有限單元法在汽車產品輕量化設計中的應用研究

趙國偉

（南充職業(yè)技術學院 機電工程系 四川南充637131）

在保證使用功能和性能的前提下降低汽車產品的重量，不僅可以節(jié)省材料，還能降低汽車油耗，提高汽車產品的利潤空間，增強產品競爭力。因此，汽車產品輕量化設計理念近年來獲得眾多整車廠和零部件供應商青睞[1]。

汽車輕量化的目的是指在確保汽車原有性能不受影響的前提下，減輕整車的重量，以減少鋼材和燃油的消耗，降低排放，提高車速，改善起動和制動性能[2]。汽車輕量化設計主要有兩種途徑：一種是采用質量更輕、強度更高、力學性能更好的新材料來替換原有材料，另一種是借助于現(xiàn)代化設計方法對機械零件的結構和加工工藝進行處理，在保證相關性能的前提下最大限度地減輕汽車零部件的重量[3]。輕質材料通常意味著更高的成本，常用于大型企業(yè)或配置要求高的車型，中小型企業(yè)常基于現(xiàn)代化設計方法對汽車產品進行輕量化設計，以改進汽車結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化和復合化[4]，從而實現(xiàn)減輕重量的目的。本文結合有限單元法和計算機輔助優(yōu)化設計工具對汽車產品的輕量化設計進行研究。

1 CAE技術在汽車產品中的應用現(xiàn)狀分析

CAE（ComputerAidedEngineering，計算機輔助工程）技術是計算機技術和工程分析技術相結合形成的現(xiàn)代化分析技術，其理論基礎為有限單元法。有限單元法是一種有效解決工程問題的數(shù)值分析方法，其基本求解思想是將連續(xù)的求解域離散為有限個互不重疊的單元，根據(jù)結構的單元類型、約束、載荷和邊界條件等幾何關系，建立物理方程，借助于變分原理或加權余量法，將微分方程離散求解。

在現(xiàn)代汽車研發(fā)設計中，CAE技術已經運用到汽車設計、研發(fā)和制造等各個環(huán)節(jié)。利用CAE技術可以在汽車正向設計研發(fā)中對車身整體振動、剛度和碰撞等性能進行仿真模擬分析。產品設計應在確保汽車零部件使用性能不降低的前提下實現(xiàn)汽車輕量化的目的。主要包括以下三個方面：

（1）利用結構優(yōu)化設計，優(yōu)化零部件結構，減少零件的數(shù)量，既能降低整車質量，又提高了整車強度和剛度性能，確保汽車在滿足使用性能指標的前提下減輕零部件的重量。

（2）利用零部件微型化設計，實現(xiàn)汽車輕量化。確保零部件在性能不降低的情況下減小零件尺寸和體積，降低零部件的重量。

（3）利用輕量化系統(tǒng)集成的方法來實現(xiàn)結構優(yōu)化的目的。比如轎車發(fā)動機的前置前驅或后置后輪的布局，使整車結構緊湊，實現(xiàn)整車輕量化。

2 汽車產品輕量化設計的基本原則

汽車產品輕量化設計的基本原則主要遵循正確的大小、正確的拓撲結構、正確的材料和正確的設計細節(jié)四個方面。

（1）正確的大小主要用于整車參數(shù)的匹配，即保證輕量化尺寸、質量等要素滿足整體設計需求，保證綜合油量與質量、尺寸、動力的匹配等方面的性能要求。

（2）正確的拓撲結構用于保證各類零部件的結構強度、力學性能等滿足設計需求，從而保證輕量化后汽車產品的綜合性能。

（3）使用重量更輕、性能更好的材料是汽車產品輕量化設計的一種重要手段，在涉及材料變更時要綜合考慮產品加工技術對新材料的影響。選用的材料必須要符合汽車產品的加工工藝。

（4）正確的設計細節(jié)主要包括汽車產品各零部件的質量分配、連接接頭的結構與剛性、連接方法、制造成本等要素。對汽車零部件進行輕量化設計時必須綜合考慮其相對整車或某一零件的質量占比，某些為保證結構剛性的接頭等需要按設計需求予以保留。

3 有限單元法在汽車產品輕量化設計中的應用

隨著計算機技術的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了各類輕量化設計軟件，但主要分為基于拓撲優(yōu)化和基于參數(shù)優(yōu)化兩種類型。拓撲優(yōu)化的基本方法是在給定的可設計空間中，根據(jù)指定的載荷和邊界條件計算出一個最佳的輕量化設計方案。參數(shù)優(yōu)化則是快速集成和耦合相關CAD、CAE或數(shù)值分析軟件，通過定義機械零件中需要優(yōu)化的尺寸參數(shù)，將所有輕量化流程組織到一個集成框架中，自動運行仿真軟件，自動重啟設計流程，并自動計算每一組可行解的可靠性，提供多組可靠性強的優(yōu)化方案。本文主要結合參數(shù)優(yōu)化的方法搭建輕量化設計流程。

首先借助于CATIA軟件建立相關零部件的三維模型，通過ABAQUS軟件進行分析，獲得初始的分析結果，然后通過計算機輔助優(yōu)化軟件ISIGHT結合CATIA和ABAQUS軟件進行優(yōu)化，得到優(yōu)化結果，從而判斷不同零件結構的可靠性，最后再對可靠性較高的優(yōu)化結果進行分析驗證，最終得到優(yōu)化后的CATIA模型。具體包括以下三個方面：

3.1 精確建立有限元模型并求解

通過CATIA建立準確的CAD模型，結合有限元分析軟件ABAQUS對汽車產品在實際工況下的應力應變情況進行模擬分析，確定該產品是否還有進一步輕量化的空間。若應力小于該產品材料的疲勞極限，則說明該產品有進一步輕量化的空間。在這一環(huán)節(jié)中需要合理建立研究對象的有限元模型，包括材料屬性、單元類型的選擇，邊界條件、分析步的設置等。一般而言，建議采用六面體單元，邊界條件盡可能與實際工況保持一致，不能完全保持一致時，利用圣維南原理作近似處理。條件允許的可以結合實驗結果進行對比，以驗證有限元分析結果的準確性，為后續(xù)的輕量化設計做好前期準備。

3.2 搭建輕量化過程

在參數(shù)優(yōu)化軟件ISIGHT中耦合CATIA和ABAQUS，搭建輕量化集成框架。具體搭建過程如下：

（1）在CATIA中啟用宏錄制對需要優(yōu)化的尺寸參數(shù)進行修改，從而得到在CATIA中更改汽車產品需要優(yōu)化尺寸的宏文件，同時修改宏文件中目標文件的保存路徑為輕量化設計的工作路徑，在ISIGHT中設置優(yōu)化尺寸的變量范圍和賦值規(guī)律。

（2）通過Python語句調用ABAQUS對宏文件中更改尺寸后的CAD模型進行有限元分析，同時輸出被優(yōu)化模型的最大應力應變值，用于計算疲勞壽命，優(yōu)化結果可靠性分析等；

（3）輸出該尺寸對應的輕量化分析結果，刪除本次循環(huán)產生的中間文件，為下一輪循環(huán)做準備，如此往復。

3.3 驗證結果的準確性

根據(jù)ISIGHT提供的輕量化結果可以選取可靠性最高的幾組數(shù)據(jù)，對其進行精確建模，對輕量化結果進行初步驗證并選出最好的一組或幾組方案用于實物驗證。

4 結 語

綜合常用汽車產品輕量化研究方法，結合汽車產品輕量化設計原則，提出采用計算機輔助集成技術對汽車產品進行輕量化設計的方法。從建立精確模型分析輕量化空間、確定優(yōu)化參數(shù)，搭建輕量化流程，快速實現(xiàn)汽車產品輕量化設計等方面對ISIGHT集成CATIA和ABAQUS在汽車產品輕量化設計過程中的應用進行分析與評價。通過對產品進行薄壁化、中空化的參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)減輕汽車零部件質量、節(jié)省產品耗材、提高產品綜合競爭力的目標。突出計算機輔助集成技術在汽車產品輕量化設計中的可行性和高效性。