術(shù)可以實現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、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，對零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實現(xiàn)零部件輕量化的一個重要研究方向。本文從車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計、發(fā)動機(jī)零部件優(yōu)化設(shè)計、車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計三個方面講述了CAE 技術(shù)在汽車輕量化設(shè)計中的應(yīng)用。

3.1 在車身輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

車身結(jié)構(gòu)的輕量化對汽車節(jié)能和環(huán)保具有重要意義。據(jù)統(tǒng)計，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。隨著計算機(jī)技術(shù)的發(fā)展， CAE 技術(shù)在車身輕量化設(shè)計上得到了廣泛的應(yīng)用。以下文獻(xiàn)證明了車身設(shè)計輕量化的潛力。

YANG 等研究了基于有限元軟件MSC /NASTRAN和CSA / NASTRAN 的汽車車身、底盤、焊點位置等的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計問題，通過優(yōu)化設(shè)計，在減輕其車身重量的前提下， 并提高其承載能力和抗變形能力。WANG 等利用有限元法與拓?fù)鋬?yōu)化方法對汽車車身的加強(qiáng)筋部分進(jìn)行了優(yōu)化，通過優(yōu)化設(shè)計，在既定成本下汽車車身的整體剛度能夠得到充分的提高。

FREDRICSON 等對拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計在汽車設(shè)計中的應(yīng)用作了綜述， 重點介紹了車身設(shè)計的拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)展和存在的問題。高云凱等把拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計理論引入某電動改裝車的承載式車身設(shè)計， 利用先進(jìn)的有限元分析軟件， 在電動改裝轎車車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化分析中實現(xiàn)了多工況、多狀態(tài)變量條件下的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計，確定了下車身的最佳結(jié)構(gòu)方案，進(jìn)而在此基礎(chǔ)上建立了新的有限元模型，并進(jìn)行了模態(tài)、剛度和強(qiáng)度分析，設(shè)計出最終的下車身改造結(jié)構(gòu)，優(yōu)化后下車身質(zhì)量為初始基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的10%。陳茹雯等利用基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)設(shè)計車身大骨架的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)， 對優(yōu)化后的車身骨架模型進(jìn)行有限元分析，將其動、靜特性參數(shù)與原設(shè)計作比較。研究表明， 經(jīng)拓?fù)鋬?yōu)化后的車身大骨架各項特性參數(shù)指標(biāo)均有不同程度的提高。優(yōu)化后的車身剛度比原有的車身剛度提高了1.35 倍。優(yōu)化后的車身質(zhì)量比原有的車身質(zhì)量減少了25.65%。于興林等基于有限元法的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，將優(yōu)化提前到車身大骨架的初始劃分階段， 找出其結(jié)構(gòu)最優(yōu)拓?fù)浣?，進(jìn)行了車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計。最后以拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果為依據(jù)，開發(fā)了一種結(jié)構(gòu)更安全、更輕量化的新型的車身結(jié)構(gòu)。

可見，采用CAE 技術(shù)結(jié)合有限元法正成為車身輕量化設(shè)計中結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要手段，更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

3.2 在發(fā)動機(jī)零部件輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

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

采用CAE 技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化的方法，可以在剛度不變的情況下減輕質(zhì)量， 或質(zhì)量不變的情況下提高剛度。目前，拓?fù)鋬?yōu)化方法主要應(yīng)用于主軸承蓋、連桿蓋等的優(yōu)化設(shè)計，并取得了令人滿意的效果。奧迪公司應(yīng)用拓?fù)滠浖M(jìn)行發(fā)動機(jī)支架優(yōu)化， 在自振頻率提高30%的情況下質(zhì)量減輕了20%; 而在進(jìn)行主軸承蓋優(yōu)化設(shè)計中，質(zhì)量減輕了22%。福特公司應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化手段使連桿應(yīng)力降低了17%而保持質(zhì)量不變。國內(nèi)制造商也已經(jīng)開始應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)設(shè)計，如第一汽車集團(tuán)公司在某新型發(fā)動機(jī)設(shè)計中， 應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化對采用經(jīng)驗方法設(shè)計的發(fā)動機(jī)支架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在最大應(yīng)力不變、剛度提高的情況下，零件的質(zhì)量減輕了10%。王宏雁等采用拓?fù)浞椒▋?yōu)化、改進(jìn)結(jié)構(gòu)，并通過有限元結(jié)構(gòu)模擬計算，對汽車發(fā)動機(jī)罩進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計。張宇等采用有限元法以某型多功能乘用車為對象，結(jié)合材料替換與結(jié)構(gòu)改進(jìn)對該車的發(fā)動機(jī)罩內(nèi)、外板進(jìn)行輕量化設(shè)計，同時解決了實車碰撞試驗中發(fā)動機(jī)罩鉸鏈發(fā)生斷裂的問題。輕量化設(shè)計的發(fā)動機(jī)罩板滿足了靜態(tài)剛度設(shè)計要求及整車耐撞安全性能，發(fā)動機(jī)罩內(nèi)、外板的減重效果分別為46. 38%和50.18 %。李紅建等以發(fā)動機(jī)罩內(nèi)板動態(tài)優(yōu)化為對象，介紹了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的基本過程，對優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對比分析，產(chǎn)品試驗數(shù)據(jù)證明了優(yōu)化結(jié)果的可靠性。

CAE 技術(shù)的拓?fù)鋬?yōu)化在發(fā)動機(jī)零部件輕量化設(shè)計中應(yīng)用已經(jīng)比較成熟，更廣泛的應(yīng)用還有待進(jìn)一步研究。

3.3 在車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中的應(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，也是人們首先開展結(jié)構(gòu)分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的研究對象。近年來， 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)化功能的實現(xiàn)，以及商品化結(jié)構(gòu)優(yōu)化軟件(如OptiStruct，TOSCA 等) 在國內(nèi)的逐步普及，目前已在車架輕量化設(shè)計中得到成功應(yīng)用。

例如Altair 公司技術(shù)報告表明，在SUV 車架輕量化設(shè)計中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)涵蓋了從概念設(shè)計階段、基本設(shè)計階段到詳細(xì)設(shè)計階段的全流程， 在概念設(shè)計階段起主要作用的拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到了全面展示。王健等研究了薄板應(yīng)力約束下的變厚度法，并給出了運(yùn)輸車車架拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計的工程應(yīng)用實例。劉齊茂基于ANSYS 軟件，綜合運(yùn)用拓?fù)浼俺叽鐑?yōu)化技術(shù)， 對某型載貨車車架車架進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化獲得車架最優(yōu)拓?fù)湫问剑?根據(jù)車架最優(yōu)拓?fù)湫问酱_定橫梁的數(shù)量及分布位置和縱梁的加強(qiáng)方式， 實現(xiàn)了車架的輕量化設(shè)計。石琴等探討了拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計過程中，拓?fù)鋬?yōu)化模型建立、優(yōu)化過程控制及優(yōu)化結(jié)果分析與應(yīng)用問題， 并在ANSYS 軟件平臺上進(jìn)行了CAE 軟件包的二次開發(fā)，設(shè)計了集裝箱半掛車車架優(yōu)化設(shè)計專用軟件模塊。在結(jié)構(gòu)設(shè)計的開始階段引入拓?fù)鋬?yōu)化理論，先對結(jié)構(gòu)進(jìn)行布局優(yōu)化，以獲得較合理的初始結(jié)構(gòu)方案， 再通過結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化設(shè)計， 得到滿足其強(qiáng)度和剛度及設(shè)計工藝要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。楊樹凱等用變密度法建立了汽車支架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型， 利用有限元法進(jìn)行了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計。趙韓等采用有限元法對某型號半掛汽車車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布進(jìn)行了分析， 形成了車架的初始設(shè)計方案， 進(jìn)而從有限元分析的結(jié)果出發(fā)形成優(yōu)化設(shè)計即輕量化設(shè)計所需要的數(shù)學(xué)模型。并在對有限元模型進(jìn)行試驗驗證的基礎(chǔ)上， 提出了該車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方案并進(jìn)行了有限元強(qiáng)度分析，確定了較合理的車架輕量化設(shè)計方案。桂良進(jìn)建立了某型載貨車車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析有限元模型，計算了多種工況下車架結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分布并以已有的試驗結(jié)果進(jìn)行驗證。在此基礎(chǔ)上，提出該車架結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計方案， 并進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計后車架結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度分析，確定了合理的輕量化設(shè)計方案。蘇慶等運(yùn)用CAE 技術(shù)對某微型客車車架進(jìn)行了結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化設(shè)計，首先計算了靜力撓度， 靜態(tài)彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度， 然后求解了固有模態(tài)， 并在此基礎(chǔ)上獲得典型道路激勵下的瞬態(tài)響應(yīng)， 此外， 還對車架典型薄壁梁結(jié)構(gòu)的耐撞性吸能特性進(jìn)行研究， 配合實驗數(shù)據(jù)， 對車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行了合理的改進(jìn)設(shè)計， 實現(xiàn)了滿足輕量化要求的靜態(tài)優(yōu)化設(shè)計目標(biāo)。

由此，CAE 技術(shù)在各種特性車的車架的輕量化設(shè)計研究中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著效果。

4 結(jié)語

綜合國內(nèi)外已經(jīng)開展的研究，采用CAE 技術(shù)在汽車結(jié)構(gòu)輕量化的理論研究和實際應(yīng)用都取得了重要的進(jìn)展。無論是從方案設(shè)計、方案評價、模型建立、工程分析等諸多方面實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、輕質(zhì)、整合，還是對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)行分析與評價，最終都實現(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)過程中的作用日益重要。