在汽車(chē)的安全性研究和現(xiàn)有汽車(chē)安全技術(shù)中，汽車(chē)的安全性分為被動(dòng)安全性和主動(dòng)安全性。從交通事故原因的調(diào)查分析結(jié)果表明，汽車(chē)預(yù)防事故的主動(dòng)安全性，只能避免5%的事故，因此提高汽車(chē)在發(fā)生事故時(shí)保護(hù)乘員、行人，減輕和避免傷亡的被動(dòng)安全性越來(lái)越受到人們的重視。對(duì)一輛車(chē)的安全來(lái)說(shuō)，主動(dòng)安全和被動(dòng)安全都必須放到同等重要的位置，而被動(dòng)安全性能則和一款車(chē)型的車(chē)身設(shè)計(jì)有著密不可分的關(guān)系，一個(gè)堅(jiān)固的車(chē)身能大大降低碰撞對(duì)車(chē)內(nèi)乘員所帶來(lái)的傷害，而先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念和合理的用料則決定著車(chē)身是否能在關(guān)鍵時(shí)刻力挽狂瀾，本文從多個(gè)方面總結(jié)了汽車(chē)結(jié)構(gòu)安全設(shè)計(jì)。

1 太陽(yáng)能汽車(chē)懸架設(shè)計(jì)[1]

1.1 主要目的和主要原理

De Camargo對(duì)太陽(yáng)能汽車(chē)的懸架系統(tǒng)進(jìn)行了深入的研究，特別是對(duì)直接負(fù)責(zé)承受輪轂力的結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這對(duì)車(chē)輛的穩(wěn)定性起到關(guān)鍵作用。通過(guò)靜態(tài)和模態(tài)有限元分析，對(duì)碳纖維增強(qiáng)塑料制成的三種不同形狀進(jìn)行了分析和比較：兩個(gè)前叉與一個(gè)橫臂連接，一個(gè)輪轂與一個(gè)新的滑動(dòng)輪轂系統(tǒng)相連。懸架系統(tǒng)無(wú)疑是汽車(chē)正常運(yùn)轉(zhuǎn)的最重要的系統(tǒng)之一。它不僅負(fù)責(zé)為乘客提供舒適的外部振動(dòng)，而且還負(fù)責(zé)減震軟化，保護(hù)所有機(jī)械部件，同時(shí)保持整車(chē)重量，保持輪胎與路面增強(qiáng)的推進(jìn)力和安全性的牢固接觸。

1.2 結(jié)論及存在的問(wèn)題

針對(duì)新設(shè)計(jì)的非叉臂式車(chē)輪支撐懸架De Camargo提出了一種新布置，由輪轂連接到一個(gè)滑動(dòng)輪轂，它直接連接到彈簧，旨在減少能源消耗的摩擦。眾所周知，單球接頭需要比滑動(dòng)輪轂更少的摩擦力，但是十字臂的整體關(guān)節(jié)的設(shè)計(jì)使得單個(gè)滑動(dòng)面的選擇變得更加合理。此外，通過(guò)碳纖維改進(jìn)這種設(shè)計(jì)使其更緊湊，需要較少的零件數(shù)量，也大大減輕了所需的重量。模態(tài)分析允許根據(jù)固有頻率和振型來(lái)確定結(jié)構(gòu)的振動(dòng)響應(yīng)。使用有限元的方法進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)基本步驟，通常用作詳細(xì)的動(dòng)態(tài)分析（如諧波、動(dòng)態(tài)和剛體運(yùn)動(dòng)）的起點(diǎn)。我們知道每一個(gè)結(jié)構(gòu)都可以受到不同外力的影響，如果它們?cè)诠舱駰l件下可能會(huì)導(dǎo)致其機(jī)械部件的磨損和耐久性問(wèn)題。因此，模態(tài)分析可以研究振動(dòng)引起的結(jié)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性，旨在通過(guò)改進(jìn)給定的機(jī)械設(shè)計(jì)來(lái)確定共振頻率，從而預(yù)測(cè)和避免共振現(xiàn)象。

2 多功能增材制造的設(shè)計(jì)框架嵌入式結(jié)構(gòu)的耦合優(yōu)化策略[2]

2.1 主要目的和主要原理

Panesar A對(duì)汽車(chē)結(jié)構(gòu)的安全性設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。提出了一種基于耦合系統(tǒng)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)優(yōu)化多功能部件的方法。這是通過(guò)在一個(gè)結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)程中，將一個(gè)由若干連接的功能部件組成的系統(tǒng)結(jié)合在結(jié)構(gòu)響應(yīng)中的一部分來(lái)實(shí)現(xiàn)的。通過(guò)對(duì)具有集成元件和電路的懸臂板進(jìn)行耦合優(yōu)化，證明了該方法的可行性。結(jié)果表明，該方法能夠設(shè)計(jì)出既考慮結(jié)構(gòu)要求又考慮系統(tǒng)要求的多功能零件。

2.2 結(jié)論及存在的問(wèn)題

Panesar A設(shè)計(jì)了一個(gè)體素建模環(huán)境，以實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)設(shè)計(jì)、數(shù)值分析和制造之間的無(wú)縫過(guò)渡，它們都依賴于離散的體積空間。具體而言，用于系統(tǒng)設(shè)計(jì)的體素，用于FEA的六面體單元和用于噴射的bmp文件格式的具有相關(guān)層厚度的2D像素。同時(shí)，Panesar A提出了一個(gè)耦合優(yōu)化公式，該公式可以確定最佳的材料和系統(tǒng)布局，因?yàn)樗鉀Q了覆蓋在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問(wèn)題上的系統(tǒng)設(shè)計(jì)問(wèn)題。盡管這種發(fā)展的直接應(yīng)用是能夠使得設(shè)計(jì)具有嵌入式功能系統(tǒng)的增材制造（噴射）復(fù)合材料部件。例如具有電氣部件和導(dǎo)電軌道的結(jié)構(gòu)部件。但是，Panesar A提出的策略應(yīng)該被考慮用于解決更一般的工程問(wèn)題。Panesar A的主要貢獻(xiàn)是改進(jìn)的啟發(fā)式定義，允許一個(gè)更合適的耦合策略，其中的系統(tǒng)設(shè)計(jì)是同時(shí)進(jìn)行的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。仿真結(jié)果表明，所提出的耦合方法具有很強(qiáng)的適用性，其中系統(tǒng)靈敏度，特別是路由靈敏度，結(jié)合多個(gè)設(shè)計(jì)問(wèn)題的結(jié)構(gòu)敏感性。

3 客車(chē)用散熱器冷卻風(fēng)扇的設(shè)計(jì)優(yōu)化[3]

3.1 主要目的和主要原理

汽車(chē)散熱器冷卻風(fēng)扇已被視為是一個(gè)重要的噪聲源，在車(chē)輛和日益增加的噪音環(huán)境下，對(duì)于汽車(chē)散熱器冷卻風(fēng)扇的優(yōu)化設(shè)計(jì)是十分重要的。雖然現(xiàn)有的一些經(jīng)驗(yàn)預(yù)測(cè)技術(shù)已經(jīng)很多，但是它們?nèi)圆粔驕?zhǔn)確，不能詳細(xì)描述整個(gè)噪聲譜和各種容易出現(xiàn)噪聲的區(qū)域。因此，對(duì)于高精度的計(jì)算流體動(dòng)力學(xué)（CFD）的研究是必不可少的。CFD中的大渦模擬技術(shù)是用來(lái)解決流體的微小尺度運(yùn)動(dòng)的，因?yàn)榕c系統(tǒng)級(jí)壓力相比，模擬的聲壓非常小，而且要求非常精確。詳細(xì)的網(wǎng)格依賴性是為了實(shí)現(xiàn)更高的精度以及將網(wǎng)格要求保持在計(jì)算可行的區(qū)域內(nèi)。通過(guò)比較頻域中的A加權(quán)聲壓級(jí)（SPL）譜，證實(shí)了CFD研究得到的數(shù)值結(jié)果與測(cè)試結(jié)果的對(duì)比。

3.2 結(jié)論及存在的問(wèn)題

這項(xiàng)工作分為兩大部分，第一部分是風(fēng)扇噪聲的CFD分析和通用工藝布局的建立。第二部分的工作重點(diǎn)是對(duì)整體噪聲和噪聲頻譜進(jìn)行幾何修改的研究。該實(shí)驗(yàn)在半消聲室中進(jìn)行驗(yàn)證。只是簡(jiǎn)單地應(yīng)用實(shí)驗(yàn)程序以獲得用于建立計(jì)算模擬的模型。這里采用一個(gè)6葉片冷卻散熱器風(fēng)扇模塊用于驗(yàn)證和確認(rèn)風(fēng)扇噪音數(shù)據(jù)。散熱器在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中不會(huì)使用，實(shí)驗(yàn)的目的是模擬無(wú)散熱器的獨(dú)立風(fēng)扇模塊的噪聲譜。風(fēng)扇的CFD分析必須在截?cái)嘤蛑羞M(jìn)行。選擇該域是為了盡量減少計(jì)算需求，并盡量減少通道對(duì)計(jì)算的影響。該域與四個(gè)不同的表面網(wǎng)格以及體積網(wǎng)格進(jìn)行網(wǎng)格化，以研究網(wǎng)格靈敏度的影響以及獲得不敏感的網(wǎng)格。使用任何湍流模型的一個(gè)重要考慮因素是無(wú)量綱參數(shù)y+，它是粘性效應(yīng)滲透的距離的定量度量。需要系統(tǒng)地對(duì)各種幾何變化做進(jìn)一步研究，以建立一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)來(lái)優(yōu)化風(fēng)扇的噪聲特性。

4 汽車(chē)結(jié)構(gòu)的多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法[4]

4.1 主要目的和主要原理

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化（MDO）可以作為改進(jìn)汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效方法。大規(guī)模MDO問(wèn)題通常涉及多學(xué)科，他們必須同時(shí)并自主地工作才能高效地解決方案。比較現(xiàn)有的MDO方法，并根據(jù)汽車(chē)結(jié)構(gòu)應(yīng)用的特性評(píng)估其適用性是目前汽車(chē)結(jié)構(gòu)的多學(xué)科優(yōu)化方法的主要研究方向。同時(shí)，多層次和單層次的優(yōu)化方法都要進(jìn)行考慮。在優(yōu)化汽車(chē)結(jié)構(gòu)時(shí)，通常需要元模型來(lái)減輕詳細(xì)仿真模型的計(jì)算負(fù)荷。元模型可以在優(yōu)化過(guò)程之前由各個(gè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)建，從而提供分配工作的方式。因此，結(jié)合模型的單級(jí)方法是實(shí)施MDO為汽車(chē)結(jié)構(gòu)發(fā)展的最直接的途徑。如果多級(jí)優(yōu)化方法在特殊情況下的優(yōu)點(diǎn)被認(rèn)為是彌補(bǔ)了其缺點(diǎn)，那么分析目標(biāo)群相對(duì)于協(xié)作優(yōu)化具有許多優(yōu)點(diǎn)，但是這兩種方法都是可能的選擇。然而，似乎沒(méi)有任何適用于汽車(chē)應(yīng)用的MDO方法的研究。此外，在汽車(chē)開(kāi)發(fā)中使用的許多模擬模型，必須包含元模型。

4.2 結(jié)論及存在的問(wèn)題

汽車(chē)各子系統(tǒng)的分析內(nèi)容成相互交錯(cuò)的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，要改變傳統(tǒng)整體優(yōu)化方式，采用分布式網(wǎng)絡(luò)優(yōu)化，就要在總統(tǒng)系統(tǒng)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行系統(tǒng)分解，將耦合的設(shè)計(jì)系統(tǒng)分解組織成一些比較簡(jiǎn)單的子問(wèn)題。采用各學(xué)科比較成熟完善的分析工具來(lái)分析，然后對(duì)相對(duì)獨(dú)立的子問(wèn)題進(jìn)行協(xié)調(diào)、優(yōu)化。我們應(yīng)用車(chē)輛一體化設(shè)計(jì)分析系統(tǒng)（IVDA）來(lái)分析設(shè)計(jì)。在IVDA系統(tǒng)中，結(jié)構(gòu)分析和設(shè)計(jì)采用彈性梁模型處理，利用NASTRAN軟件程序計(jì)算響應(yīng)和敏感性，并在車(chē)體強(qiáng)度、車(chē)身長(zhǎng)度、彎扭頻率等約束限制下優(yōu)化車(chē)體重量。空氣動(dòng)力學(xué)氣動(dòng)阻力分析采用神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合計(jì)算。這樣各學(xué)科子任務(wù)可以實(shí)現(xiàn)并行設(shè)計(jì)，在優(yōu)化程序運(yùn)行過(guò)程中，充分利用了各學(xué)科局部的分析優(yōu)化能力，控制學(xué)科間的耦合設(shè)計(jì)變量，并且在結(jié)構(gòu)學(xué)科優(yōu)化過(guò)程中，同時(shí)進(jìn)行多學(xué)科的敏感性分析計(jì)算。

[1]De Camargo F V,Fragassa C,Pavlovic A,et al.Analysis of the suspension design evolution in solar cars[J].FMETransactions,2017,45(3)：394-404.

[2]Panesar A,Brackett D,Ashcroft I,et al.Design framework for multifunctional additive manufacturing：Placement and routing of three-dimensional printed circuit volumes[J].Journal of Mechanical Design,2015,137(11)：111414.

[3]Tare K,Mukherjee U,Vaidya R J.Design Optimization of Automotive Radiator Cooling Module Fan of Passenger Vehicle for Effective Noise Management Using CFD Technique[R].SAETechnical Paper,2017.

[4]Domeij B?ckryd R,Ryberg A B,Nilsson L.Multidisciplinary design optimisation methods for automotive structures[J].International Journal of Automotive and Mechanical Engineering,2017,14(1)：4050-4067.