汽車設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法探究

曾揚(yáng)益

（江西江鈴集團(tuán)新能源汽車有限公司，江西 南昌 330001）

引言

汽車設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常復(fù)雜的系統(tǒng)工程，其涉及范圍比較廣，往往需要多個學(xué)科進(jìn)行系統(tǒng)研究，同時還需要與之前的普通設(shè)計(jì)方案相比較，進(jìn)而找出問題并及時改進(jìn)和優(yōu)化設(shè)計(jì)方案，這樣才能促進(jìn)我國汽車行業(yè)的可持續(xù)健康發(fā)展。因此，探究汽車設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，采用先進(jìn)的技術(shù)與更加完善的設(shè)計(jì)方案，不斷提高汽車設(shè)計(jì)水平，保證汽車行業(yè)的健康發(fā)展。

一、多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法概述

（一）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法內(nèi)涵

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法是充分認(rèn)識和深入探索工程系統(tǒng)中的子系統(tǒng)互相協(xié)同作用，考慮各學(xué)科或子系統(tǒng)之間的互相影響，優(yōu)化設(shè)計(jì)復(fù)雜的工程系統(tǒng)和子系統(tǒng)，從整體上提高系統(tǒng)性能，這是一種新型的工程設(shè)計(jì)方法與技術(shù)，已成功應(yīng)用于航空航天領(lǐng)域。

（二）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法內(nèi)容

目前多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要研究各學(xué)科間的分析方法與集成軟件，有效的多學(xué)科優(yōu)化方法和分布式的高性能計(jì)算環(huán)境。其中最重要、最活躍的主題是多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法與策略。本文中主要研究如何在各學(xué)科集成設(shè)計(jì)和軟件優(yōu)化技術(shù)環(huán)境下，將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法應(yīng)用于汽車設(shè)計(jì)中。

二、分析汽車設(shè)計(jì)中應(yīng)用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方案

（一）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的應(yīng)用

汽車設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化應(yīng)綜合考量各學(xué)科間的應(yīng)用研究和工程子系統(tǒng)的相互作用，并在互相協(xié)同基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)出優(yōu)秀的綜合性復(fù)雜系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。同時，該研究思路還可在密切相連子系統(tǒng)中得到拓展，保證系統(tǒng)之間良好協(xié)作。我國汽車行業(yè)中普遍采用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方案，為了充分利用有限的空間，我們探索出科學(xué)的、優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案，從而最大限度的利用空間。同時，優(yōu)秀的設(shè)計(jì)方案不僅能縮減設(shè)計(jì)時間，還可以提升設(shè)計(jì)質(zhì)量與水平，提高汽車設(shè)計(jì)效益，科學(xué)合理的利用有限資源。

（二）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化的要求與不足

多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方案主要包括方案設(shè)計(jì)、模型設(shè)計(jì)、圖紙繪制三方面。汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)者應(yīng)具備扎實(shí)的理論基礎(chǔ)知識，在設(shè)計(jì)過程中，合理運(yùn)用建筑學(xué)與經(jīng)濟(jì)學(xué)理論知識，還應(yīng)具備一定的知識運(yùn)用能力與準(zhǔn)確的計(jì)量技術(shù)，汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)者應(yīng)充分重視這一標(biāo)準(zhǔn)?，F(xiàn)階段，我國多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)的應(yīng)用正處于初步探索階段，各學(xué)科間并沒有充分交流與溝通，這就使汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)者在設(shè)計(jì)方案時進(jìn)展工作緩慢，造成人力、財(cái)力和時間的嚴(yán)重浪費(fèi)，這非常不利于提升工作效率。

（三）多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法

在實(shí)踐中，解決工程問題時采用多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，以分布式網(wǎng)絡(luò)計(jì)算技術(shù)為基礎(chǔ)，集中在各級學(xué)科軟件優(yōu)化器中，與各級系統(tǒng)分析模塊共同構(gòu)成求解器。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法主要有協(xié)同優(yōu)化法、并行子空間優(yōu)化法和單級優(yōu)化法。其中單級優(yōu)化法由一致性約束優(yōu)化法、以全局敏感方程為核心的單級優(yōu)化法以及標(biāo)準(zhǔn)系統(tǒng)優(yōu)化法組成。此外，兩級集成系統(tǒng)綜合法主要是分解廣義的系統(tǒng)優(yōu)化問題，其中一部分解決較少的全局變量系統(tǒng)優(yōu)化問題，剩余部分解決多數(shù)的局部設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化問題。

三、分析汽車設(shè)計(jì)中多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)

（一）研究汽車子系統(tǒng)

在研究汽車各個子系統(tǒng)時，我們發(fā)現(xiàn)子系統(tǒng)就像一個錯綜復(fù)雜的網(wǎng)格結(jié)構(gòu)，所以設(shè)計(jì)者需要改變之前從整體上進(jìn)行優(yōu)化的方案，合理采用分布式理念進(jìn)行系統(tǒng)優(yōu)化。同時還應(yīng)在研究總系統(tǒng)基礎(chǔ)上，細(xì)化系統(tǒng)工作，將設(shè)計(jì)系統(tǒng)中空洞復(fù)雜的問題轉(zhuǎn)變?yōu)楹唵我锥淖訂栴}，采用各學(xué)科間已發(fā)展成熟的技術(shù)與理念論證這些子問題。這樣就能使一些較為獨(dú)立的子問題保持良好的協(xié)調(diào)性，通過整合優(yōu)化，提升汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量。例如，我們可以將汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)分為推進(jìn)動力、空氣動力學(xué)、汽車結(jié)構(gòu)、燃油性能等幾部分。通過分析論證每部分所涉及的問題，構(gòu)建一個較為完整的信息網(wǎng)絡(luò)并進(jìn)行優(yōu)化整合，同時還應(yīng)關(guān)注各部分的信息反饋，使反饋機(jī)制與系統(tǒng)學(xué)科分析論證、總系統(tǒng)之間形成完整的設(shè)計(jì)回路，這將有助于提高汽車系統(tǒng)設(shè)計(jì)質(zhì)量。

（二）研究汽車多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化中的問題

在系統(tǒng)優(yōu)化汽車性能時，不僅要提高汽車低速加速能力，同時要保證較低的成本費(fèi)用，基于此情況，人們認(rèn)為只要改進(jìn)發(fā)動機(jī)性能，使其更加優(yōu)良，優(yōu)化汽車結(jié)較構(gòu)，使其更為輕巧，就能提升汽車低速加速能力。然而實(shí)踐過程中，在提升汽車推進(jìn)動力和降低汽車重量方面存在很大分歧。汽車設(shè)計(jì)中進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)時，應(yīng)該綜合考慮汽車的設(shè)計(jì)成本、汽車推進(jìn)動力和汽車質(zhì)量等因素，使他們?nèi)哌_(dá)到一個和諧的存在比例。因此，汽車設(shè)計(jì)者應(yīng)具備熟練的專業(yè)技能與靈活多樣的設(shè)計(jì)思維與方法，這將會大幅度提升汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量與效率。

（三）設(shè)計(jì)過程分析

在汽車設(shè)計(jì)過程中，多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)必須采用專用的系統(tǒng)軟件，從整體角度分析汽車系統(tǒng)，精準(zhǔn)及時的計(jì)算汽車反應(yīng)時間和敏感性。然后用彈性梁模型處理系設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，這一過程需要運(yùn)用較多的學(xué)科理論知識，例如：空氣動力學(xué)、計(jì)算機(jī)、網(wǎng)絡(luò)通信等。由于汽車尺寸、承受力和彎扭系數(shù)等客觀因素的局限性，汽車設(shè)計(jì)者首先優(yōu)化設(shè)計(jì)車體質(zhì)量，然后分析比較模擬化得出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，進(jìn)而得出汽車燃油性能的實(shí)際數(shù)據(jù)，這樣可以在一定范圍內(nèi)整體控制多個學(xué)科間的設(shè)計(jì)變量，進(jìn)而確保最大限度的利用各個學(xué)科的局部數(shù)據(jù)，提高汽車設(shè)計(jì)質(zhì)量水平與效率。

結(jié)論

綜上所述，本文系統(tǒng)介紹和分析多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，并詳細(xì)分析了汽車設(shè)計(jì)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法的廣泛應(yīng)用與擴(kuò)展，將大大提高汽車的穩(wěn)定性和安全性。當(dāng)今世界，質(zhì)量輕、價格低、性能好是汽車發(fā)展的必然趨勢，在保證汽車高性能基礎(chǔ)上，我國汽車行業(yè)應(yīng)利用先進(jìn)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法，降低設(shè)計(jì)制造成本，縮短上市時間，提高市場競爭力，促進(jìn)民族汽車產(chǎn)業(yè)長遠(yuǎn)而穩(wěn)定的發(fā)展。