有限單元法在汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究

趙國(guó)偉

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)電工程系 四川南充637131）

在保證使用功能和性能的前提下降低汽車(chē)產(chǎn)品的重量，不僅可以節(jié)省材料，還能降低汽車(chē)油耗，提高汽車(chē)產(chǎn)品的利潤(rùn)空間，增強(qiáng)產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)力。因此，汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)理念近年來(lái)獲得眾多整車(chē)廠和零部件供應(yīng)商青睞[1]。

汽車(chē)輕量化的目的是指在確保汽車(chē)原有性能不受影響的前提下，減輕整車(chē)的重量，以減少鋼材和燃油的消耗，降低排放，提高車(chē)速，改善起動(dòng)和制動(dòng)性能[2]。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)主要有兩種途徑：一種是采用質(zhì)量更輕、強(qiáng)度更高、力學(xué)性能更好的新材料來(lái)替換原有材料，另一種是借助于現(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法對(duì)機(jī)械零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝進(jìn)行處理，在保證相關(guān)性能的前提下最大限度地減輕汽車(chē)零部件的重量[3]。輕質(zhì)材料通常意味著更高的成本，常用于大型企業(yè)或配置要求高的車(chē)型，中小型企業(yè)?；诂F(xiàn)代化設(shè)計(jì)方法對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，以改進(jìn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化[4]，從而實(shí)現(xiàn)減輕重量的目的。本文結(jié)合有限單元法和計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化設(shè)計(jì)工具對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品的輕量化設(shè)計(jì)進(jìn)行研究。

1 CAE技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

CAE（ComputerAidedEngineering，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)合形成的現(xiàn)代化分析技術(shù)，其理論基礎(chǔ)為有限單元法。有限單元法是一種有效解決工程問(wèn)題的數(shù)值分析方法，其基本求解思想是將連續(xù)的求解域離散為有限個(gè)互不重疊的單元，根據(jù)結(jié)構(gòu)的單元類(lèi)型、約束、載荷和邊界條件等幾何關(guān)系，建立物理方程，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。

在現(xiàn)代汽車(chē)研發(fā)設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)已經(jīng)運(yùn)用到汽車(chē)設(shè)計(jì)、研發(fā)和制造等各個(gè)環(huán)節(jié)。利用CAE技術(shù)可以在汽車(chē)正向設(shè)計(jì)研發(fā)中對(duì)車(chē)身整體振動(dòng)、剛度和碰撞等性能進(jìn)行仿真模擬分析。產(chǎn)品設(shè)計(jì)應(yīng)在確保汽車(chē)零部件使用性能不降低的前提下實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化的目的。主要包括以下三個(gè)方面：

（1）利用結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，減少零件的數(shù)量，既能降低整車(chē)質(zhì)量，又提高了整車(chē)強(qiáng)度和剛度性能，確保汽車(chē)在滿足使用性能指標(biāo)的前提下減輕零部件的重量。

（2）利用零部件微型化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)輕量化。確保零部件在性能不降低的情況下減小零件尺寸和體積，降低零部件的重量。

（3）利用輕量化系統(tǒng)集成的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。比如轎車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)的前置前驅(qū)或后置后輪的布局，使整車(chē)結(jié)構(gòu)緊湊，實(shí)現(xiàn)整車(chē)輕量化。

2 汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的基本原則

汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的基本原則主要遵循正確的大小、正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、正確的材料和正確的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)四個(gè)方面。

（1）正確的大小主要用于整車(chē)參數(shù)的匹配，即保證輕量化尺寸、質(zhì)量等要素滿足整體設(shè)計(jì)需求，保證綜合油量與質(zhì)量、尺寸、動(dòng)力的匹配等方面的性能要求。

（2）正確的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于保證各類(lèi)零部件的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、力學(xué)性能等滿足設(shè)計(jì)需求，從而保證輕量化后汽車(chē)產(chǎn)品的綜合性能。

（3）使用重量更輕、性能更好的材料是汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)的一種重要手段，在涉及材料變更時(shí)要綜合考慮產(chǎn)品加工技術(shù)對(duì)新材料的影響。選用的材料必須要符合汽車(chē)產(chǎn)品的加工工藝。

（4）正確的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)主要包括汽車(chē)產(chǎn)品各零部件的質(zhì)量分配、連接接頭的結(jié)構(gòu)與剛性、連接方法、制造成本等要素。對(duì)汽車(chē)零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)必須綜合考慮其相對(duì)整車(chē)或某一零件的質(zhì)量占比，某些為保證結(jié)構(gòu)剛性的接頭等需要按設(shè)計(jì)需求予以保留。

3 有限單元法在汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)的發(fā)展，市場(chǎng)上出現(xiàn)了各類(lèi)輕量化設(shè)計(jì)軟件，但主要分為基于拓?fù)鋬?yōu)化和基于參數(shù)優(yōu)化兩種類(lèi)型。拓?fù)鋬?yōu)化的基本方法是在給定的可設(shè)計(jì)空間中，根據(jù)指定的載荷和邊界條件計(jì)算出一個(gè)最佳的輕量化設(shè)計(jì)方案。參數(shù)優(yōu)化則是快速集成和耦合相關(guān)CAD、CAE或數(shù)值分析軟件，通過(guò)定義機(jī)械零件中需要優(yōu)化的尺寸參數(shù)，將所有輕量化流程組織到一個(gè)集成框架中，自動(dòng)運(yùn)行仿真軟件，自動(dòng)重啟設(shè)計(jì)流程，并自動(dòng)計(jì)算每一組可行解的可靠性，提供多組可靠性強(qiáng)的優(yōu)化方案。本文主要結(jié)合參數(shù)優(yōu)化的方法搭建輕量化設(shè)計(jì)流程。

首先借助于CATIA軟件建立相關(guān)零部件的三維模型，通過(guò)ABAQUS軟件進(jìn)行分析，獲得初始的分析結(jié)果，然后通過(guò)計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化軟件ISIGHT結(jié)合CATIA和ABAQUS軟件進(jìn)行優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果，從而判斷不同零件結(jié)構(gòu)的可靠性，最后再對(duì)可靠性較高的優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析驗(yàn)證，最終得到優(yōu)化后的CATIA模型。具體包括以下三個(gè)方面：

3.1 精確建立有限元模型并求解

通過(guò)CATIA建立準(zhǔn)確的CAD模型，結(jié)合有限元分析軟件ABAQUS對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品在實(shí)際工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況進(jìn)行模擬分析，確定該產(chǎn)品是否還有進(jìn)一步輕量化的空間。若應(yīng)力小于該產(chǎn)品材料的疲勞極限，則說(shuō)明該產(chǎn)品有進(jìn)一步輕量化的空間。在這一環(huán)節(jié)中需要合理建立研究對(duì)象的有限元模型，包括材料屬性、單元類(lèi)型的選擇，邊界條件、分析步的設(shè)置等。一般而言，建議采用六面體單元，邊界條件盡可能與實(shí)際工況保持一致，不能完全保持一致時(shí)，利用圣維南原理作近似處理。條件允許的可以結(jié)合實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，以驗(yàn)證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的輕量化設(shè)計(jì)做好前期準(zhǔn)備。

3.2 搭建輕量化過(guò)程

在參數(shù)優(yōu)化軟件ISIGHT中耦合CATIA和ABAQUS，搭建輕量化集成框架。具體搭建過(guò)程如下：

（1）在CATIA中啟用宏錄制對(duì)需要優(yōu)化的尺寸參數(shù)進(jìn)行修改，從而得到在CATIA中更改汽車(chē)產(chǎn)品需要優(yōu)化尺寸的宏文件，同時(shí)修改宏文件中目標(biāo)文件的保存路徑為輕量化設(shè)計(jì)的工作路徑，在ISIGHT中設(shè)置優(yōu)化尺寸的變量范圍和賦值規(guī)律。

（2）通過(guò)Python語(yǔ)句調(diào)用ABAQUS對(duì)宏文件中更改尺寸后的CAD模型進(jìn)行有限元分析，同時(shí)輸出被優(yōu)化模型的最大應(yīng)力應(yīng)變值，用于計(jì)算疲勞壽命，優(yōu)化結(jié)果可靠性分析等；

（3）輸出該尺寸對(duì)應(yīng)的輕量化分析結(jié)果，刪除本次循環(huán)產(chǎn)生的中間文件，為下一輪循環(huán)做準(zhǔn)備，如此往復(fù)。

3.3 驗(yàn)證結(jié)果的準(zhǔn)確性

根據(jù)ISIGHT提供的輕量化結(jié)果可以選取可靠性最高的幾組數(shù)據(jù)，對(duì)其進(jìn)行精確建模，對(duì)輕量化結(jié)果進(jìn)行初步驗(yàn)證并選出最好的一組或幾組方案用于實(shí)物驗(yàn)證。

4 結(jié) 語(yǔ)

綜合常用汽車(chē)產(chǎn)品輕量化研究方法，結(jié)合汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)原則，提出采用計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)對(duì)汽車(chē)產(chǎn)品進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法。從建立精確模型分析輕量化空間、確定優(yōu)化參數(shù)，搭建輕量化流程，快速實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)等方面對(duì)ISIGHT集成CATIA和ABAQUS在汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程中的應(yīng)用進(jìn)行分析與評(píng)價(jià)。通過(guò)對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行薄壁化、中空化的參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)減輕汽車(chē)零部件質(zhì)量、節(jié)省產(chǎn)品耗材、提高產(chǎn)品綜合競(jìng)爭(zhēng)力的目標(biāo)。突出計(jì)算機(jī)輔助集成技術(shù)在汽車(chē)產(chǎn)品輕量化設(shè)計(jì)中的可行性和高效性。