趙國偉

（南充職業(yè)技術(shù)學(xué)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(chǎn)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(chǎn)品的利潤空間，增強產(chǎn)品競爭力。因此，汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計理念近年來獲得眾多整車廠和零部件供應(yīng)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(shè)計主要有兩種途徑：一種是采用質(zhì)量更輕、強度更高、力學(xué)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(shè)計方法對機械零件的結(jié)構(gòu)和加工工藝進行處理，在保證相關(guān)性能的前提下最大限度地減輕汽車零部件的重量[3]。輕質(zhì)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)?；诂F(xiàn)代化設(shè)計方法對汽車產(chǎn)品進行輕量化設(shè)計，以改進汽車結(jié)構(gòu)，使零部件薄壁化、中空化、小型化和復(fù)合化[4]，從而實現(xiàn)減輕重量的目的。本文結(jié)合有限單元法和計算機輔助優(yōu)化設(shè)計工具對汽車產(chǎn)品的輕量化設(shè)計進行研究。

1 CAE技術(shù)在汽車產(chǎn)品中的應(yīng)用現(xiàn)狀分析

CAE（ComputerAidedEngineering，計算機輔助工程）技術(shù)是計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的現(xiàn)代化分析技術(shù)，其理論基礎(chǔ)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(jié)構(gòu)的單元類型、約束、載荷和邊界條件等幾何關(guān)系，建立物理方程，借助于變分原理或加權(quán)余量法，將微分方程離散求解。

在現(xiàn)代汽車研發(fā)設(shè)計中，CAE技術(shù)已經(jīng)運用到汽車設(shè)計、研發(fā)和制造等各個環(huán)節(jié)。利用CAE技術(shù)可以在汽車正向設(shè)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(chǎn)品設(shè)計應(yīng)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(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，優(yōu)化零部件結(jié)構(gòu)，減少零件的數(shù)量，既能降低整車質(zhì)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(biāo)的前提下減輕零部件的重量。

（2）利用零部件微型化設(shè)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(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。比如轎車發(fā)動機的前置前驅(qū)或后置后輪的布局，使整車結(jié)構(gòu)緊湊，實現(xiàn)整車輕量化。

2 汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計的基本原則

汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計的基本原則主要遵循正確的大小、正確的拓撲結(jié)構(gòu)、正確的材料和正確的設(shè)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(zhì)量等要素滿足整體設(shè)計需求，保證綜合油量與質(zhì)量、尺寸、動力的匹配等方面的性能要求。

（2）正確的拓撲結(jié)構(gòu)用于保證各類零部件的結(jié)構(gòu)強度、力學(xué)性能等滿足設(shè)計需求，從而保證輕量化后汽車產(chǎn)品的綜合性能。

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

（4）正確的設(shè)計細節(jié)主要包括汽車產(chǎn)品各零部件的質(zhì)量分配、連接接頭的結(jié)構(gòu)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(shè)計時必須綜合考慮其相對整車或某一零件的質(zhì)量占比，某些為保證結(jié)構(gòu)剛性的接頭等需要按設(shè)計需求予以保留。

3 有限單元法在汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計中的應(yīng)用

隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，市場上出現(xiàn)了各類輕量化設(shè)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(shè)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(shè)計方案。參數(shù)優(yōu)化則是快速集成和耦合相關(guān)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(shè)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(jié)合參數(shù)優(yōu)化的方法搭建輕量化設(shè)計流程。

首先借助于CATIA軟件建立相關(guān)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(jié)果，然后通過計算機輔助優(yōu)化軟件ISIGHT結(jié)合CATIA和ABAQUS軟件進行優(yōu)化，得到優(yōu)化結(jié)果，從而判斷不同零件結(jié)構(gòu)的可靠性，最后再對可靠性較高的優(yōu)化結(jié)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(zhǔn)確的CAD模型，結(jié)合有限元分析軟件ABAQUS對汽車產(chǎn)品在實際工況下的應(yīng)力應(yīng)變情況進行模擬分析，確定該產(chǎn)品是否還有進一步輕量化的空間。若應(yīng)力小于該產(chǎn)品材料的疲勞極限，則說明該產(chǎn)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(shè)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(jié)合實驗結(jié)果進行對比，以驗證有限元分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，為后續(xù)的輕量化設(shè)計做好前期準(zhǔn)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(chǎn)品需要優(yōu)化尺寸的宏文件，同時修改宏文件中目標(biāo)文件的保存路徑為輕量化設(shè)計的工作路徑，在ISIGHT中設(shè)置優(yōu)化尺寸的變量范圍和賦值規(guī)律。

（2）通過Python語句調(diào)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(yīng)力應(yīng)變值，用于計算疲勞壽命，優(yōu)化結(jié)果可靠性分析等；

（3）輸出該尺寸對應(yīng)的輕量化分析結(jié)果，刪除本次循環(huán)產(chǎn)生的中間文件，為下一輪循環(huán)做準(zhǔn)備，如此往復(fù)。

3.3 驗證結(jié)果的準(zhǔn)確性

根據(jù)ISIGHT提供的輕量化結(jié)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(jié)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(jié) 語

綜合常用汽車產(chǎn)品輕量化研究方法，結(jié)合汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計原則，提出采用計算機輔助集成技術(shù)對汽車產(chǎn)品進行輕量化設(shè)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(chǎn)品輕量化設(shè)計等方面對ISIGHT集成CATIA和ABAQUS在汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計過程中的應(yīng)用進行分析與評價。通過對產(chǎn)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(zhì)量、節(jié)省產(chǎn)品耗材、提高產(chǎn)品綜合競爭力的目標(biāo)。突出計算機輔助集成技術(shù)在汽車產(chǎn)品輕量化設(shè)計中的可行性和高效性。