李富強(qiáng)　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(shè)計(jì)方法。該方法以汽車輕量化意義的分析結(jié)果為基礎(chǔ)，確定其輕量化原則；分析汽車設(shè)計(jì)變量的靈敏度，獲取滿足設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)參數(shù)的優(yōu)劣性，并計(jì)算輕量化設(shè)計(jì)后汽車的自身剛度；構(gòu)建車身輕量化優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行求解后獲取最優(yōu)的輕量化設(shè)計(jì)參數(shù)結(jié)果。測(cè)試結(jié)果顯示：該方法應(yīng)用效果良好，能夠可靠實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：CAE技術(shù)；汽車零部件；輕量化設(shè)計(jì)；靈敏度；自身剛度

中圖分類號(hào)：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(duì)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(shí)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(shè)計(jì)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(duì)汽車的結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)、汽車材料的選擇、制造技術(shù)等方面進(jìn)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(dòng)力性、實(shí)時(shí)性、操作性以及降低汽車能耗以及汽車制造成本[3]。在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中，應(yīng)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(wú)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(guò)程中，過(guò)于追求降低制造成本，對(duì)于材料選擇和制造工藝提升的重視度相對(duì)較低，往往存在汽車輕量化后期剛度下降，導(dǎo)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(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)形成，該技術(shù)的理論基礎(chǔ)是有限單元法；該方法能夠有效完成工程問(wèn)題中數(shù)值分析[5]。該技術(shù)在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域匯中具有較好的應(yīng)用效果，其可完成汽車在設(shè)計(jì)、研發(fā)、制造等各個(gè)環(huán)節(jié)中的計(jì)算和分析，其在汽車輕量化中的應(yīng)用主要包含三個(gè)方面：a.汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)；b.汽車零部件微型化設(shè)計(jì)，即為零部件輕量化設(shè)計(jì)；c.輕量化系統(tǒng)集成。

本文為實(shí)現(xiàn)汽車零部件的輕量化設(shè)計(jì)，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(shè)計(jì)方法，利用該技術(shù)的強(qiáng)大功能，分析汽車的剛度情況[6]，并依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行汽車零部件輕量化目標(biāo)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(shí)現(xiàn)汽車輕量化，為汽車設(shè)計(jì)提供可靠依據(jù)。

2 汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)

2.1 汽車輕量化的意義

2.2 汽車輕量化原則

汽車由多個(gè)系統(tǒng)組成，包含車身、底盤(pán)、發(fā)動(dòng)機(jī)以及電器設(shè)備4個(gè)系統(tǒng)，4個(gè)系統(tǒng)中還包含若干個(gè)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(shè)計(jì)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(duì)于汽車整體質(zhì)量占據(jù)比例較高的為車身、底盤(pán)以及發(fā)動(dòng)機(jī)。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(jìn)行其輕量化設(shè)計(jì)。

2.3 靈敏度分析

在進(jìn)行汽車車身輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，為保證汽車車身輕量化設(shè)計(jì)效果，本文以靈敏度分析結(jié)果作為車身設(shè)計(jì)變量的分析，依據(jù)靈敏度的大小，反應(yīng)變量對(duì)于汽車性能的影響程度。因此，本文依據(jù)靈敏度的計(jì)算結(jié)果，獲取滿足汽車性能以及設(shè)計(jì)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(fù)雜工程或者產(chǎn)品結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、屈曲穩(wěn)定性等力學(xué)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(fù)雜產(chǎn)品結(jié)構(gòu)的離散化，可通過(guò)有限單元完成復(fù)雜結(jié)構(gòu)的表示，并且單元之間的連接通過(guò)節(jié)點(diǎn)完成，以變形協(xié)調(diào)條件為依據(jù)，進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)的綜合求解，分析結(jié)構(gòu)的物理和力學(xué)等性能，同時(shí)可進(jìn)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(shì)，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(shè)計(jì)中，可通過(guò)該技術(shù)對(duì)汽車車身的整體振動(dòng)情況、剛度情況、碰撞情況等進(jìn)行模擬仿真，以此分析在輕量化設(shè)計(jì)下，汽車車身的相關(guān)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(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行處理，通過(guò)單元進(jìn)行結(jié)構(gòu)的表示，以形成計(jì)算模型，離散后單元和單元之間的連接采用節(jié)點(diǎn)完成，并且完成節(jié)點(diǎn)數(shù)量、性質(zhì)的設(shè)定，保證模型和實(shí)際車身的吻合程度。

b.單元特性分析。

該技術(shù)在應(yīng)用過(guò)程中，對(duì)節(jié)點(diǎn)的位移進(jìn)行確定，選擇部分節(jié)點(diǎn)力和節(jié)點(diǎn)位移結(jié)果相結(jié)合，比能將其作為位置時(shí)量。以單元材料性質(zhì)、形狀、尺寸、節(jié)點(diǎn)數(shù)量、位置等數(shù)據(jù)，獲取單元節(jié)點(diǎn)和節(jié)點(diǎn)位移之間關(guān)聯(lián)性；在該過(guò)程中，主要是依據(jù)彈性力學(xué)中的幾何和物理兩種方程完成，以此得出單元?jiǎng)偠染仃嚒?/p>

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(gè)單元至另一個(gè)單元，對(duì)于汽車車身而言，是由單元的公共邊界向另一個(gè)單元的傳遞。基于此，采用等效節(jié)點(diǎn)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(jìn)行連接，且按照原始結(jié)構(gòu)完成，以此形成有限元計(jì)算方程，其表達(dá)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(shí)，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(shí)汽車車身相關(guān)部件參數(shù)如表2所示。

2.4.3 汽車的自身剛度計(jì)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(biāo)，能夠衡量汽車在正常行駛時(shí)的允許變形程度。汽車車身的剛度較差，將對(duì)汽車的行駛安全性直接造成影響。對(duì)圖2構(gòu)建的模型進(jìn)行剛度計(jì)算，汽車在行駛過(guò)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(biāo)。確保汽車車身剛度的合理，可提升整個(gè)汽車的性能。

2.5 車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)

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

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

為驗(yàn)證本文方法的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)效果，以汽車車身為例，采用本文方法對(duì)其進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)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(duì)汽車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)優(yōu)化后，可顯著降低汽車車身質(zhì)量。輕量化設(shè)計(jì)前，整個(gè)汽車的車身呈現(xiàn)較大的重力分布；按本文方法對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)能力。本文方法輕量化設(shè)計(jì)后，汽車在不同工況下，輕量化設(shè)計(jì)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(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì)，為汽車行業(yè)的發(fā)展提供相應(yīng)依據(jù)。

4 結(jié)語(yǔ)

汽車輕量化設(shè)計(jì)對(duì)于降低汽車能耗、提升汽車經(jīng)濟(jì)化、舒適性以及行駛速度等具有重要意義。但是在進(jìn)行汽車輕量化的同時(shí)，如何保證汽車的安全性不受影響，則是輕量化設(shè)計(jì)的核心。為確保汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)效果，本文研究基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)方法，對(duì)該方法的設(shè)計(jì)效果進(jìn)行分析，確定本文方法的應(yīng)用效果較好，能夠較好地完成汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)，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(xiàn)：

[1]曾孟軍，敖克勇基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)[J]內(nèi)燃機(jī)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(mén)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(duì)汽車結(jié)構(gòu)件的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]汽車實(shí)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(shí)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(duì)某板簧組合支架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)[J]汽車實(shí)用技術(shù)，2021，46（4）：24-26

作者簡(jiǎn)介：

李富強(qiáng)，男，1983年生，工程師，研究方向?yàn)槠囆袠I(yè)管理、技術(shù)趨勢(shì)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?yàn)槠囆袠I(yè)政策研究、市場(chǎng)趨勢(shì)分析。