李海三

（同濟(jì)大學(xué) 201804）

0 引言

隨著消費(fèi)者對(duì)新能源電動(dòng)汽車?yán)m(xù)航里程要求的不斷增加，汽車企業(yè)一方面通過增大動(dòng)力電池容量來增加續(xù)航里程，另一方面通過對(duì)汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)來降低整車質(zhì)量，提升續(xù)航里程。在動(dòng)力電池儲(chǔ)能技術(shù)進(jìn)步有限的情況下，汽車輕量化被各大汽車企業(yè)高度重視，甚至要求在項(xiàng)目開發(fā)過程中，同步進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。

汽車輕量化主要有兩大途徑：一是使用輕量化材料及相應(yīng)的制造工藝；二是通過對(duì)車輛結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。在車型開發(fā)過程中，車用輕量化材料的選取及相應(yīng)成形工藝的確定，基本在項(xiàng)目定義初期或方案階段之前開展。一旦材料及成形工藝初步明確，如何實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)將是汽車企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化可用于對(duì)零部件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行全階段詳細(xì)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)。常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有拓?fù)鋬?yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。在實(shí)際項(xiàng)目中，通過結(jié)合使用不同結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，可使零部件達(dá)到用材少、質(zhì)量輕和性能優(yōu)的目的。

1 CAE 結(jié)構(gòu)優(yōu)化在車型開發(fā)不同階段的作用

輕量化設(shè)計(jì)是一個(gè)伴隨整車開發(fā)流程的系統(tǒng)性和連續(xù)性開發(fā)工作。CAE 結(jié)構(gòu)優(yōu)化可從前期項(xiàng)目定義之后，到樣車試生產(chǎn)之前，對(duì)整車或系統(tǒng)進(jìn)行合理的輕量化設(shè)計(jì)，此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作在項(xiàng)目過程中越早開展輕量化作用越大。

1.1 車型開發(fā)概念設(shè)計(jì)階段

在車型項(xiàng)目概念階段，一旦整車基本尺寸如軸距、長(zhǎng)、寬和高確定之后，CAE 便可基于基礎(chǔ)車型數(shù)據(jù)建立Morph 變形塊，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)變形，得到前期概念階段新開發(fā)車型的車身模型，用于前期結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。在項(xiàng)目初期，新開發(fā)車型不可能有具體結(jié)構(gòu)CAD 數(shù)據(jù)。此階段可首先重點(diǎn)對(duì)車型框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化研究，以先主后次的優(yōu)化設(shè)計(jì)理念，確保車型框架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)。

CAE 拓?fù)鋬?yōu)化可從車型尺寸整體空間上識(shí)別出合理的框架路徑，指導(dǎo)工程師在設(shè)計(jì)過程中，將材料分布到最需要加強(qiáng)的路徑位置，提高材料利用率。比如某設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)通過使用不同工程約束控制，對(duì)平臺(tái)化車身架構(gòu)進(jìn)行多工況作用，尋找車身架構(gòu)的最優(yōu)載荷傳遞路徑，為前期平臺(tái)化車身架構(gòu)的概念設(shè)計(jì)提供有力的參考[1]。某汽車品牌設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在車型開發(fā)前期，采用OptiStruct優(yōu)化軟件，基于彎曲扭轉(zhuǎn)剛度、正面碰撞、后面碰撞和側(cè)面碰撞多個(gè)工況，以柔度最小化為目標(biāo)對(duì)白車身進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化研究，分別獲取了各單個(gè)工況及綜合工況下的車身結(jié)構(gòu)傳力路徑，為后期結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供最優(yōu)的車架拓?fù)浼軜?gòu)[2]。

CAE 形狀優(yōu)化或尺寸優(yōu)化可用來對(duì)前期概念車型結(jié)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)優(yōu)化研究，以快速指導(dǎo)車型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)。常用的形狀優(yōu)化方法有：基于SFE CONCEPT 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行隱式參數(shù)化建模；基于morph 變形對(duì)結(jié)構(gòu)建立其包絡(luò)變形體實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，以及對(duì)詳細(xì)結(jié)構(gòu)模型建立其1D 梁?jiǎn)卧?jiǎn)化模型等，開展零件形狀和尺寸大小參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)。某設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)借助DEP Morpher 軟件，通過在車型有限元模型中對(duì)軸距和輪距加長(zhǎng)與加寬以及造型面貼合等一系列網(wǎng)格變形、靈敏度分析和多目標(biāo)優(yōu)化[3]，在車身開發(fā)早期對(duì)白車身的截面尺寸以及板厚進(jìn)行了研究，實(shí)現(xiàn)了概念階段的輕量化效果。2012年，某設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在車身開發(fā)早期階段，借助SFE CONCEPT 軟件建立隱式白車身參數(shù)化模型[4]，通過多學(xué)科優(yōu)化，找到白車身零件形狀、尺寸、位置與厚度等參數(shù)之間最優(yōu)匹配組合，并滿足系統(tǒng)各項(xiàng)性能要求，實(shí)現(xiàn)白車身減重12.00 kg。

傳統(tǒng)CAE 分析通常在車型詳細(xì)結(jié)構(gòu)CAD 數(shù)據(jù)確定之后進(jìn)行，更側(cè)重性能驗(yàn)證與設(shè)計(jì)改進(jìn)。通過在車型概念階段引入CAE 結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)構(gòu)可變更的空間會(huì)更大，難度相對(duì)較小。傳統(tǒng)CAE 分析模式在項(xiàng)目前期輕量化參與度較低，在項(xiàng)目后期因輕量化可改動(dòng)的空間大大減少，導(dǎo)致責(zé)任和難度增大。改進(jìn)后的CAE 模式在項(xiàng)目前期參與度較高，盡早實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，可大大減少車型后期輕量化減重難度。

1.2 車型開發(fā)詳細(xì)設(shè)計(jì)階段

傳統(tǒng)開發(fā)模式下，通常優(yōu)先確保車型結(jié)構(gòu)性能滿足目標(biāo)要求，輕量化工作會(huì)相對(duì)滯后開展。項(xiàng)目組或設(shè)計(jì)部門根據(jù)造型數(shù)據(jù)輸入后，開始進(jìn)行主斷面和車型詳細(xì)數(shù)據(jù)設(shè)計(jì)，主要是以參考競(jìng)品車或者標(biāo)桿車的方式去設(shè)計(jì)。之后CAE 部門開始對(duì)詳細(xì)數(shù)據(jù)進(jìn)行建模分析及改進(jìn)優(yōu)化，在車輛結(jié)構(gòu)主要性能達(dá)標(biāo)后，開始輕量化工作。傳統(tǒng)開發(fā)模式下，由于沒有進(jìn)行先期結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，結(jié)構(gòu)布置和空間尺寸等限制較大，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)可變動(dòng)的空間有限，輕量化難度相對(duì)加大。

在車型輕量化開發(fā)模式下，由于前期概念階段進(jìn)行了大量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，此階段車型路徑結(jié)構(gòu)即達(dá)到相對(duì)最優(yōu)狀態(tài)，不存在明顯設(shè)計(jì)不合理現(xiàn)象，在整車基本關(guān)鍵性能達(dá)標(biāo)前期下，輕量化工作可快速開展，工程師在相對(duì)充裕的時(shí)間內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大幅度減重。此階段可重點(diǎn)通過CAE 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等方法，對(duì)車型詳細(xì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。某汽車品牌設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)利用 SFE Concept 軟件建立某轎車白車身的參數(shù)化模型，結(jié)合相對(duì)靈敏度分析確定白車身非安全件為設(shè)計(jì)變量，最終通過最優(yōu)拉丁超立方方法、徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和第二代非劣排序遺傳算法，對(duì)白車身進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)。在白車身靜態(tài)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)固有頻率及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率，在正碰安全性能基本不變的情況下，實(shí)現(xiàn)白車身減重24.17 kg[5]。

在車型開發(fā)詳細(xì)階段，通常車型結(jié)構(gòu)基本不會(huì)進(jìn)行大的改變，例如對(duì)車身傳力路徑上的結(jié)構(gòu)組成進(jìn)行變更。此階段，可通過CAE 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等具體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)整車進(jìn)行全局輕量化減重，達(dá)到零件結(jié)構(gòu)形狀、厚度和性能最優(yōu)匹配，避免傳統(tǒng)依靠人為主觀經(jīng)驗(yàn)設(shè)定輕量化方案法所產(chǎn)生的盲目與矛盾。

1.3 車型開發(fā)樣車測(cè)試階段

車型開發(fā)過程中，整車性能目前還無法達(dá)到只通過CAE 仿真即可確保滿足目標(biāo)要求。通過對(duì)樣車進(jìn)行物理試驗(yàn)，可真實(shí)反映車輛結(jié)構(gòu)中具體存在的問題，進(jìn)而指導(dǎo)CAE 更準(zhǔn)確地對(duì)車輛進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

通常在此階段，針對(duì)暴露出的結(jié)構(gòu)問題，設(shè)計(jì)工程師及仿真工程師將結(jié)合具體問題對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行一定的改進(jìn)，例如增加結(jié)構(gòu)小件、增加連接或加大零件尺寸等，其中多數(shù)情況下，改進(jìn)方案會(huì)帶來系統(tǒng)質(zhì)量或成本的增加。在此情況下，通過借助CAE形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化以及形貌優(yōu)化等結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，可最大程度實(shí)現(xiàn)方案在滿足性能的基礎(chǔ)上，達(dá)到質(zhì)量和成本最小化。某汽車品牌設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)某款SUV 車型工裝樣車，在試驗(yàn)場(chǎng)可靠性道路試驗(yàn)中出現(xiàn)的擺臂結(jié)構(gòu)開裂問題，應(yīng)用HyperMorph 和HyperStudy 優(yōu)化模塊，對(duì)初步改進(jìn)后的幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行智能優(yōu)化，找到最佳的結(jié)構(gòu)幾何尺寸，快速有效地解決工程驗(yàn)證中出現(xiàn)的實(shí)際問題，降低了后期問題整改的驗(yàn)證成本和周期[6]。某汽車品牌設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)針對(duì)某型號(hào)汽車發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋耐久開裂問題，建立了發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋耐久的有限元模型，對(duì)開裂問題進(jìn)行了焊點(diǎn)數(shù)量與位置優(yōu)化分析，最終實(shí)車通過強(qiáng)度耐久試驗(yàn)，滿足設(shè)計(jì)要求[7]。

2 結(jié)束語

汽車設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，考慮到車型平臺(tái)定義等因素，零件選材及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝在項(xiàng)目初期通常已基本確定，尤其是車身結(jié)構(gòu)件。因此，在車型項(xiàng)目輕量化設(shè)計(jì)過程中，CAE 結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到重要作用。在當(dāng)前汽車平臺(tái)化和模塊化開發(fā)趨勢(shì)下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化也是最終決定汽車輕量化水平的唯一途徑。