基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)研究

劉同舟

(林口縣交通運(yùn)輸綜合行政執(zhí)法大隊(duì)，黑龍江 林口 157600)

1 國(guó)內(nèi)汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)現(xiàn)狀

當(dāng)前，在國(guó)內(nèi)汽車輕量化主要有兩大實(shí)現(xiàn)途徑：(1)在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中采用輕量化材料，比如高強(qiáng)度鋼材，鋁合金等強(qiáng)度較高、重量較輕的材料；(2)采用CAE技術(shù)優(yōu)化汽車零部件設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，使汽車零部件中空化、薄壁化、復(fù)合化、小型化，并在汽車零部件的結(jié)構(gòu)和工藝等方面進(jìn)一步改進(jìn)，以最大限度地減輕汽車零部件的質(zhì)量。相關(guān)研究證實(shí)：輕量化材料和CAE技術(shù)這兩種汽車輕量化實(shí)現(xiàn)途徑是相輔相成的，在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中需采用材料替換和技術(shù)改進(jìn)相結(jié)合的方式，這樣才可確保汽車在不影響整體性能和質(zhì)量的前提下，以最大限度減輕汽車各零部件質(zhì)量。與傳統(tǒng)汽車輕量化設(shè)計(jì)方式相比，CAE技術(shù)在實(shí)現(xiàn)汽車輕量化方面具有不可比擬的優(yōu)越性。

2 CAE技術(shù)概述

CAE技術(shù)(計(jì)算機(jī)輔助工程技術(shù))是由計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合而形成的一種新興技術(shù)，其理論基礎(chǔ)是有限元法和數(shù)值分析法。有限元法是將數(shù)值連續(xù)的求解區(qū)域分散為按一定方式連結(jié)在一起的有限個(gè)單元組合體，可用于求解幾何形狀復(fù)雜的數(shù)值；數(shù)值分析法是一種較為有效的計(jì)算機(jī)數(shù)值計(jì)算方法，具有理論可靠、實(shí)際可行和計(jì)算復(fù)雜性好等優(yōu)點(diǎn)，數(shù)值分析近年來(lái)迅速發(fā)展已成為數(shù)學(xué)領(lǐng)域中一門獨(dú)立課程。

CAE技術(shù)按目標(biāo)可分為靜態(tài)分析、動(dòng)態(tài)分析、優(yōu)化分析和可靠性分析；按研究對(duì)象的物理屬性可分為靜力計(jì)算、動(dòng)力計(jì)算、疲勞計(jì)算、運(yùn)功計(jì)算、流體分析、塑性分析和熱分析等。CAE軟件將有限元法、數(shù)值分析、圖像處理、優(yōu)化設(shè)計(jì)、工程管理學(xué)和人機(jī)智能工程等多種技術(shù)集為一體，是一種綜合性、知識(shí)密集型信息計(jì)算軟件。

3 CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

在國(guó)內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)中，運(yùn)用CAE技術(shù)，結(jié)合有限元法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化法對(duì)汽車零部件進(jìn)行精簡(jiǎn)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)，筆者從汽車車身結(jié)構(gòu)、汽車車架結(jié)構(gòu)和汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件這3方面研究CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中的具體應(yīng)用。

3.1 汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

在節(jié)約能源和環(huán)境保護(hù)方面，汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)尤為重要。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，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(jié)約材料，降低生產(chǎn)成本，又可降低耗油量，減少環(huán)境污染，且符合我國(guó)一直倡導(dǎo)的綠色環(huán)?？沙掷m(xù)發(fā)展的理念。CAE技術(shù)通過(guò)拓?fù)浞绞絻?yōu)化汽車車身，提升汽車各種參數(shù)指標(biāo)，在采用CAE技術(shù)對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)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(shè)計(jì)工程師從有限元拓?fù)浼夹g(shù)入手，在汽車車身結(jié)構(gòu)初始劃分階段進(jìn)行CAE技術(shù)設(shè)計(jì)，將拓?fù)渌媒Y(jié)果作為進(jìn)行汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)的依據(jù)，進(jìn)而設(shè)計(jì)出更為安全有效的汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)。

3.2 汽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的構(gòu)成要素，也是汽車消費(fèi)者關(guān)注和汽車設(shè)計(jì)專家分析和優(yōu)化的重點(diǎn)對(duì)象，隨著CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)的應(yīng)用，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)不斷完善，并成為汽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的有效方式，且常見的NASTRAN和ANSYS等有限元分析軟件均可實(shí)現(xiàn)拓?fù)涔δ?，已被逐步?yīng)用到部分汽車車架的輕量化設(shè)計(jì)中。據(jù)相關(guān)汽車設(shè)計(jì)技術(shù)報(bào)告顯示：在汽車車架輕量化設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)已被應(yīng)用到基本設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)和概念設(shè)計(jì)等過(guò)程中，著重分析拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在汽車概念設(shè)計(jì)初始階段的應(yīng)用，并提升其在汽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)中的實(shí)用性。在實(shí)際設(shè)計(jì)操作中，根據(jù)最優(yōu)拓?fù)涫降姆治鼋Y(jié)果明確使用衡量數(shù)量及不同位置的縱梁加強(qiáng)模式，真正將汽車車架輕量化落到實(shí)處。當(dāng)然，也可采用構(gòu)建拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，采用CAE技術(shù)在ANSYS有限元分析軟件進(jìn)行二次開發(fā)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)汽車集裝箱和半掛車架的優(yōu)化。

3.3 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件輕量化設(shè)計(jì)

發(fā)動(dòng)機(jī)是汽車正常行駛的主要?jiǎng)恿?lái)源，隨著我國(guó)汽車類型的不斷涌現(xiàn)，廣大汽車消費(fèi)者對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的性能要求也逐漸提高。研究表明：發(fā)動(dòng)機(jī)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(fā)動(dòng)機(jī)的體積， 減輕發(fā)動(dòng)機(jī)的重量， 最大限度地降低汽車自身總重量。采用CAE技術(shù)，在發(fā)動(dòng)機(jī)剛度恒定的情況下，可有效減輕其自身重量。目前常見的拓?fù)鋬?yōu)化模式是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)主軸承蓋及連桿蓋采用優(yōu)化措施，且取得良好效果。一些汽車設(shè)計(jì)公司采用CAE技術(shù)拓?fù)滠浖O(shè)計(jì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)零部件，既提升自振頻率，又減輕發(fā)動(dòng)機(jī)自身重量，比如一汽集團(tuán)，在設(shè)計(jì)新型發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，采用CAE技術(shù)拓?fù)滠浖鎯?yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)支架，在自身重量降低10%的結(jié)果下，恒定最大定力，有效提升剛度。此外，一些汽車設(shè)計(jì)專家借助材料替換和結(jié)構(gòu)改造的方式，輕量化設(shè)計(jì)發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)和發(fā)動(dòng)機(jī)外板，既減輕其自身重量，也同時(shí)解決發(fā)動(dòng)機(jī)罩內(nèi)斷裂問(wèn)題。

在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中，采用CAE技術(shù)全面優(yōu)化，增強(qiáng)其初始結(jié)構(gòu)方案的合理性，通過(guò)各種參數(shù)優(yōu)化及優(yōu)化設(shè)計(jì)模式，進(jìn)而獲得剛度及設(shè)計(jì)要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，是我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步健康可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢(shì)。當(dāng)前，國(guó)內(nèi)很多汽車設(shè)計(jì)公司都在進(jìn)一步研究如何采用CAE技術(shù)最大限度實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)?；贑AE技術(shù)的輕量化設(shè)計(jì)是以基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計(jì)、實(shí)踐論證、工廠制造和回收利用等為基礎(chǔ)內(nèi)容的汽車產(chǎn)業(yè)重要課題之一，必將經(jīng)歷一個(gè)不斷探索的過(guò)程，持續(xù)提高我國(guó)汽車產(chǎn)業(yè)的輕量化設(shè)計(jì)水平，同時(shí)為國(guó)內(nèi)的能源節(jié)約和環(huán)境保護(hù)作出一定的貢獻(xiàn)。