陳文斐

基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的汽車輕量化方法探索

陳文斐

（陜西汽車控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，陜西 西安 710200）

文章以CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)的應(yīng)用為基礎(chǔ)，對汽車輕量化設(shè)計(jì)、分析方法進(jìn)行客觀的闡述和理性的分析，研究得出較為合理有效的技術(shù)方法、工作流程。為了輕量化工作的開展更具科學(xué)性、合理性，創(chuàng)新提出一種輕量化目標(biāo)可行性評估方法，配合設(shè)計(jì)流程改進(jìn)，在新車型開發(fā)的重量指標(biāo)控制、成熟車型的輕量化改進(jìn)工作中具有一定應(yīng)用價(jià)值。

輕量化；結(jié)構(gòu)優(yōu)化；方法流程

前言

輕量化對于汽車產(chǎn)品的作用和重要性不言而喻，其實(shí)現(xiàn)的主要途徑為結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料和先進(jìn)制造工藝等技術(shù)的運(yùn)用，在同等條件下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)輕量化最快捷、最經(jīng)濟(jì)的手段。本文主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化本質(zhì)意義出發(fā)，結(jié)合汽車產(chǎn)品開發(fā)的特點(diǎn)，思考目前存在的問題和不足，分析問題產(chǎn)生的原因，并積極探索在正向產(chǎn)品研發(fā)活動中，如何使產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化得以發(fā)展，為企業(yè)的生產(chǎn)經(jīng)營創(chuàng)造更大的價(jià)值的路徑。力求通過客觀的闡述和理性的分析，研究得出對汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析與設(shè)計(jì)較為合理和有效的技術(shù)方法、工作流程。同時(shí)，結(jié)合實(shí)際產(chǎn)品研發(fā)工作的開展，加以應(yīng)用、驗(yàn)證和改進(jìn)，使研究成果更加具有應(yīng)用價(jià)值。

1 汽車輕量化的背景

1.1 節(jié)能減排的發(fā)展主旋律

回顧汽年輕量化的發(fā)展歷史，導(dǎo)致汽午輕量化技術(shù)發(fā)展的最初動力來自上世紀(jì)70年代爆發(fā)的全球石油危機(jī)，世界鋁業(yè)協(xié)會的報(bào)告明確指出重量和燃油消耗的關(guān)系，如圖1所示。當(dāng)前，能源和環(huán)境問題更為嚴(yán)峻，而汽車的作用備受矚目，解決燃油經(jīng)濟(jì)性和排放問題主要采用以下三種方式：一是大力發(fā)展新能源汽車，減少對石油資源的依賴；二是大力發(fā)展先進(jìn)發(fā)動機(jī)技術(shù)；三是大力發(fā)展汽車輕量化技術(shù)，節(jié)能減排。

圖1 汽車質(zhì)量和定速燃油消耗的關(guān)系

1.2 法規(guī)政策的驅(qū)動與用戶市場的需求

自“十一五”以來各項(xiàng)利于車輛輕量化發(fā)展政策陸續(xù)出臺，如治理超載、實(shí)施計(jì)重收費(fèi)、燃油附加稅改革、《公路安全保護(hù)條例》等，成為推動車輛輕量化發(fā)展的有力推手。

現(xiàn)階段，國家戰(zhàn)略與法規(guī)提出更高要求：2018年1月1日起，國五排放標(biāo)準(zhǔn)在全國范圍全面實(shí)施；四階段油耗法規(guī)對商用車油耗提出更嚴(yán)苛要求；GB1589-2016《汽車、掛車及汽車列車外廓尺寸、軸荷及質(zhì)量限值》最新國標(biāo)實(shí)施，都是汽車輕量化強(qiáng)有力的外部驅(qū)動力。

同時(shí)，用戶希望汽車有更高的載質(zhì)量利用系數(shù)，從而獲得更多運(yùn)營收益，這便是用戶市場對汽車輕量化需求的內(nèi)在因素。

2 輕量化技術(shù)

2.1 汽車輕量化技術(shù)

汽車產(chǎn)品輕量化實(shí)現(xiàn)的主要途徑有結(jié)構(gòu)優(yōu)化、輕量化材料和先進(jìn)制造工藝，如圖2所示。在同等制造流程，不增加額外投入狀態(tài)下，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是實(shí)現(xiàn)輕量化最有效手段，本文將主要講述結(jié)構(gòu)優(yōu)化相關(guān)方法和流程。

圖2 汽車輕量化技術(shù)方法分類

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化基本方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化包含三要素，即設(shè)計(jì)變量、約束條件和目標(biāo)函數(shù)。設(shè)計(jì)變量是可以進(jìn)行調(diào)整的設(shè)計(jì)參數(shù)，通過其改變影響產(chǎn)品相關(guān)性能變化；約束條件是對設(shè)計(jì)變量的限制，體現(xiàn)了對設(shè)計(jì)變量范圍和性能指標(biāo)等要求；目標(biāo)函數(shù)是對設(shè)計(jì)性能最優(yōu)的要求，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。優(yōu)化數(shù)學(xué)模型可表達(dá)為：

極限化：()=f（1，2，…，x）

約束：()≤0=1，…，

h()≤0=1，…，m

其中，=（1，2，…，x）是設(shè)計(jì)變量，如產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)尺寸、形狀等；()是設(shè)計(jì)目標(biāo)，如各力學(xué)性能、重量等；()和h()是在求解中需要滿足的約束條件，是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的響應(yīng)，如對結(jié)構(gòu)變形、應(yīng)力約束等。

通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠確定最優(yōu)的結(jié)構(gòu)形式，合理發(fā)揮材料性能，除去零部件的冗余，從而減輕構(gòu)件重量。同時(shí)，產(chǎn)品設(shè)計(jì)中也可應(yīng)用模塊化、集成化理念，盡量減少零件數(shù)量，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品輕量化。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化應(yīng)以產(chǎn)品功能、性能驅(qū)動，確定目標(biāo)，找出優(yōu)化方向，識別設(shè)計(jì)變量、約束條件和優(yōu)化目標(biāo)，通過優(yōu)化分析和設(shè)計(jì)獲得最佳方案。結(jié)構(gòu)優(yōu)化在產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段已廣泛應(yīng)用，基本步驟如下：

（1）建立仿真模型，模擬產(chǎn)品使用工況；

（2）定義優(yōu)化問題（選取設(shè)計(jì)變量，建立目標(biāo)函數(shù)，確定約束條件）；

（3）優(yōu)化計(jì)算，求解目標(biāo)函數(shù)，得到可行方案；

（4）結(jié)合工程應(yīng)用要求綜合分析，確定最優(yōu)的新方案，進(jìn)行細(xì)化設(shè)計(jì)；

（5）對新方案進(jìn)行分析驗(yàn)證，確保滿足相應(yīng)性能要求。

3 輕量化可行性分析及實(shí)施

輕量化是系統(tǒng)性工作，要實(shí)現(xiàn)輕量化，需要從產(chǎn)品開發(fā)策劃階段就開始著手，確定合理的整車重量目標(biāo)，并按系統(tǒng)、總成逐級分解重量指標(biāo)，直至零件級。在產(chǎn)品開發(fā)過程中，方案設(shè)計(jì)嚴(yán)格按重量指標(biāo)進(jìn)行控制，產(chǎn)品試驗(yàn)還應(yīng)著重考慮輕量化零件的驗(yàn)證。具體可分為三個(gè)階段的工作：

（1）前期產(chǎn)品開發(fā)策劃階段以整車視角統(tǒng)籌輕量化工作，進(jìn)行目標(biāo)確定。

（2）設(shè)計(jì)階段進(jìn)行合理的輕量化可行性評估，完成指標(biāo)分解，建立整車重量規(guī)劃表，指引輕量化設(shè)計(jì)、分析。

（3）試制試驗(yàn)階段重點(diǎn)關(guān)注輕量化設(shè)計(jì)的零部件的可靠性驗(yàn)證。積累輕量化數(shù)據(jù)和經(jīng)驗(yàn)，改進(jìn)優(yōu)化，循環(huán)提升。

3.1 輕量化目標(biāo)可行性評估

輕量化目標(biāo)的確定是開展工作的基礎(chǔ)，目前并沒有系統(tǒng)性的理論、標(biāo)準(zhǔn)能夠?qū)δ繕?biāo)確定給出準(zhǔn)確的指導(dǎo)。通常情況下，輕量化目標(biāo)可以采用對標(biāo)分析法進(jìn)行確定，但在結(jié)構(gòu)差異較大時(shí)，對比參照就會出現(xiàn)不適應(yīng)性。為了解決上述問題，本文借鑒FMEA理論提出一種輕量化可行性評估方法，支持輕量化目標(biāo)確定及指標(biāo)分解工作。本方法定義了輕量化空間R（Room）、失效嚴(yán)重度S（Serious）、實(shí)現(xiàn)難度D（Difficulty）三個(gè)維度，采用優(yōu)先排序法對目標(biāo)進(jìn)行可行性評價(jià)，具體內(nèi)容如下：

（1）輕量化空間（R）：表示零部件可降重空間大小的數(shù)值，采用降重百分比額度對應(yīng)表示1～10個(gè)級別，降重越大級別越高。

表1 輕量化空間因子表（R）

（2）失效嚴(yán)重度（S）：表示與所給失效模式的最嚴(yán)重后果的等級值。分1～10級別表示，后果越輕微級別越高，嚴(yán)重度4級以下應(yīng)謹(jǐn)慎考慮。

表2 失效嚴(yán)重度因子表（S）

表3 實(shí)現(xiàn)難度因子表（D）

（3）實(shí)現(xiàn)難度（C）：表示輕量化實(shí)現(xiàn)難易程度的值，分1～10級別表示，難度越小級別越高，需綜合考慮分析設(shè)計(jì)、制造、驗(yàn)證、成本等因素。

采用優(yōu)先排序的方法進(jìn)行評價(jià)，輕量化可行性評估（Light weight Feasibility Assessment）關(guān)系式定義為：

LFA= R×S×D （1）

由上式可得，LFA評估值將出現(xiàn)在1～1000區(qū)間內(nèi)，通過設(shè)定基準(zhǔn)值進(jìn)行可行性評估，即LFA計(jì)算值大于基準(zhǔn)值的表示具備輕量化可行性，數(shù)值越高代表可行性越高，與目標(biāo)符合性越好，小于基準(zhǔn)值的表示暫無輕量化可行性。通常LFA基準(zhǔn)值范圍應(yīng)在80～120，建議為100，不同企業(yè)可根據(jù)產(chǎn)品數(shù)據(jù)及設(shè)計(jì)目標(biāo)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整。例如A、B兩個(gè)輕量化指標(biāo)項(xiàng)，設(shè)定LFA基準(zhǔn)值為100，則可行性評估如表4：

表4 輕量化可行性評估表

項(xiàng)目A的輕量化可行性評估LFA值80＜100，不必采取措施；項(xiàng)目B的輕量化可行性評估LFA值140＞100，建議采取相應(yīng)輕量化措施。

3.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)路線

通常輕量化設(shè)計(jì)可從結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化材料相結(jié)合的思路著手，收效更高。根據(jù)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，建議主要采取技術(shù)路線如表5：

表5 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)路線表

4 設(shè)計(jì)流程改進(jìn)

結(jié)構(gòu)優(yōu)化貫穿于產(chǎn)品研發(fā)全過程，重點(diǎn)在方案設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段，本文根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)工作要求對常規(guī)CAE分析驗(yàn)證流程進(jìn)一步改進(jìn)，如圖4。新的改進(jìn)提高了流程應(yīng)用價(jià)值，對產(chǎn)品研發(fā)中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作具有普遍參考價(jià)值。

流程圖說明：此流程作為一個(gè)環(huán)節(jié)融入產(chǎn)品設(shè)計(jì)階段的CAE分析流程之中，介于“計(jì)算結(jié)果”與“CAE分析結(jié)果輸出”之間，其重點(diǎn)內(nèi)容包括：

（1）是否需優(yōu)化：由CAE工程師根據(jù)仿真計(jì)算結(jié)果與評價(jià)指標(biāo)要求進(jìn)行分析，并與設(shè)計(jì)工程師討論確定優(yōu)化目標(biāo)。

（2）是否有明確的優(yōu)化目標(biāo)：應(yīng)由設(shè)計(jì)工程師結(jié)合設(shè)計(jì)目標(biāo)、對標(biāo)數(shù)據(jù)或經(jīng)驗(yàn)，綜合分析確定。優(yōu)化目標(biāo)及相應(yīng)參數(shù)若能夠明確，則進(jìn)行優(yōu)化分析；若暫不明確，則可采用上述輕量化可行性評估，確定相應(yīng)信息。

圖4 汽車產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作流程圖

（3）重構(gòu)設(shè)計(jì)、驗(yàn)證分析：優(yōu)化分析完成后，需對零件進(jìn)行重構(gòu)設(shè)計(jì)，并進(jìn)行CAE驗(yàn)證分析，直至方案驗(yàn)證合格。

5 結(jié)語

基于CAE技術(shù)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，首先在航空工業(yè)中得到重視和應(yīng)用，后又逐漸推廣到建筑、機(jī)械制造等領(lǐng)域。實(shí)踐工作證明，基于CAE技術(shù)的產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化能夠?qū)p量化目標(biāo)實(shí)現(xiàn)、產(chǎn)品經(jīng)濟(jì)效益提升發(fā)揮積極的推動作用。

本文提出一種輕量化目標(biāo)可行性評估方法，配合設(shè)計(jì)流程改進(jìn)，在新車型開發(fā)的重量指標(biāo)控制、成熟車型的輕量化改進(jìn)工作中具有一定應(yīng)用價(jià)值。輕量化工作還需進(jìn)一步深入，后續(xù)努力的方向是基于多學(xué)科融合，增加結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)研究深度、擴(kuò)大應(yīng)用范圍，從而提升汽車輕量化設(shè)計(jì)能力。

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Exploration of Automobile Lightweight Method Based on Structural Optimization

Chen Wenfei

（Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Technology Center, Shaanxi Xi'an 710200）

Based on the application of CAE structure optimization technology, this paper objectively expounds and rationally analyses the lightweight design and analysis methods of automobiles, and obtains more reasonable and effective technical methods and work flow. In order to carryout lightweight work more scientifically and rationally,a feasible evaluation method of lightweight objective is proposed.With the improvement of design process,it has certain application value in the weight index control of new vehicle development and the lightweight improvement of mature vehicle types.

Lightweight; Structural optimization; Method Flow

U465

A

1671-7988(2019)24-135-04

U465

A

1671-7988(2019)24-135-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.044

陳文斐，就職于陜西汽車控股集團(tuán)有限公司技術(shù)中心，主要方向：汽車結(jié)構(gòu)仿真與優(yōu)化。