淺談CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用

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濟性的最基本途徑之一。汽車輕量化正成為21 世紀汽車技術的前沿和熱點。

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、高強度鋼材等強度更高、重量更輕的新材料;二是利用CAE 技術優(yōu)化設計汽車的結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對零部件進行結構和工藝改進等以最大限度地減輕零部件的質量。以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結構改進相結合的方法，才可能在保證汽車整體質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量。利用CAE 技術實現(xiàn)汽車輕量化有著傳統(tǒng)設計手段不可比擬的優(yōu)越性。

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

1 CAE 的技術概述

CAE ( Computer Aided Engineering， 計算機輔助工程) 技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術，它的理論基礎是有限元法和數(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雜的求解域。數(shù)值分析方法是研究適合于在計算機上使用的實際可行、理論可靠、計算復雜性好的數(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)學科學中的一個獨立學科。

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

CAE 軟件集成了有限元法、數(shù)值分析、優(yōu)化設計、圖像處理、工程管理學、人機智能工程等多種技術領域，是一種綜合性、知識密集型信息產品，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、材料庫等方面進一步完善， 版本不斷更新， 用戶界面和數(shù)據(jù)管理技術等方面已臻于成熟， 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雜問題。

CAE 技術可以按目標分為靜態(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 技術應用范圍
CAE 技術的應用范圍很廣， 發(fā)展也相當快，CAE 技術的功能主要體現(xiàn)在產品的模型建立、工程分析、模擬仿真和優(yōu)化設計等幾個方面。
2.1 工程數(shù)值分析

運用工程數(shù)值分析中的有限元等技術分析計算產品結構的應力、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)結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。分析內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

運用運動/ 動力學的理論和方法， 對由CAD 實體造型設計出的機構、整機進行運動/ 動力學仿真，并給出機構、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。

2.3 結構優(yōu)化設計

運用優(yōu)化設計的方法在滿足設計、制造、使用的約束條件下， 對產品的結構、工藝參數(shù)、結構形狀參數(shù)進行優(yōu)化設計， 使產品結構性能、工藝過程達到最優(yōu)。

結構優(yōu)化通常包括的截面優(yōu)化、幾何優(yōu)化、拓撲優(yōu)化、結構類型優(yōu)化幾個層次。

3 CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE 技術在汽車設計中得到了廣泛的應用，運用CAE 技術可以實現(xiàn)汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優(yōu)化，實現(xiàn)對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。

利用CAE 技術， 結合有限元法與結構優(yōu)化方法，對零部件進行結構優(yōu)化，是實現(xiàn)零部件輕量化的一個重要研究方向。本文從車身結構優(yōu)化設計、發(fā)動機零部件優(yōu)化設計、車架結構優(yōu)化設計三個方面講述了CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用。

3.1 在車身輕量化設計中的應用

車身結構的輕量化對汽車節(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)專用汽車車身的質量約占整車自身質量的40 %～60%。減輕汽車自身的質量，一方面節(jié)約了原材料，降低了汽車的生產成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于環(huán)保。隨著計算機技術的發(fā)展， CAE 技術在車身輕量化設計上得到了廣泛的應用。以下文獻證明了車身設計輕量化的潛力。

YANG 等研究了基于有限元軟件MSC /NASTRAN和CSA / NASTRAN 的汽車車身、底盤、焊點位置等的拓撲優(yōu)化設計問題，通過優(yōu)化設計，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撲優(yōu)化方法對汽車車身的加強筋部分進行了優(yōu)化，通過優(yōu)化設計，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 等對拓撲優(yōu)化設計在汽車設計中的應用作了綜述， 重點介紹了車身設計的拓撲優(yōu)化進展和存在的問題。高云凱等把拓撲優(yōu)化設計理論引入某電動改裝車的承載式車身設計， 利用先進的有限元分析軟件， 在電動改裝轎車車身結構拓撲優(yōu)化分析中實現(xiàn)了多工況、多狀態(tài)變量條件下的拓撲優(yōu)化設計，確定了下車身的最佳結構方案，進而在此基礎上建立了新的有限元模型，并進行了模態(tài)、剛度和強度分析，設計出最終的下車身改造結構，優(yōu)化后下車身質量為初始基本拓撲結構的10%。陳茹雯等利用基于有限元法的拓撲優(yōu)化技術設計車身大骨架的拓撲結構， 對優(yōu)化后的車身骨架模型進行有限元分析，將其動、靜特性參數(shù)與原設計作比較。研究表明， 經拓撲優(yōu)化后的車身大骨架各項特性參數(shù)指標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)化后的車身質量比原有的車身質量減少了25.65%。于興林等基于有限元法的拓撲優(yōu)化技術，將優(yōu)化提前到車身大骨架的初始劃分階段， 找出其結構最優(yōu)拓撲解，進行了車身結構的優(yōu)化設計。最后以拓撲優(yōu)化的結果為依據(jù)，開發(fā)了一種結構更安全、更輕量化的新型的車身結構。

可見，采用CAE 技術結合有限元法正成為車身輕量化設計中結構優(yōu)化的重要手段，更廣泛的應用還有待進一步研究。

3.2 在發(fā)動機零部件輕量化設計中的應用

發(fā)動機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)動機的要求也越來越高，要求現(xiàn)代發(fā)動機有高效率、高可靠性、體積小、質量輕的同時要求有低燃油消耗率和低排放等。發(fā)動機作為汽車最為關鍵的大總成之一，減輕發(fā)動機的質量對降低汽車自身重量也至關重要。從總的趨勢上看，發(fā)動機一直在向著輕量化的方向發(fā)展，CAE 技術在發(fā)動機設計領域也得到廣泛應用。

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

CAE 技術的拓撲優(yōu)化在發(fā)動機零部件輕量化設計中應用已經比較成熟，更廣泛的應用還有待進一步研究。

3.3 在車架結構輕量化設計中的應用

汽車車架是汽車結構件中結構和載荷都很復雜的重要部件，也是人們首先開展結構分析和結構優(yōu)化設計的研究對象。近年來， 隨著CAE 技術的發(fā)展， 拓撲優(yōu)化技術成為以提高結構性能或減輕結構質量為目標的一種新興結構設計方法， 隨著商業(yè)有限元分析軟件，如ANSYS，NASTRAN 中拓撲優(yōu)化功能的實現(xiàn)，以及商品化結構優(yōu)化軟件(如OptiStruct，TOSCA 等) 在國內的逐步普及，目前已在車架輕量化設計中得到成功應用。

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

由此，CAE 技術在各種特性車的車架的輕量化設計研究中得到了廣泛的應用，并取得了顯著效果。

4 結語

綜合國內外已經開展的研究，采用CAE 技術在汽車結構輕量化的理論研究和實際應用都取得了重要的進展。無論是從方案設計、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、整合，還是對輕量化后汽車的操縱穩(wěn)定性、強度和剛度、行駛安全性、乘坐舒適性等性能指標進行分析與評價，最終都實現(xiàn)減輕汽車質量，提高燃油經濟性， 減少排放污染的目標。彰顯了CAE 技術在汽車研發(fā)過程中的作用日益重要。