CAE技術(shù)在新能源汽車輕量化方面的研究與應(yīng)用

陳磊

摘 要：隨著社會(huì)的發(fā)展，節(jié)能環(huán)保逐漸成為各行各業(yè)生產(chǎn)運(yùn)營過程中重點(diǎn)關(guān)注的內(nèi)容。在汽車生產(chǎn)行業(yè)中，節(jié)能環(huán)保主要是依靠開發(fā)利用新能源，對汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)等方式來實(shí)現(xiàn)的。新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)，可以有效減輕汽車自身的重量，提高汽車的動(dòng)力性，減少燃料的消耗，改善大氣環(huán)境。在本論文中，主要探討CAE技術(shù)在新能源汽車輕量化方面的研究與應(yīng)用，希望為我國新能源汽車的輕量化發(fā)展提供參考。

關(guān)鍵詞：CAE 新能源汽車 輕量化

Research and Application of CAE Technology in the Lightweight of New Energy Vehicles

Chen Lei

Abstract：With the development of society， energy conservation and environmental protection have gradually become the focus of attention in the production and operation of various industries. In the automobile production industry， energy conservation and environmental protection are mainly achieved through the development and utilization of new energy sources and the lightweight design of automobiles. The lightweight design of new energy vehicles can effectively reduce the weight of the vehicle itself， improve the power of the vehicle， reduce fuel consumption， and improve the atmospheric environment. In this paper， we mainly discuss the research and application of CAE technology in the lightweight of new energy vehicles， hoping to provide references for the lightweight development of new energy vehicles in China.

Key words：CAE， new energy vehicles， lightweight

1 前言

2016年，我國汽車工程學(xué)會(huì)明確指出了，我國汽車生產(chǎn)企業(yè)要將新能源汽車的研發(fā)、生產(chǎn)作為未來發(fā)展方向，并提出了將輕量化技術(shù)應(yīng)用于新能源汽車設(shè)計(jì)的必要性。新能源汽車，指的是采用非常規(guī)能源，如太陽能、電能等作為汽車動(dòng)力的來源，同時(shí)采用先進(jìn)的汽車生產(chǎn)技術(shù)，制造出具有新型結(jié)構(gòu)、低排污、低能源消耗的汽車。在新能源汽車設(shè)計(jì)中，輕量化是一項(xiàng)非常重要的優(yōu)化指標(biāo)，實(shí)踐表明，減輕汽車的重量，可以降低汽車能源的消耗[1]，因此，對新能源汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，是節(jié)能減排的有效手段，是我國汽車生產(chǎn)企業(yè)進(jìn)行新能源汽車設(shè)計(jì)、制造的重要方向。目前，對新能源汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)的方法主要有三種，一是采用輕量化材料，例如整車中增加高強(qiáng)度鋼、鋁合金以及復(fù)合材料的應(yīng)用比例;二是采用輕量化結(jié)構(gòu)，可以通過拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化、截面優(yōu)化等技術(shù)對零部件結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在滿足性能的前提，盡可能地降低產(chǎn)品重量。三是采用輕量化車身框架，可以通過優(yōu)化整車受力路徑、構(gòu)建環(huán)狀結(jié)構(gòu)、加強(qiáng)接頭強(qiáng)度等技術(shù)對車身框架進(jìn)行優(yōu)化。在本論文中，主要結(jié)合CAE技術(shù)，對新能源汽車輕量化的方法進(jìn)行探討，具體內(nèi)容如下：

2 CAE技術(shù)概述

2.1 CAE技術(shù)的含義

CAE（Computer Aided Engineering），即計(jì)算機(jī)輔助工程。CAE技術(shù)是在自然科學(xué)技術(shù)和計(jì)算機(jī)技術(shù)不斷發(fā)展的基礎(chǔ)上建立起來的，是將具體的自然學(xué)科與計(jì)算機(jī)技術(shù)相結(jié)合，將自然科學(xué)的理論知識和經(jīng)驗(yàn)通過計(jì)算機(jī)語言描述出來，借助于計(jì)算機(jī)的高速處理能力，使人們能夠在很短的時(shí)間內(nèi)得到和處理大量的數(shù)據(jù)，拓展人們認(rèn)識物質(zhì)世界的能力，減輕人們的體力和腦力勞動(dòng)。

CAE根據(jù)不同學(xué)科與計(jì)算機(jī)技術(shù)的結(jié)合有不同的分支。從廣義來說，CAE包括計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（CAD）、計(jì)算機(jī)輔助創(chuàng)新（CAI）、計(jì)算機(jī)輔助分析（CAA）、計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化（CAO）和計(jì)算機(jī)輔助制造（CAM）等。從狹義來說，CAE包括計(jì)算結(jié)構(gòu)力學(xué)（FEA，有限元分析）、計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)（CMD）、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）等，人們通常所說的CAE實(shí)際上是狹義上的[1]。

2.2 CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍

在汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域，CAE技術(shù)的應(yīng)用范圍比較廣泛，包括構(gòu)有限元分析、計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)分析、計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)分析等。

有限元分析利用數(shù)學(xué)近似的方法對真實(shí)物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，用有限數(shù)量的未知量去逼近無線未知量的真實(shí)系統(tǒng)。它的基本思路：首先，將連續(xù)體離散成有限個(gè)互不重疊僅通過節(jié)點(diǎn)互相連接的子域（單元）的離散域，連續(xù)域的邊界條件也轉(zhuǎn)化為節(jié)點(diǎn)的邊界條件;其次，在單元內(nèi)選擇合適的近似函數(shù)來分片逼近未知的求解函數(shù)[2]。通常結(jié)構(gòu)有限元分析一方面可用于產(chǎn)品剛度、強(qiáng)度、疲勞壽命、屈曲應(yīng)力、熱應(yīng)力、固有頻率等方面性能評估。另一方面還可用于對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)化，例如拓?fù)鋬?yōu)化、尺寸優(yōu)化等。

多體系統(tǒng)是指由多個(gè)物體通過運(yùn)動(dòng)副連接的復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)。計(jì)算多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)是指用計(jì)算機(jī)數(shù)值手段來研究復(fù)雜機(jī)械系統(tǒng)的靜力學(xué)分析、運(yùn)動(dòng)學(xué)分析以及控制系統(tǒng)分析的理論和方法。它極大地改變了傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)動(dòng)力學(xué)分析的面貌，使工程師從傳統(tǒng)的手工計(jì)算中解放了出來，只需根據(jù)實(shí)際情況建立合適的模型，就可以由計(jì)算機(jī)自動(dòng)求解，并可提供豐富的結(jié)果分析手段[3]。整車開發(fā)設(shè)計(jì)階段，多體動(dòng)力學(xué)分析可用于整車載荷提取、操控穩(wěn)定性等性能評估。

計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)是近代流體力學(xué)，是數(shù)值數(shù)學(xué)和計(jì)算機(jī)結(jié)合的產(chǎn)物，是一門具有強(qiáng)大生命力的交叉科學(xué)。它是將流體力學(xué)的控制方程中積分、微分項(xiàng)近似地表示為離散地代數(shù)形式，使其為代數(shù)方程組，然后通過計(jì)算機(jī)求解這些離散的代數(shù)方程組，獲得離散的時(shí)間/空間點(diǎn)上的數(shù)值解。可用于解決汽車整車產(chǎn)品研發(fā)過程中出現(xiàn)的以下問題：空氣動(dòng)力學(xué)、氣動(dòng)噪聲問題;機(jī)艙熱管理問題;空調(diào)系統(tǒng)及乘員熱舒適性問題、電池單體放電過程發(fā)熱問題、電池組冷卻散熱問題等。

3 CAE技術(shù)在新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)方面的應(yīng)用

在現(xiàn)代汽車工業(yè)中，CAE技術(shù)是汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要手段。利用CAE技術(shù)，可以對汽車的零部件及整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化處理，提高汽車的輕量化水平。在本論文中，將從車身輕量化設(shè)計(jì)、零部件輕量化設(shè)計(jì)、造型輕量化設(shè)計(jì)等方面，對新能源汽車的輕量化策略進(jìn)行探討，并在不同的優(yōu)化內(nèi)容中，討論CAE技術(shù)的應(yīng)用方法。

3.1 新能源汽車車身輕量化設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用

根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，目前我國已經(jīng)投入使用的新能源車輛，如轎車、客車，及各種專用車，其車身的質(zhì)量占整體質(zhì)量的50%左右。因此，在新能源車輛輕量化設(shè)計(jì)方面，首先要利用CAE技術(shù)減輕車身的重量。車身的輕量化，一方面可以有效節(jié)約原材料，降低汽車生產(chǎn)成本，提高企業(yè)的經(jīng)濟(jì)效益，另一方面還降低了能源的消耗，減少了排污，提高了車輛的環(huán)保性。在具體實(shí)踐方面，設(shè)計(jì)人員可以利用CAE技術(shù)中的有限元分析，對新能源車輛的車身、底盤、焊點(diǎn)位置等進(jìn)行分析和研究，最大限度減輕車身的重量，同時(shí)有效提高車身的承載能力，及抗撞擊、變形能力。還可以利用拓?fù)鋬?yōu)化法，對車身的加強(qiáng)筋進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在保持原定成本的基礎(chǔ)上，有效提高車身的整體剛度[4]。

例如，設(shè)計(jì)人員在對電動(dòng)轎車進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，可以利用CAE技術(shù)，結(jié)合多工況、多狀態(tài)變量條件，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，以此為依據(jù)對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行調(diào)整，確定最佳的設(shè)計(jì)方案。在此基礎(chǔ)上，建立新的有限元模型，并對車身的模態(tài)、剛度等進(jìn)行分析，對車身進(jìn)行改造，實(shí)現(xiàn)車身重量的優(yōu)化。實(shí)踐表明，進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化后，車身的剛度比原有車身提高了一倍多。車身重量比原有車身減少了四分之一左右。且利用拓?fù)鋬?yōu)化方法開發(fā)、設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)更加的安全，輕量化水平明顯提升。

3.2 新能源汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用

汽車作為交通運(yùn)輸工具，在日常使用過程中，承受著來自不同路況的載荷作用。極限工況中，作用于零部件上的載荷稱為極限工況載荷，極限工況載荷大小決定著零部件的使用壽命。在零部件設(shè)計(jì)過程中，如果設(shè)計(jì)載荷遠(yuǎn)大于極限工況載荷，會(huì)造成零部件尺寸過大、重量增加，原材料浪費(fèi)，整車重量增加;如果設(shè)計(jì)載荷小于極限工況載荷，會(huì)造成零部件強(qiáng)度不足，后期會(huì)出現(xiàn)失效風(fēng)險(xiǎn)。零部件設(shè)計(jì)載荷大小的設(shè)定，直接決定著零部件輕量化設(shè)計(jì)水平。

例如，設(shè)計(jì)人員在對汽車副車架進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，首先利用計(jì)算多體動(dòng)力學(xué)商用軟件ADAMS建立整車多體動(dòng)力學(xué)分析模型，然后得到極限工況下副車架的極限工況載荷，最后對副車架進(jìn)行強(qiáng)度校核和結(jié)構(gòu)優(yōu)化。這種設(shè)計(jì)方法，不僅使副車架能夠滿足強(qiáng)度性能，而且重量也最輕，大幅提升了副車架的輕量化設(shè)計(jì)水平[5]。

3.3 新能源汽車造型輕量化設(shè)計(jì)中CAE技術(shù)的應(yīng)用

目前，世界各國都在大力發(fā)展新能源汽車，我國更是將其列入到七大戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)之中，其中純電動(dòng)汽車更是未來汽車發(fā)展的主流方向。在純電動(dòng)汽車的大力推廣中，續(xù)航能力成為人們選擇電動(dòng)汽車的重要考慮因素。降低新能源汽車的風(fēng)阻系數(shù)，是提高新能源汽車?yán)m(xù)航能力的重要措施之一。理論上來說，風(fēng)阻系數(shù)每降低0.01，續(xù)航里程可以比原來提升15-20公里。

例如，在汽車造型設(shè)計(jì)階段，利用計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)商業(yè)軟件FLUENT可以快速地分析出造型方案外流場的流動(dòng)情況和車身附近湍流動(dòng)能分布等細(xì)節(jié)，進(jìn)而優(yōu)化造型方案并得到較低的風(fēng)阻系數(shù)[6]。低風(fēng)阻系數(shù)，意味著在同樣續(xù)航里程的前提下，可以設(shè)計(jì)更輕的電池包作為動(dòng)力源，從而降低整車重量，提高整車輕量化水平。

4 結(jié)語

總的來說，CAE技術(shù)作為新能源汽車輕量化設(shè)計(jì)的重要技術(shù)手段，經(jīng)過長期的研究和大量的實(shí)踐應(yīng)用，在理論研究方面已經(jīng)比較完善成熟，在實(shí)踐應(yīng)用方面，已經(jīng)有了很多成功案例。這項(xiàng)技術(shù)對于提高新能源汽車的輕量化水平，提升新能源汽車的穩(wěn)定性、安全性、強(qiáng)度、剛度，減少能源消耗，提高動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性等方面都有非常積極的作用。

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