汽車零部件輕量化設(shè)計與通信技術(shù)的協(xié)同優(yōu)化

中圖分類號：U463.6 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-8639(2025)07-0156-03

CollaborativeOptimization ofLightweightDesignand Communication Technology forAutomotivel

Yi He

(Department of Electronic and Communication Engineering，North China Electric Power University，Baoding O71ooo，China)

【Abstract】As global atention to environmental protectionandenergy eficiency grows，the automotive industry is underimmensepresure to meet increasinglystringent emision standardsandfuel economyrequirements whileenhancing itsintelligence.Inthiscontext，lightweightdesignhasbecomeacrucialdirectionfortheautomotiveindustry.By reducing vehicleweight，itcaneffctively lower fuelconsumptionand improve handling performance.Meanwhile，with therapid development of autonomous driving and connectedvehicle technologies，automotive communication technology isplayinganincreasinglyimportantrolein improvingvehicleperformance.Therefore，thispaperexploresthe collborativeoptimizationof lightweightdesignandcommunication technologyinautomotivecomponents，aiming to promote technological innovationand sustainable development in theautomotive industry through in-depth researchon thesynergistic effects of these two technologies.

【Key words】auto parts；lightweight design；communication technology；collaborative optimization

近年來，全球汽車行業(yè)面臨著前所未有的挑戰(zhàn)和機(jī)遇。隨著能源危機(jī)和環(huán)境污染問題的加劇，汽車制造商在不斷提升車輛性能的同時，也不得不應(yīng)對更為嚴(yán)格的排放法規(guī)和燃油經(jīng)濟(jì)性要求。與此同時，智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，尤其是自動駕駛和車聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的普及，正在深刻改變著汽車的設(shè)計與使用模式。為滿足這些多重需求，輕量化設(shè)計成為實現(xiàn)低能耗、低排放的有效手段之一，而汽車通信技術(shù)則為提高車輛的智能化水平、提升安全性和駕駛體驗提供了重要支持。本文旨在探討汽車零部件輕量化設(shè)計與通信技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的可能路徑，為行業(yè)提供新的技術(shù)方案和發(fā)展思路。

1常用的輕量化設(shè)計方法

輕量化設(shè)計的核心在于平衡質(zhì)量減輕與性能保持的辯證關(guān)系。材料替代策略通過采用高強度輕質(zhì)合金，在保證結(jié)構(gòu)剛度的前提下實現(xiàn)減重目標(biāo)，如碳纖維復(fù)合材料在車頂縱梁的應(yīng)用可使部件質(zhì)量降低。結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)則依托有限元分析工具，針對受力特征進(jìn)行精準(zhǔn)材料分布設(shè)計，如發(fā)動機(jī)支架通過拓?fù)鋬?yōu)化在保持承載能力的同時去除非必要材料[2]。中空結(jié)構(gòu)創(chuàng)新將傳統(tǒng)實心部件轉(zhuǎn)化為多腔體構(gòu)造，既維持抗扭剛度又降低自身質(zhì)量。這些方法往往需要協(xié)同應(yīng)用，例如電動汽車電池箱體同時采用鋁合金外殼與蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)輕量化與碰撞安全的雙重提升。常用的輕量化設(shè)計方法見表1。

2輕量化設(shè)計與通信技術(shù)協(xié)同優(yōu)化方法

2.1多目標(biāo)優(yōu)化方法

輕量化設(shè)計與通信技術(shù)的協(xié)同面臨多重目標(biāo)沖突：材料減薄可能削弱電磁屏蔽效能，結(jié)構(gòu)簡化或干擾天線輻射模式，能耗降低需平衡通信模塊功耗。傳統(tǒng)單目標(biāo)優(yōu)化方法難以滿足復(fù)雜約束下的綜合性能需求[3。多目標(biāo)優(yōu)化通過量化指標(biāo)間的權(quán)衡關(guān)系，構(gòu)建輕量化系數(shù)、通信品質(zhì)、安全性能的聯(lián)合評價體系，借助算法工具探索非劣解集。下面從關(guān)鍵維度解析協(xié)同優(yōu)化的技術(shù)路徑與方法框架。

多目標(biāo)優(yōu)化的核心在于解耦技術(shù)沖突并建立協(xié)同規(guī)則。以車載5G天線集成車身面板為例，碳纖維材料的輕量化需求與金屬材料電磁屏蔽特性存在矛盾。通過梯度材料設(shè)計，在面板表層設(shè)置陶瓷基復(fù)合材料功能層，既降低質(zhì)量又定向?qū)ㄐ盘?。?yōu)化過程中采用多學(xué)科聯(lián)合仿真工具，將材料參數(shù)、電磁特性、機(jī)械性能輸入?yún)?shù)化模型，生成滿足碰撞安全與通信誤碼率的非劣解集。多目標(biāo)優(yōu)化方法見表2。

2.2 系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計

單一零部件的優(yōu)化難以實現(xiàn)整車性能躍升，需建立跨層級的系統(tǒng)協(xié)同機(jī)制。系統(tǒng)級設(shè)計從全局視角整合輕量化與通信技術(shù)需求，通過數(shù)字孿生模型模擬“材料減重-結(jié)構(gòu)變形-信號衰減”的耦合效應(yīng)，重構(gòu)部件間的能量與信息交互邏輯。下文從設(shè)計層級、技術(shù)工具、交互機(jī)制三方面構(gòu)建系統(tǒng)優(yōu)化框架。

系統(tǒng)級協(xié)同需突破傳統(tǒng)設(shè)計邊界。以電動底盤開發(fā)為例，輕量化線束布局需同步解決兩個矛盾：減少銅材用量導(dǎo)致的電阻升高影響通信供電穩(wěn)定性，線纜間距縮小加劇電磁干擾風(fēng)險。通過構(gòu)建多物理場數(shù)字孿生模型，量化線束截面積、絕緣層厚度、屏蔽材料占比對信號完整性的影響，生成滿足質(zhì)量控制與通信品質(zhì)的雙優(yōu)方案4。在智能座艙系統(tǒng)中，鎂合金骨架的輕量化設(shè)計需考慮其對毫米波雷達(dá)信號的衰減效應(yīng)，模型通過預(yù)埋介質(zhì)諧振器結(jié)構(gòu)補償信號損失。系統(tǒng)級協(xié)同優(yōu)化設(shè)計見表3。

2.3基于大數(shù)據(jù)與人工智能的協(xié)同優(yōu)化技術(shù)

傳統(tǒng)優(yōu)化方法在應(yīng)對輕量化與通信技術(shù)的多目標(biāo)協(xié)同問題時，常受限于經(jīng)驗驅(qū)動與局部解空間探索能力。人工智能技術(shù)通過數(shù)據(jù)驅(qū)動建模與智能決策機(jī)制，可突破人工經(jīng)驗邊界，實現(xiàn)跨領(lǐng)域參數(shù)的全局優(yōu)化。

基本公式為：

s?t?g_safety(x)?0，h_EMC(x)=0

式中：x—設(shè)計變量（材料厚度、天線布局、屏蔽層占比等)； α，β 、 γ —動態(tài)權(quán)重系數(shù)（反映輕量化、通信品質(zhì)、能耗的優(yōu)先級）； g_safety -碰撞安全與結(jié)構(gòu)強度約束； h_EMC. -電磁兼容性約束。

人工智能技術(shù)通過如下三層次創(chuàng)新重構(gòu)協(xié)同優(yōu)化范式。

1）數(shù)據(jù)驅(qū)動建模。采集百萬級工況數(shù)據(jù)（材料疲勞曲線、通信誤碼率、熱變形量），利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)建“設(shè)計參數(shù)-性能輸出”的非線性映射。相比傳統(tǒng)物理仿真，數(shù)據(jù)模型可預(yù)測碳纖維疊層方向?qū)?G信號相移的影響，精度提升且計算耗時減少。

2）動態(tài)權(quán)重機(jī)制。強化學(xué)習(xí)算法根據(jù)車輛狀態(tài)實時調(diào)整目標(biāo)權(quán)重。自動駕駛模式下提升通信可靠性 (β↑) ，高速巡航時側(cè)重輕量化降耗 (α↑) ，充電場景優(yōu)先保障電池?zé)岚踩?(γ↑) 。

3）約束自適應(yīng)性。貝葉斯優(yōu)化框架處理不確定性約束，當(dāng)新型復(fù)合材料改變電磁基線時，算法自主更新 h_EMC 邊界條件。

3 試驗設(shè)計

3.1 試驗場景

本次試驗在試驗室環(huán)境下模擬汽車零部件的實際工況，重點研究輕量化材料與通信模塊的協(xié)同優(yōu)化效果。試驗對象設(shè)計為車載通信天線支架的簡化模型，采用鋁合金框架與碳纖維復(fù)合板組合結(jié)構(gòu)，模擬真實零部件的尺寸與功能需求。試驗設(shè)置包含三組對比方案：傳統(tǒng)全金屬支架、輕量化初版方案（碳纖維占比 60% ）、優(yōu)化終版方案（碳纖維占比45%+ 局部電磁屏蔽層）。

測試環(huán)境通過多軸振動臺模擬車輛行駛中的巔簸與沖擊，振動頻率覆蓋 5～200Hz 范圍，對應(yīng)城市道路與高速路況的典型振動譜。通信性能測試采用微波暗室模擬信號傳輸場景，在 28GHz 頻段（5G通信常用頻段)下評估信號穿透性與穩(wěn)定性。例如，在碳纖維板表面添加納米級導(dǎo)電涂層，觀察其對信號衰減的改善效果。同時，通過熱循環(huán)試驗（-40\\~85% 驗證材料熱變形對天線定位精度的影響。試驗全程在溫濕度可控的試驗室環(huán)境中進(jìn)行，排除外部干擾因素，確保數(shù)據(jù)可靠性。

3.2 評價指標(biāo)

試驗選取質(zhì)量減少率和信號傳輸損耗作為核心對比指標(biāo)。數(shù)據(jù)顯示，優(yōu)化方案較傳統(tǒng)鋼制外殼質(zhì)量減少 21.3% ，但初始設(shè)計中碳纖維占比過高導(dǎo)致信號損耗增加 4.7dB 。通過調(diào)整屏蔽層占比至 12% ，在保持質(zhì)量減少 18.5% 的前提下，將損耗控制在允許范圍內(nèi)( 。振動測試表明，拓?fù)鋬?yōu)化的加強筋布局使部件剛度提升 15% ，誤碼率下降至1E-6以下，滿足車規(guī)級通信要求。評價指標(biāo)見表4。

3.3 結(jié)果分析

終版方案通過梯度材料分布實現(xiàn)性能均衡：在信號密集區(qū)域（天線陣列下方）保留 1.2mm 鋁合金基層保障電磁屏蔽，非關(guān)鍵區(qū)域采用 0.8mm 碳纖維降低質(zhì)量。測試顯示，該設(shè)計在 120km/h 高速工況下，信號帶寬保持 2.4GHz （滿足5G需求），且振動誤碼率較傳統(tǒng)方案降低一個數(shù)量級。但研究發(fā)現(xiàn)，碳纖維各向異性導(dǎo)致部分區(qū)域介電常數(shù)波動，后續(xù)需通過纖維取向優(yōu)化進(jìn)一步提升穩(wěn)定性。見表5。

4結(jié)論

本研究系統(tǒng)論證了汽車輕量化設(shè)計與通信技術(shù)協(xié)同優(yōu)化的可行路徑與創(chuàng)新價值。核心突破在于構(gòu)建了“材料-結(jié)構(gòu)-功能-信息”四維協(xié)同框架。通過多目標(biāo)優(yōu)化平衡質(zhì)量控制與通信性能的沖突，借助系統(tǒng)級設(shè)計實現(xiàn)跨層級的參數(shù)耦合優(yōu)化，依托人工智能技術(shù)挖掘傳統(tǒng)經(jīng)驗之外的全局最優(yōu)解。

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(編輯楊凱麟)