優(yōu)化設計在汽車中的應用

[摘 要]隨著社會的發(fā)展，人們對汽車的需求量快速增加，汽車成為現(xiàn)代社會不可或缺的一部分。在汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展同時，人們對汽車的性能與安全性需求也隨之增大。伴隨著而來的則是研發(fā)水平的提升，使得優(yōu)化設計逐步應用到整個汽車開發(fā)之中。本文主要對優(yōu)化設計的概念，發(fā)展狀況及方法分類進行簡單介紹，同時列舉一些優(yōu)化設計在汽車中的應用，從而加深對汽車優(yōu)化設計的理解。

[關鍵詞]優(yōu)化設計；應用；汽車發(fā)動機；汽車車身；輕量化

中圖分類號：TP117.3 文獻標識碼：A 文章編號：1009-914X（2017）05-0039-01

1、優(yōu)化設計簡介

所謂“優(yōu)化設計”是指：研究問題和尋求解決問題的最優(yōu)方案，“最優(yōu)”兩字應理解為在給定條件下得到盡可能滿意的結(jié)果。優(yōu)化設計是20世紀60年代初發(fā)展起來的一門新學科，它將最優(yōu)化原理和計算機技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。實踐證明，最優(yōu)化設計是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良性能，減輕自重和體積，降低工程造價的一種有效方法，同時，也可以使得設計者從大量繁瑣工作總作中解脫出來，大大提高工作效率。優(yōu)化設計包括兩部分內(nèi)容。第一個是建立優(yōu)化設計的數(shù)學模型，同時選取設計變量，得出目標函數(shù)并給出約束條件。第二則是采用優(yōu)化設計的方法，求解所建立的數(shù)學模型，得出最優(yōu)值。

優(yōu)化設計方法的分類：（1）根據(jù)優(yōu)化問題的不同特點進行分類，包括無約束優(yōu)化問題和約束最優(yōu)化問題。（2）根據(jù)函數(shù)類型分類，可分為線性優(yōu)化，二次優(yōu)化，以及非線性優(yōu)化。

2、優(yōu)化設計在汽車設計中的應用

2.1 汽車發(fā)動機的優(yōu)化設計

近幾年針對汽車發(fā)動機的研發(fā)，重點包括降低油耗，減排，降低磨損，減輕質(zhì)量等，因此，在發(fā)動機的設計研發(fā)中有必要引入優(yōu)化設計這一重要手段。目前，針對發(fā)動機，主要是對發(fā)動機的結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化，以提高其性能；選取適當材料實現(xiàn)發(fā)動機的輕量化，減輕車重；精確控制發(fā)動機內(nèi)燃燒以及降低排放等。發(fā)動機的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是優(yōu)化一些關鍵零部件的形狀以提高發(fā)動機的性能。此方面的研究有人總結(jié)國內(nèi)外對航空發(fā)動機葉片，輪盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀，提出一種將動態(tài)分析和結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設計相結(jié)合的新方法；闡述了CAD/CAE技術在電噴汽油機進氣歧管設計和螺旋氣道設計的應用效果；基于一種高效的有限元方法對三維復雜形狀連桿進行優(yōu)化設計；基于有限元分析和優(yōu)化技術，提出一種發(fā)動機曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在發(fā)動機主要零部件活塞、連桿和曲軸的設計中，應用三維軟件CATIA分別建立了活塞、連桿和曲軸的三維模型。然后對其進行虛擬裝配，對裝配體有限元模型進行熱力耦合分析，解決曲柄連桿機構(gòu)結(jié)構(gòu)設計的剛強度評價問題。

對于實現(xiàn)發(fā)動機的輕量化，主要針對發(fā)動機的材料進行優(yōu)化設計。近幾年來，在發(fā)動機的設計上，應用了許多新型材料，如：氧化硅，氮化硅，碳化硅以及合成石墨等，通過建立發(fā)動機復合材料截面應力應變解析式和最大應力準則，對發(fā)動機進行強度優(yōu)化設計。

發(fā)動機的燃燒過程影響著節(jié)能環(huán)保。隨著世界各國對于能源問題以及環(huán)境問題重視，發(fā)動機燃燒過程的優(yōu)化設計也愈發(fā)受到人們的關注。目前主要針對噴射系統(tǒng)，進氣系統(tǒng)，燃燒室部分進行優(yōu)化。對于發(fā)動機的噴射系統(tǒng)，主要是借助電子控制技術，根據(jù)發(fā)動機以及汽車的運行狀況，精確控制噴油定時與噴油次數(shù)，以實現(xiàn)噴油過程的優(yōu)化設計。同時采用多目標設計方法，優(yōu)化發(fā)動機燃燒系統(tǒng)與配氣機構(gòu)匹配。在燃燒室的優(yōu)化設計中，采用計算機仿真手段對天然氣汽車發(fā)動機的空燃比進行優(yōu)化以改善發(fā)動機的性能。

2.2 汽車車身優(yōu)化設計

汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質(zhì)量就約占汽車總質(zhì)量的五分之二，為了實現(xiàn)減排，降低油耗，同時實現(xiàn)行駛的安全性，使得車身輕量化成為汽車車身優(yōu)化設計的重點。因此，在針對汽車車身進行優(yōu)化設計的時候，應從輕量化入手，并達到車身輕量化的目的。

要實現(xiàn)汽車車身的輕量化，目前有以下幾種途徑。第一，從車身的根本著手，實現(xiàn)汽車零部件的輕量化。對汽車零部件進行優(yōu)化設計，主要借助于CAE方法重新對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計，以分析校核——優(yōu)化分析設計——再次分析校核的循環(huán)式方法減輕零部件的重量并提高其強度。同時也可以對制造工藝進行優(yōu)化，來實現(xiàn)車身的輕量化。第二，對汽車實體結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設計。在對汽車車身輕量化優(yōu)化設計以前，采用CAD對汽車結(jié)構(gòu)布局進行設計，對整個車輛進行分析，選取適當?shù)牧悴考约安牧?，來實現(xiàn)車身輕量化。隨著有限元技術的成熟和高速電子計算機技術的出現(xiàn)，使得車身骨架動態(tài)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計成為可能。靜態(tài)分析以及動態(tài)分析主要用來查明車身應力分布和變形，分析模態(tài)和固有頻率，檢驗車身結(jié)構(gòu)合理性?；谟邢拊椒ǖ能嚿斫Y(jié)構(gòu)的優(yōu)化首先應建立車身結(jié)構(gòu)有限元模型同時對車身各部件進行簡化，計算工況，考慮到車身優(yōu)化涉及的變量較多，可采用分段優(yōu)化的方法，優(yōu)化過程中容易收斂于局部最優(yōu)解。最后進行優(yōu)化分析以實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不僅可以減少材料，減輕自重，實現(xiàn)動力性和經(jīng)濟性的提升。

總結(jié)

本文主要針對優(yōu)化設計在汽車行業(yè)的運用的部分內(nèi)容作簡單介紹，優(yōu)化設計也在其他行業(yè)被廣泛應用，隨著時代的發(fā)展，優(yōu)化設計也會更加的普及，同時也會給人們帶來更多的便利，逐步改變?nèi)祟惿睿苿尤祟惿鐣陌l(fā)展。

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作者簡介

姓名：王興凱，男，1995年3月，籍貫：遼寧省葫蘆島市綏中縣，陜西省西安市，長安大學汽車學院，學校郵編：710021，研究方向，車輛工程。