[摘 要]隨著社會(huì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車的需求量快速增加，汽車成為現(xiàn)代社會(huì)不可或缺的一部分。在汽車產(chǎn)業(yè)迅猛發(fā)展同時(shí)，人們對(duì)汽車的性能與安全性需求也隨之增大。伴隨著而來的則是研發(fā)水平的提升，使得優(yōu)化設(shè)計(jì)逐步應(yīng)用到整個(gè)汽車開發(fā)之中。本文主要對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)的概念，發(fā)展?fàn)顩r及方法分類進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，同時(shí)列舉一些優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車中的應(yīng)用，從而加深對(duì)汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)的理解。

[關(guān)鍵詞]優(yōu)化設(shè)計(jì)；應(yīng)用；汽車發(fā)動(dòng)機(jī)；汽車車身；輕量化

中圖分類號(hào)：TP117.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）05-0039-01

1、優(yōu)化設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介

所謂“優(yōu)化設(shè)計(jì)”是指：研究問題和尋求解決問題的最優(yōu)方案，“最優(yōu)”兩字應(yīng)理解為在給定條件下得到盡可能滿意的結(jié)果。優(yōu)化設(shè)計(jì)是20世紀(jì)60年代初發(fā)展起來的一門新學(xué)科，它將最優(yōu)化原理和計(jì)算機(jī)技術(shù)應(yīng)用于設(shè)計(jì)領(lǐng)域，為工程設(shè)計(jì)提供一種重要的科學(xué)設(shè)計(jì)方法。實(shí)踐證明，最優(yōu)化設(shè)計(jì)是保證產(chǎn)品具有優(yōu)良性能，減輕自重和體積，降低工程造價(jià)的一種有效方法，同時(shí)，也可以使得設(shè)計(jì)者從大量繁瑣工作總作中解脫出來，大大提高工作效率。優(yōu)化設(shè)計(jì)包括兩部分內(nèi)容。第一個(gè)是建立優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型，同時(shí)選取設(shè)計(jì)變量，得出目標(biāo)函數(shù)并給出約束條件。第二則是采用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法，求解所建立的數(shù)學(xué)模型，得出最優(yōu)值。

優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的分類：（1）根據(jù)優(yōu)化問題的不同特點(diǎn)進(jìn)行分類，包括無約束優(yōu)化問題和約束最優(yōu)化問題。（2）根據(jù)函數(shù)類型分類，可分為線性優(yōu)化，二次優(yōu)化，以及非線性優(yōu)化。

2、優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

2.1 汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)

近幾年針對(duì)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)，重點(diǎn)包括降低油耗，減排，降低磨損，減輕質(zhì)量等，因此，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)研發(fā)中有必要引入優(yōu)化設(shè)計(jì)這一重要手段。目前，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)，主要是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，以提高其性能；選取適當(dāng)材料實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化，減輕車重；精確控制發(fā)動(dòng)機(jī)內(nèi)燃燒以及降低排放等。發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化主要是優(yōu)化一些關(guān)鍵零部件的形狀以提高發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。此方面的研究有人總結(jié)國(guó)內(nèi)外對(duì)航空發(fā)動(dòng)機(jī)葉片，輪盤結(jié)構(gòu)優(yōu)化現(xiàn)狀，提出一種將動(dòng)態(tài)分析和結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)相結(jié)合的新方法；闡述了CAD/CAE技術(shù)在電噴汽油機(jī)進(jìn)氣歧管設(shè)計(jì)和螺旋氣道設(shè)計(jì)的應(yīng)用效果；基于一種高效的有限元方法對(duì)三維復(fù)雜形狀連桿進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)；基于有限元分析和優(yōu)化技術(shù)，提出一種發(fā)動(dòng)機(jī)曲軸的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。在發(fā)動(dòng)機(jī)主要零部件活塞、連桿和曲軸的設(shè)計(jì)中，應(yīng)用三維軟件CATIA分別建立了活塞、連桿和曲軸的三維模型。然后對(duì)其進(jìn)行虛擬裝配，對(duì)裝配體有限元模型進(jìn)行熱力耦合分析，解決曲柄連桿機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的剛強(qiáng)度評(píng)價(jià)問題。

對(duì)于實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)的輕量化，主要針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的材料進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。近幾年來，在發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)上，應(yīng)用了許多新型材料，如：氧化硅，氮化硅，碳化硅以及合成石墨等，通過建立發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)合材料截面應(yīng)力應(yīng)變解析式和最大應(yīng)力準(zhǔn)則，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行強(qiáng)度優(yōu)化設(shè)計(jì)。

發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒過程影響著節(jié)能環(huán)保。隨著世界各國(guó)對(duì)于能源問題以及環(huán)境問題重視，發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)也愈發(fā)受到人們的關(guān)注。目前主要針對(duì)噴射系統(tǒng)，進(jìn)氣系統(tǒng)，燃燒室部分進(jìn)行優(yōu)化。對(duì)于發(fā)動(dòng)機(jī)的噴射系統(tǒng)，主要是借助電子控制技術(shù)，根據(jù)發(fā)動(dòng)機(jī)以及汽車的運(yùn)行狀況，精確控制噴油定時(shí)與噴油次數(shù)，以實(shí)現(xiàn)噴油過程的優(yōu)化設(shè)計(jì)。同時(shí)采用多目標(biāo)設(shè)計(jì)方法，優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒系統(tǒng)與配氣機(jī)構(gòu)匹配。在燃燒室的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，采用計(jì)算機(jī)仿真手段對(duì)天然氣汽車發(fā)動(dòng)機(jī)的空燃比進(jìn)行優(yōu)化以改善發(fā)動(dòng)機(jī)的性能。

2.2 汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)

汽車車身在汽車上占有重要比例，僅車身質(zhì)量就約占汽車總質(zhì)量的五分之二，為了實(shí)現(xiàn)減排，降低油耗，同時(shí)實(shí)現(xiàn)行駛的安全性，使得車身輕量化成為汽車車身優(yōu)化設(shè)計(jì)的重點(diǎn)。因此，在針對(duì)汽車車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的時(shí)候，應(yīng)從輕量化入手，并達(dá)到車身輕量化的目的。

要實(shí)現(xiàn)汽車車身的輕量化，目前有以下幾種途徑。第一，從車身的根本著手，實(shí)現(xiàn)汽車零部件的輕量化。對(duì)汽車零部件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，主要借助于CAE方法重新對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以分析校核——優(yōu)化分析設(shè)計(jì)——再次分析校核的循環(huán)式方法減輕零部件的重量并提高其強(qiáng)度。同時(shí)也可以對(duì)制造工藝進(jìn)行優(yōu)化，來實(shí)現(xiàn)車身的輕量化。第二，對(duì)汽車實(shí)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在對(duì)汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)以前，采用CAD對(duì)汽車結(jié)構(gòu)布局進(jìn)行設(shè)計(jì)，對(duì)整個(gè)車輛進(jìn)行分析，選取適當(dāng)?shù)牧悴考约安牧?，來?shí)現(xiàn)車身輕量化。隨著有限元技術(shù)的成熟和高速電子計(jì)算機(jī)技術(shù)的出現(xiàn)，使得車身骨架動(dòng)態(tài)有限元分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為可能。靜態(tài)分析以及動(dòng)態(tài)分析主要用來查明車身應(yīng)力分布和變形，分析模態(tài)和固有頻率，檢驗(yàn)車身結(jié)構(gòu)合理性。基于有限元方法的車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化首先應(yīng)建立車身結(jié)構(gòu)有限元模型同時(shí)對(duì)車身各部件進(jìn)行簡(jiǎn)化，計(jì)算工況，考慮到車身優(yōu)化涉及的變量較多，可采用分段優(yōu)化的方法，優(yōu)化過程中容易收斂于局部最優(yōu)解。最后進(jìn)行優(yōu)化分析以實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后不僅可以減少材料，減輕自重，實(shí)現(xiàn)動(dòng)力性和經(jīng)濟(jì)性的提升。

總結(jié)

本文主要針對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車行業(yè)的運(yùn)用的部分內(nèi)容作簡(jiǎn)單介紹，優(yōu)化設(shè)計(jì)也在其他行業(yè)被廣泛應(yīng)用，隨著時(shí)代的發(fā)展，優(yōu)化設(shè)計(jì)也會(huì)更加的普及，同時(shí)也會(huì)給人們帶來更多的便利，逐步改變?nèi)祟惿睿苿?dòng)人類社會(huì)的發(fā)展。

參考文獻(xiàn)

[1] 孫靖民，梁迎春，機(jī)械優(yōu)化設(shè)計(jì)，第五版，機(jī)械工業(yè)出版社，2012.

[2] 師金石，王志，王建昕.發(fā)動(dòng)機(jī)CAD/CFD設(shè)計(jì)技術(shù)[J].汽車工程，2004.

[3] 張少華.新型復(fù)合材料——在發(fā)動(dòng)機(jī)制造業(yè)中的應(yīng)用[J].汽車與配件，2004（10）.

[4] 蔣元廣，張保成，左正興.基于集成仿真技術(shù)的曲軸結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法研究[J].內(nèi)燃機(jī)工程，2005（3）.

[5] 王延安，趙長(zhǎng)金.汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的途徑[J].安徽科技，2013（9）.

[6] 蔡鋒，張亮亮，劉旌揚(yáng)，優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車零部件輕量化中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)，計(jì)算，研究，2012.

作者簡(jiǎn)介

姓名：王興凱，男，1995年3月，籍貫：遼寧省葫蘆島市綏中縣，陜西省西安市，長(zhǎng)安大學(xué)汽車學(xué)院，學(xué)校郵編：710021，研究方向，車輛工程。