基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設計

李富強　王芳　張文靜

摘要：為提升汽車的行駛性能，降低汽車自身質(zhì)量，提出基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設計方法。該方法以汽車輕量化意義的分析結(jié)果為基礎，確定其輕量化原則；分析汽車設計變量的靈敏度，獲取滿足設計要求的變量參數(shù)；依據(jù)參數(shù)分析結(jié)果，構(gòu)建基于CAE技術(shù)的汽車車身有限元仿真模型，分析設計參數(shù)的優(yōu)劣性，并計算輕量化設計后汽車的自身剛度；構(gòu)建車身輕量化優(yōu)化目標函數(shù)，進行求解后獲取最優(yōu)的輕量化設計參數(shù)結(jié)果。測試結(jié)果顯示：該方法應用效果良好，能夠可靠實現(xiàn)汽車零部件輕量化設計，在保證安全性的前提下，降低汽車質(zhì)量，完成最佳的汽車輕量化設計。

關鍵詞：CAE技術(shù)；汽車零部件；輕量化設計；靈敏度；自身剛度

中圖分類號：U465? 收稿日期：2023-04-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.020

1 前言

汽車產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，對于汽車的能耗、安全以及行車舒適性等方面的需求均明顯提升，因此，汽車行業(yè)也提出汽車輕量化的概念[1]，依據(jù)此概念，可實現(xiàn)汽車的節(jié)能、環(huán)保等。汽車輕量化技術(shù)指的是利用現(xiàn)代設計技術(shù)，以滿足汽車使用需求、行駛安全性以及節(jié)能的前提下，對汽車的結(jié)構(gòu)的設計、汽車材料的選擇、制造技術(shù)等方面進行優(yōu)化調(diào)整[2]，使汽車自身的重量降低，從而提升汽車的動力性、實時性、操作性以及降低汽車能耗以及汽車制造成本[3]。在實際應用過程中，應用較為普遍的輕量化方法主要分為采用輕型材料、提高制造工藝等方式，無論采用哪種輕量化方案，均需以保證汽車安全為前提[4]。但是，在輕量化處理過程中，過于追求降低制造成本，對于材料選擇和制造工藝提升的重視度相對較低，往往存在汽車輕量化后期剛度下降，導致汽車的安全性較低。

CAE技術(shù)屬于一種分析技術(shù)，其是結(jié)合計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)形成，該技術(shù)的理論基礎是有限單元法；該方法能夠有效完成工程問題中數(shù)值分析[5]。該技術(shù)在汽車設計領域匯中具有較好的應用效果，其可完成汽車在設計、研發(fā)、制造等各個環(huán)節(jié)中的計算和分析，其在汽車輕量化中的應用主要包含三個方面：a.汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計；b.汽車零部件微型化設計，即為零部件輕量化設計；c.輕量化系統(tǒng)集成。

本文為實現(xiàn)汽車零部件的輕量化設計，以CAE技術(shù)為核心，研究基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設計方法，利用該技術(shù)的強大功能，分析汽車的剛度情況[6]，并依據(jù)分析結(jié)果進行汽車零部件輕量化目標函數(shù)的構(gòu)建，以此可確保最佳的汽車零部件輕量化效果，以保證汽車安全、降低汽車整體質(zhì)量的前提下，實現(xiàn)汽車輕量化，為汽車設計提供可靠依據(jù)。

2 汽車零部件輕量化設計

2.1 汽車輕量化的意義

2.2 汽車輕量化原則

汽車由多個系統(tǒng)組成，包含車身、底盤、發(fā)動機以及電器設備4個系統(tǒng)，4個系統(tǒng)中還包含若干個零部件，因此，汽車輕量化即為汽車零部件輕量化。在汽車零部件輕量化設計前，需先清楚掌握汽車自身的質(zhì)量分布情況，為保證質(zhì)量分布結(jié)果的可靠性，文中以白車身為例，其質(zhì)量分布情況如表1所示。

結(jié)合表1可知：對于汽車整體質(zhì)量占據(jù)比例較高的為車身、底盤以及發(fā)動機。因此，本文結(jié)合該結(jié)果，選擇在汽車重量中占比最大的車身為例，進行其輕量化設計。

2.3 靈敏度分析

在進行汽車車身輕量化設計時，為保證汽車車身輕量化設計效果，本文以靈敏度分析結(jié)果作為車身設計變量的分析，依據(jù)靈敏度的大小，反應變量對于汽車性能的影響程度。因此，本文依據(jù)靈敏度的計算結(jié)果，獲取滿足汽車性能以及設計需求的最佳變量參數(shù)，以此確保汽車輕量化、降低汽車制作成本。

2.4 汽車車身剛度分析

2.4.1 基于CAE技術(shù)的汽車車身建模原理

CAE技術(shù)是求解復雜工程或者產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強度、剛度、屈曲穩(wěn)定性等力學性能的一種數(shù)值分析方法，該技術(shù)的軟件主體是有限元分析軟件，有限元軟件能夠完成復雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的離散化，可通過有限單元完成復雜結(jié)構(gòu)的表示，并且單元之間的連接通過節(jié)點完成，以變形協(xié)調(diào)條件為依據(jù)，進行復雜結(jié)構(gòu)的綜合求解，分析結(jié)構(gòu)的物理和力學等性能，同時可進行結(jié)構(gòu)的模擬和優(yōu)化，因此，CAE技術(shù)也稱為基于有限方法的CAE系統(tǒng)。

基于CAE技術(shù)的優(yōu)勢，本文采用該技術(shù)構(gòu)建汽車車身的仿真模型，在現(xiàn)代汽車輕量化設計中，可通過該技術(shù)對汽車車身的整體振動情況、剛度情況、碰撞情況等進行模擬仿真，以此分析在輕量化設計下，汽車車身的相關性能。該方法的模型構(gòu)建步驟如下所述。

a.物體離散化。

采用離散方式對汽車車身結(jié)構(gòu)進行處理，通過單元進行結(jié)構(gòu)的表示，以形成計算模型，離散后單元和單元之間的連接采用節(jié)點完成，并且完成節(jié)點數(shù)量、性質(zhì)的設定，保證模型和實際車身的吻合程度。

b.單元特性分析。

該技術(shù)在應用過程中，對節(jié)點的位移進行確定，選擇部分節(jié)點力和節(jié)點位移結(jié)果相結(jié)合，比能將其作為位置時量。以單元材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點數(shù)量、位置等數(shù)據(jù)，獲取單元節(jié)點和節(jié)點位移之間關聯(lián)性；在該過程中，主要是依據(jù)彈性力學中的幾何和物理兩種方程完成，以此得出單元剛度矩陣。

依據(jù)上述內(nèi)容完成車身的離散化處理后，由于力的傳遞是由一個單元至另一個單元，對于汽車車身而言，是由單元的公共邊界向另一個單元的傳遞。基于此，采用等效節(jié)點力表示單元上的全部作用力。

c.單元組集。

以結(jié)構(gòu)力的平衡條件和邊界條件為依據(jù)看，將所有的單元進行連接，且按照原始結(jié)構(gòu)完成，以此形成有限元計算方程，其表達式為：

2.4.2 汽車車身有限元模型構(gòu)建

利用上述CAE技術(shù)的步驟構(gòu)建汽車車身有限元模型，該模型在模擬時，在有限元軟件中定義汽車車身的材料為結(jié)構(gòu)鋼，并且模型中不同構(gòu)建之間的連接采用Bonded 綁定完成，汽車車身有限元模型如圖1所示。模型構(gòu)建時汽車車身相關部件參數(shù)如表2所示。

2.4.3 汽車的自身剛度計算

汽車的自身剛度指的是車身在外力載荷的作用下，發(fā)生的抗彎扭變形能力，它是體現(xiàn)汽車安全性的重要指標，能夠衡量汽車在正常行駛時的允許變形程度。汽車車身的剛度較差，將對汽車的行駛安全性直接造成影響。對圖2構(gòu)建的模型進行剛度計算，汽車在行駛過狀態(tài)下，主要面臨的工況為彎曲和扭轉(zhuǎn)兩種，因此彎曲剛度是用于衡量在上述工況下車身剛度的主要指標。確保汽車車身剛度的合理，可提升整個汽車的性能。

2.5 車身輕量化優(yōu)化設計

依據(jù)上述模型的計算結(jié)果，文中為保證汽車車身的輕量化設計效果，定義汽車零部件優(yōu)化設計變量[x′]，該變量包含車身質(zhì)量M、總體K，將上述2個變量作為多目標優(yōu)化函數(shù)。

3 實驗結(jié)果分析

為驗證本文方法的汽車零部件輕量化設計效果，以汽車車身為例，采用本文方法對其進行輕量化設計后，汽車的車身質(zhì)量變化結(jié)果，如圖2和表3所示。

依據(jù)圖2和表3的分析結(jié)果可知：采用本文方法對汽車車身進行輕量化設計優(yōu)化后，可顯著降低汽車車身質(zhì)量。輕量化設計前，整個汽車的車身呈現(xiàn)較大的重力分布；按本文方法對車身進行輕量化設計后，車身的重量分布顯著降低，因此，本文方法具有汽車輕量化設計能力。本文方法輕量化設計后，汽車在不同工況下，輕量化設計前后車身的柔度結(jié)果均顯著降低，表明本文方法能夠在保證汽車安全的情況下，有效實現(xiàn)汽車輕量化設計，為汽車行業(yè)的發(fā)展提供相應依據(jù)。

4 結(jié)語

汽車輕量化設計對于降低汽車能耗、提升汽車經(jīng)濟化、舒適性以及行駛速度等具有重要意義。但是在進行汽車輕量化的同時，如何保證汽車的安全性不受影響，則是輕量化設計的核心。為確保汽車零部件輕量化設計效果，本文研究基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設計方法，對該方法的設計效果進行分析，確定本文方法的應用效果較好，能夠較好地完成汽車零部件輕量化設計，能夠明顯降低汽車質(zhì)量和柔度結(jié)果，可保證汽車的安全性。

參考文獻：

[1]曾孟軍，敖克勇基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設計[J]內(nèi)燃機與配件，2022，3 49（1）：16-18

[2]GUAN Kaiyuan，WANG JunEnergy Absorption and Lightweight Design of Automobile Internal Safety Structure based on Software Analysis[J]Auto Time，2021，366（18）：110-113+122

[3]TANG Jing，SONG Chao，LIU Fuyun，et al Research on lightweight method of the cab of commercial vehicles based on sensitivity analysis[J]Journal of Machine Design，2021，38（11）：97-101

[4]梁春蘭，胡慧敏，孫秀倩汽車車門把手氣輔成型工藝CAE優(yōu)化研究[J]精密成形工程，2022，14（9）：131-135

[5]胡玉龍，鄭棟，倪亮軍，等基于CAE軟件對汽車結(jié)構(gòu)件的輕量化優(yōu)化設計[J]汽車實用技術(shù)，2020，45（20）：67-69

[6]楊新超某商用車貨柜輕量化仿真優(yōu)化研究[J]汽車實用技術(shù)，2021，46（14）：120-122

[7]ZHOU Youming，CHENG Yiming，LI Jun，et alDesign and Lightweight of Heavy Truck Frame Based on Aluminum Alloy Material Application Mechanical Engineer[J]2021，359（5）：91-93+96

[8]胡銳基于ANSYS對某板簧組合支架進行輕量化設計[J]汽車實用技術(shù)，2021，46（4）：24-26

作者簡介：

李富強，男，1983年生，工程師，研究方向為汽車行業(yè)管理、技術(shù)趨勢分析、信息系統(tǒng)管理。

王芳（通訊作者），女，1991年生，工程師，研究方向為汽車行業(yè)政策研究、市場趨勢分析。