淺談CAE技術在汽車輕量化設計中的應用

高士軒

摘 要：著眼于可持續發展，節約資源、減少環境污染成為世界汽車工業界亟待解決的兩大問題。據統計，汽車每減重10%，油耗可降低6%～8%，因此減輕汽車重量是節約能源和提高燃料經濟性的最基本途徑之一。汽車輕量化正成為21 世紀汽車技術的前沿和熱點。汽車輕量化有兩大途徑： 一是采用輕量化材料，例如采用鋁合金、高強度鋼材等強度更高、重量更輕的新材料;二是利用CAE 技術優化設計汽車的結構，使零部件薄壁化、中空化、小型化、復合化以及對零部件進行結構和工藝改進等以最大限度地減輕零部件的質量。以上兩種途徑是相輔相成的，必須采取材料替換與結構改進相結合的方法，才可能在保證汽車整體質量和性能不受影響的前提下，最大限度地減輕各零部件的質量。利用CAE 技術實現汽車輕量化有著傳統設計手段不可比擬的優越性。

關鍵詞：CAE技術;汽車輕量化設計;應用

從汽車的總體構造來看，占汽車總質量比重較大的部分有車身、發動機、底盤、內外裝備等。由此，車身、底盤、發動機等部件的輕量化研究對減輕汽車總質量存在很大潛力。

1CAE 的技術概述

CAE （ Computer Aided Engineering， 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新興技術，它的理論基礎是有限元法和數值分析方法。有限元法的基本思想是將連續的求解區域離散為一組有限個、且按一定方式相互連結在一起的單元的組合體。由于單元本身又可以有不同形狀，因此可以模擬幾何形狀復雜的求解域。數值分析方法是研究適合于在計算機上使用的實際可行、理論可靠、計算復雜性好的數值計算方法，近40 年來，數值分析迅速發展并成為數學科學中的一個獨立學科。

2 CAE 技術應用范圍

CAE 技術的應用范圍很廣， 發展也相當快，CAE 技術的功能主要體現在產品的模型建立、工程分析、模擬仿真和優化設計等幾個方面。

2.1 工程數值分析

運用工程數值分析中的有限元等技術分析計算產品結構的應力、變形等物理場量， 給出整個物理場量在空間與時間上的分布，實現結構的從線性、靜力計算分析到非線性、動力的計算分析。分析內容包括靜力分析和動力分析兩個方面。靜力分析通常包括： 線性、（材料、幾何、狀態）非線性靜力分析;動力分析通常包括： 穩態動力分析、瞬態動力分析、譜分析。

2.2 仿真

運用運動/ 動力學的理論和方法， 對由CAD 實體造型設計出的機構、整機進行運動/ 動力學仿真，并給出機構、整機的運動軌跡、速度、加速度以及動反力的大小等。

2.3 結構優化設計

運用優化設計的方法在滿足設計、制造、使用的約束條件下， 對產品的結構、工藝參數、結構形狀參數進行優化設計， 使產品結構性能、工藝過程達到最優。

結構優化通常包括的截面優化、幾何優化、拓撲優化、結構類型優化幾個層次。

3 CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用

在現代汽車工業中，CAE 技術在汽車設計中得到了廣泛的應用，運用CAE 技術可以實現汽車的輕量化設計、制造。輕量化的手段之一就是對汽車總體結構進行分析和優化，實現對汽車零部件的精簡、整體化和輕質化。

利用CAE 技術， 結合有限元法與結構優化方法，對零部件進行結構優化，是實現零部件輕量化的一個重要研究方向。本文從車身結構優化設計、發動機零部件優化設計、車架結構優化設計三個方面講述了CAE 技術在汽車輕量化設計中的應用。

3.1 在車身輕量化設計中的應用

車身結構的輕量化對汽車節能和環保具有重要意義。據統計，客車、轎車和多數專用汽車車身的質量約占整車自身質量的40 %～60%。減輕汽車自身的質量，一方面節約了原材料，降低了汽車的生產成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于環保。隨著計算機技術的發展， CAE 技術在車身輕量化設計上得到了廣泛的應用。以下文獻證明了車身設計輕量化的潛力。

3.2 在發動機零部件輕量化設計中的應用

發動機是整個汽車的動力來源，隨著新型汽車的不斷發展，對發動機的要求也越來越高，要求現代發動機有高效率、高可靠性、體積小、質量輕的同時要求有低燃油消耗率和低排放等。發動機作為汽車最為關鍵的大總成之一，減輕發動機的質量對降低汽車自身重量也至關重要。從總的趨勢上看，發動機一直在向著輕量化的方向發展，CAE 技術在發動機設計領域也得到廣泛應用。

3.3 在車架結構輕量化設計中的應用

汽車車架是汽車結構件中結構和載荷都很復雜的重要部件，也是人們首先開展結構分析和結構優化設計的研究對象。近年來， 隨著CAE 技術的發展， 拓撲優化技術成為以提高結構性能或減輕結構質量為目標的一種新興結構設計方法， 隨著商業有限元分析軟件，如ANSYS，NASTRAN 中拓撲優化功能的實現，以及商品化結構優化軟件（如OptiStruct，TOSCA 等） 在國內的逐步普及，目前已在車架輕量化設計中得到成功應用。

4 結語

綜合國內外已經開展的研究，采用CAE 技術在汽車結構輕量化的理論研究和實際應用都取得了重要的進展。無論是從方案設計、方案評價、模型建立、工程分析等諸多方面實現對汽車零部件的精簡、輕質、整合，還是對輕量化后汽車的操縱穩定性、強度和剛度、行駛安全性、乘坐舒適性等性能指標進行分析與評價，最終都實現減輕汽車質量，提高燃油經濟性， 減少排放污染的目標。彰顯了CAE 技術在汽車研發過程中的作用日益重要。

參考文獻：

[1]付璐，付黎明.汽車造型的技術因素研究[J].包裝工程，2008（07）.

[2]白曉波，王超.產品造型設計中的結構因素分析[J].包裝工程，2009（04）.