基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計研究

劉沛峰

(哈爾濱市雙城區(qū)農(nóng)村公路管理站，黑龍江 哈爾濱 150000)

汽車機械

基于CAE技術(shù)的汽車零部件輕量化設(shè)計研究

劉沛峰

(哈爾濱市雙城區(qū)農(nóng)村公路管理站，黑龍江 哈爾濱 150000)

從我國汽車零部件輕量化設(shè)計現(xiàn)狀入手，接著引入CAE技術(shù)并具體闡釋其概念和應用，然后結(jié)合工程實例，具體介紹CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計的應用，以期對我國汽車產(chǎn)業(yè)的穩(wěn)步健康可持續(xù)發(fā)展有所裨益。

CAE技術(shù)；汽車零部件；輕量化

1 國內(nèi)汽車零部件輕量化設(shè)計現(xiàn)狀

當前，在國內(nèi)汽車輕量化主要有兩大實現(xiàn)途徑：(1)在汽車零部件輕量化設(shè)計中采用輕量化材料，比如高強度鋼材，鋁合金等強度較高、重量較輕的材料；(2)采用CAE技術(shù)優(yōu)化汽車零部件設(shè)計結(jié)構(gòu)，使汽車零部件中空化、薄壁化、復合化、小型化，并在汽車零部件的結(jié)構(gòu)和工藝等方面進一步改進，以最大限度地減輕汽車零部件的質(zhì)量。相關(guān)研究證實：輕量化材料和CAE技術(shù)這兩種汽車輕量化實現(xiàn)途徑是相輔相成的，在汽車零部件輕量化設(shè)計中需采用材料替換和技術(shù)改進相結(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)計方式相比，CAE技術(shù)在實現(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)(計算機輔助工程技術(shù))是由計算機技術(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)在一起的有限個單元組合體，可用于求解幾何形狀復雜的數(shù)值；數(shù)值分析法是一種較為有效的計算機數(shù)值計算方法，具有理論可靠、實際可行和計算復雜性好等優(yōu)點，數(shù)值分析近年來迅速發(fā)展已成為數(shù)學領(lǐng)域中一門獨立課程。

CAE技術(shù)按目標可分為靜態(tài)分析、動態(tài)分析、優(yōu)化分析和可靠性分析；按研究對象的物理屬性可分為靜力計算、動力計算、疲勞計算、運功計算、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、工程管理學和人機智能工程等多種技術(shù)集為一體，是一種綜合性、知識密集型信息計算軟件。

3 CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計中的應用

在國內(nèi)汽車產(chǎn)業(yè)中，運用CAE技術(shù)，結(jié)合有限元法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化法對汽車零部件進行精簡，進而實現(xiàn)汽車零部件輕量化設(shè)計，筆者從汽車車身結(jié)構(gòu)、汽車車架結(jié)構(gòu)和汽車發(fā)動機零部件這3方面研究CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計中的具體應用。

4 汽車車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

在節(jié)約能源和環(huán)境保護方面，汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計尤為重要。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，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，且符合我國一直倡導的綠色環(huán)保可持續(xù)發(fā)展的理念。CAE技術(shù)通過拓撲方式優(yōu)化汽車車身，提升汽車各種參數(shù)指標，在采用CAE技術(shù)對汽車車身結(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)計工程師從有限元拓撲技術(shù)入手，在汽車車身結(jié)構(gòu)初始劃分階段進行CAE技術(shù)設(shè)計，將拓撲所得結(jié)果作為進行汽車零部件輕量化設(shè)計的依據(jù)，進而設(shè)計出更為安全有效的汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)。

5 汽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

汽車車架是汽車結(jié)構(gòu)中最為關(guān)鍵的構(gòu)成要素，也是汽車消費者關(guān)注和汽車設(shè)計專家分析和優(yōu)化的重點對象，隨著CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)業(yè)的應用，拓撲優(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)計的有效方式，且常見的NASTRAN和ANSYS等有限元分析軟件均可實現(xiàn)拓撲功能，已被逐步應用到部分汽車車架的輕量化設(shè)計中。據(jù)相關(guān)汽車設(shè)計技術(shù)報告顯示：在汽車車架輕量化設(shè)計中，CAE技術(shù)已被應用到基本設(shè)計、詳細設(shè)計和概念設(shè)計等過程中，著重分析拓撲優(yōu)化技術(shù)在汽車概念設(shè)計初始階段的應用，并提升其在汽車車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計中的實用性。在實際設(shè)計操作中，根據(jù)最優(yōu)拓撲式的分析結(jié)果明確使用衡量數(shù)量及不同位置的縱梁加強模式，真正將汽車車架輕量化落到實處。當然，也可采用構(gòu)建拓撲優(yōu)化模型進行車架結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，采用CAE技術(shù)在ANSYS有限元分析軟件進行二次開發(fā)，進而實現(xiàn)汽車集裝箱和半掛車架的優(yōu)化。

6 汽車發(fā)動機零部件輕量化設(shè)計

發(fā)動機是汽車正常行駛的主要動力來源，隨著我國汽車類型的不斷涌現(xiàn)，廣大汽車消費者對汽車發(fā)動機的性能要求也逐漸提高。研究表明：發(fā)動機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)動機的體積，減輕發(fā)動機的重量，最大限度地降低汽車自身總重量。采用CAE技術(shù)，在發(fā)動機剛度恒定的情況下，可有效減輕其自身重量。目前常見的拓撲優(yōu)化模式是對發(fā)動機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)計公司采用CAE技術(shù)拓撲軟件設(shè)計汽車發(fā)動機零部件，既提升自振頻率，又減輕發(fā)動機自身重量，比如一汽集團，在設(shè)計新型發(fā)動機時，采用CAE技術(shù)拓撲軟件全面優(yōu)化發(fā)動機支架，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。

在汽車零部件輕量化設(shè)計中，采用CAE技術(shù)全面優(yōu)化，增強其初始結(jié)構(gòu)方案的合理性，通過各種參數(shù)優(yōu)化及優(yōu)化設(shè)計模式，進而獲得剛度及設(shè)計要求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)，是我國汽車產(chǎn)業(yè)穩(wěn)步健康可持續(xù)發(fā)展的必然趨勢。當前，國內(nèi)很多汽車設(shè)計公司都在進一步研究如何采用CAE技術(shù)最大限度實現(xiàn)汽車零部件輕量化設(shè)計。基于CAE技術(shù)的輕量化設(shè)計是以基礎(chǔ)理論、工程設(shè)計、實踐論證、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)歷一個不斷探索的過程，持續(xù)提高我國汽車產(chǎn)業(yè)的輕量化設(shè)計水平，同時為國內(nèi)的能源節(jié)約和環(huán)境保護作出一定的貢獻。

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U463

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1008-3383(2017)10-0149-01

2016-10-26