黎澤永

（柳州五菱汽車工業(yè)有限公司，廣西 柳州545007）

1 汽車輕量化技術(shù)概述

汽車輕量化概念的提出，是適應(yīng)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展趨勢(shì)。目前，汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著油耗、環(huán)保和安全三個(gè)問(wèn)題，采用汽車輕量化技術(shù)，是出于節(jié)能減排和推進(jìn)環(huán)保工作的目的，汽車朝著輕量化的方向發(fā)展，是汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展的大趨勢(shì)。

汽車輕量化技術(shù)，是通過(guò)現(xiàn)代設(shè)計(jì)手段，在滿足汽車使用要求、保證汽車行駛安全和能夠控制成本的前提下，通過(guò)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)、對(duì)材料的對(duì)比選擇和制造技術(shù)的結(jié)合，以此降低汽車自身的重量，從而改善汽車的動(dòng)力性、舒適性和良好的操縱性，減少排放污染，降低能源消耗、滿足可靠性及安全性等綜合指標(biāo)。

2 汽車輕量化的意義

汽車在行駛過(guò)程中必須克服多種阻力，包括滾動(dòng)阻力、空氣阻力、上坡阻力和加速阻力：

從圖1的公式中可以看出，只有空氣阻力與質(zhì)量無(wú)關(guān)，其余阻力都與質(zhì)量成正比，汽車質(zhì)量越大，行駛阻力越大，發(fā)動(dòng)機(jī)動(dòng)力性就得不到最大程度的有效利用。因此，減小汽車質(zhì)量，從而減小行駛阻力，提高燃油經(jīng)濟(jì)性，是節(jié)能減排的有效措施之一。

圖1 汽車自身質(zhì)量對(duì)燃油消耗的影響

在駕駛方面，汽車輕量化后，加速性和最大車速提高，車輛穩(wěn)定性和操縱性能都有改善，噪音和振動(dòng)方面均有降低。從碰撞安全性考慮，碰撞時(shí)慣性減小，制動(dòng)距離縮短。當(dāng)發(fā)生碰撞時(shí)，碰撞時(shí)產(chǎn)生的能量也小，降低了對(duì)汽車的損害，更加安全。

3 汽車輕量化的原則

汽車一般由車身、底盤、發(fā)動(dòng)機(jī)和電器設(shè)備四個(gè)部分組成，這四個(gè)部分來(lái)自各配套廠的成千上萬(wàn)個(gè)零部件裝配而成。所以，汽車的輕量化，實(shí)質(zhì)上是汽車零部件的輕量化。從表1可看出，汽車的質(zhì)量主要分布在車身、底盤及發(fā)動(dòng)機(jī)三大部分，在進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)時(shí)，原則上從零部件的輕量化入手，最后達(dá)到整車的輕量化效果。因此，零部件是汽車輕量化的主要目標(biāo)。

表1 汽車自身重量的主要構(gòu)成比例

4 汽車零部件輕量化的主要途徑

現(xiàn)階段實(shí)現(xiàn)汽車輕量化可以從以下幾個(gè)方面開(kāi)展：

4.1 采用輕型材料

輕量化材料的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用是汽車輕量化技術(shù)一個(gè)主要研究方向。在替代材料方面，用先進(jìn)高強(qiáng)度鋼和鋁、鎂合金代替普通鋼來(lái)制造汽車主要承載構(gòu)件。還有塑料及復(fù)合材料，則在非結(jié)構(gòu)件替換上起到重要作用，極大地降低了汽車的重量。

4.1.1 鎂、鋁合金材料

鎂、鋁合金材料是常用的低密度合金材料，其中鋁的密度大約是鋼鐵的三分之一[1]，鋁合金的導(dǎo)熱率、吸收碰撞性、耐腐蝕性、加工性能均優(yōu)于鋼材，強(qiáng)度比接近或超過(guò)優(yōu)質(zhì)鋼，完全可以滿足輕量化要求。目前使用的鋁合金主要是鑄鋁、鍛鋁、鋁板材和鋁型材，汽車用鋁合金中，鑄鋁占主要部分，鍛鋁具有更好的力學(xué)性能，在汽車上也有應(yīng)用。鎂的密度大約是鋁的三分之二，鋼的四分之一，鎂合金在散熱、吸震以及壓鑄等性能方面均優(yōu)于鋁合金，是代替鋼材的輕量化材料。

4.1.2 高強(qiáng)度鋼

鋼鐵材料是汽車制造中使用最廣泛的材料，高強(qiáng)度鋼是汽車輕量化使用最多的材料。高強(qiáng)度鋼按強(qiáng)化機(jī)理分，主要有固溶強(qiáng)化、析出強(qiáng)化、組織強(qiáng)化、烘烤硬化及細(xì)晶強(qiáng)化[2]。按強(qiáng)度分，有高強(qiáng)度鋼和超高強(qiáng)度鋼。按冶金學(xué)特征分，可分為普通高強(qiáng)鋼和先進(jìn)高強(qiáng)鋼。先進(jìn)高強(qiáng)鋼是通過(guò)相變來(lái)達(dá)到高強(qiáng)度的，與深拉鋼和傳統(tǒng)低合金高強(qiáng)度鋼相比。先進(jìn)高強(qiáng)鋼具有更大的屈服強(qiáng)度，在抗碰撞性能、耐蝕性能、抗疲勞性能和成本方面，先進(jìn)高強(qiáng)鋼較其他材料仍具有較大的優(yōu)勢(shì)，具有較高的減重潛力，在汽車輕量化和提高安全性方面都起著非常重要的作用。

4.1.3 塑料和復(fù)合材料

在汽車制造業(yè)中，塑料是使用最多的非金屬材料。其種類可分為：高分子塑料、復(fù)合塑料、塑料合金以及納米塑料和生物塑料等。聚丙烯、丙烯腈－丁二烯－苯乙烯塑料具有密度小、良好的力學(xué)性能和加工性能且成本低的優(yōu)點(diǎn)。主要應(yīng)用在汽車的內(nèi)飾、儀表板、保險(xiǎn)杠、輪罩等部件[2]。

4.2 采用先進(jìn)的制造工藝

在大量采用輕量化材料來(lái)實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的同時(shí)，與之相匹配制造工藝也得到了廣泛應(yīng)用，如用于高強(qiáng)度鋼板沖壓件的熱沖壓成形工藝。如激光拼焊，可以將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等進(jìn)行自動(dòng)拼焊而形成一塊整體板材、型材等，以滿足零部件對(duì)材料性能的不同要求，用最輕的重量、最優(yōu)結(jié)構(gòu)和最佳性能實(shí)現(xiàn)汽車輕量化。又如用于高強(qiáng)度鋼板沖壓件的熱沖壓成形工藝等，是汽車輕量化技術(shù)的重要工藝技術(shù)。

4.2.1 激光焊接

激光焊接生產(chǎn)線已大規(guī)模出現(xiàn)在汽車制造業(yè)，成為汽車制造業(yè)突出的成就之一。與傳統(tǒng)焊接相比，激光焊接具有速度快、效率高、焊縫深寬比大、熱輸入小、熱影響區(qū)小、焊接變形小等優(yōu)點(diǎn)[2]。從汽車零部件生產(chǎn)到車身制造，激光焊接已經(jīng)成為汽車制造生產(chǎn)中的主要焊接方法。激光焊接在汽車制造中的主要應(yīng)用是板材的激光拼焊，也就是將不同厚度、不同材質(zhì)、不同強(qiáng)度、不同沖壓性能和不同表面處理狀況的板坯拼焊在一起[2]，從而達(dá)到最合理地使用不同級(jí)別、厚度和性能的鋼板，減輕汽車質(zhì)量。當(dāng)激光拼焊技術(shù)應(yīng)用于車身側(cè)圍的制造，不再需要任何加強(qiáng)桿、加強(qiáng)筋及附屬的生產(chǎn)工藝，則質(zhì)量和零部件數(shù)量都會(huì)減少。此外，激光拼焊板在車門上的應(yīng)用還使鉸接區(qū)域的剛性得到整體加強(qiáng)，使車門的質(zhì)量降低。激光焊接在汽車制造中的另一個(gè)重要應(yīng)用是車身框架的激光焊接。激光焊接是連續(xù)連接，比傳統(tǒng)點(diǎn)焊的間斷連接能更好地傳遞載荷，從而提高了車身的剛度和強(qiáng)度，使車身沖壓件的搭接邊寬度減少，減輕了車身重量。

4.2.2 液壓成形

與傳統(tǒng)的成形工藝相比，液壓成形件的強(qiáng)度與剛度都有提高，成形件的回彈性小，成形精度高、表面質(zhì)量好，可節(jié)約材料、減少配套模具數(shù)量、降低制造成本。液壓成形作為汽車輕量化技術(shù)，主要應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)件、支架、框架類零件等。

4.2.3 高強(qiáng)度鋼熱成形

高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)專門用于高強(qiáng)度鋼鋼板沖壓成形的先進(jìn)制造技術(shù)，與傳統(tǒng)的冷成形加工工藝相比，熱成形工藝的特點(diǎn)是加工板料上存在一個(gè)不斷變化的溫度場(chǎng)。在溫度場(chǎng)的作用下，板材的基體組織和力學(xué)性能發(fā)生變化，導(dǎo)致板材的應(yīng)力場(chǎng)發(fā)生變化，同時(shí)材料的應(yīng)力場(chǎng)又反作用于溫度場(chǎng)，所以熱成形工藝就是板料內(nèi)部溫度場(chǎng)與應(yīng)力場(chǎng)共存且相互作用，相互耦合的變化過(guò)程。高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)是集落料、加熱、防氧化、沖壓、淬火冷卻、切形和噴丸處理等為一體的綜合制造系統(tǒng)，是體現(xiàn)機(jī)械加工、電控和材料化工緊密交叉的前沿高新技術(shù)。高強(qiáng)度鋼熱成形技術(shù)是實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的重要技術(shù)途徑。

4.3 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

由于輕量化理論和設(shè)計(jì)及分析軟件的不斷出現(xiàn)，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)成為汽車輕量化的主要措施。從汽車結(jié)構(gòu)上運(yùn)用先進(jìn)的設(shè)計(jì)理念，合理的減小零件的厚度、去除冗余材料、改變零部件結(jié)構(gòu)，從設(shè)計(jì)上實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法主要包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。

4.3.1 尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)

尺寸優(yōu)化是最簡(jiǎn)單直接的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，也叫參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)技術(shù)。它是通過(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)單元的尺寸進(jìn)行修改，從而達(dá)到結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的。尺寸優(yōu)化主要針對(duì)的是零件的截面和厚度等尺寸，一般以板殼的厚度，如沖壓件的壁厚，梁的截面尺寸、橫截面積，減重孔的尺寸等參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以滿足不同工況下的剛度、強(qiáng)度、振動(dòng)、吸能等為約束條件。

4.3.2 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)

形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)是通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的邊界或內(nèi)部形狀來(lái)改善特征的優(yōu)化方法。將參數(shù)化設(shè)計(jì)技術(shù)應(yīng)用到形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)，調(diào)整結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)域內(nèi)的整體或者局部外形以達(dá)到最理想的幾何形狀，同時(shí)減小應(yīng)力集中，使得結(jié)構(gòu)受力更加均勻，從而更加充分地利用材料，有效地減輕結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。在汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化中，通過(guò)優(yōu)化主要梁截面的截面屬性，使部件薄壁化、中空化、小型化以及對(duì)零部件結(jié)構(gòu)的外形零部件空洞的形狀、凸臺(tái)倒角形狀等方面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，繼而實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化。

4.3.3 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)

拓?fù)鋬?yōu)化以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，事先指定設(shè)計(jì)空間的材料分布，給定位移、應(yīng)力、和目標(biāo)函數(shù)，在設(shè)計(jì)空間內(nèi)尋求結(jié)構(gòu)中的構(gòu)件布局及節(jié)點(diǎn)連接方式。通過(guò)優(yōu)化算法自動(dòng)給出最佳傳力路徑，保證外載荷傳遞到結(jié)構(gòu)的支撐位置以及其他位置的性能最優(yōu)，從而節(jié)省最多的材料[2]。

5 CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

CAE技術(shù)是計(jì)算機(jī)技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合所形成的一門新興技術(shù)，它的理論基礎(chǔ)是有限元法和數(shù)值分析方法。有限元法的基本思想是將數(shù)值連續(xù)的求解區(qū)域離散為一組按一定方式相互連結(jié)在一起有限個(gè)單元的組合體，可以模擬幾何形狀復(fù)雜的求解域。數(shù)值分析方法是適合在計(jì)算機(jī)上使用的切實(shí)可行、理論可靠、計(jì)算具有復(fù)雜性的數(shù)值計(jì)算方法。

5.1 CAE技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)

5.1.1 與CAD軟件的無(wú)縫集成

當(dāng)今有限元分析軟件的發(fā)展趨勢(shì)是與通用CAD軟件的集成使用，即是在用CAD軟件完成零部件的造型設(shè)計(jì)后，直接將模型傳送到CAE軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分并進(jìn)行分析計(jì)算，如果分析的結(jié)果不滿足設(shè)計(jì)要求，需重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和分析，直到滿意為止，從而極大地提高了設(shè)計(jì)效率和設(shè)計(jì)水平。

5.1.2 更為強(qiáng)大的網(wǎng)格處理能力

有限元法求解問(wèn)題的基本過(guò)程主要包括：分析對(duì)象的離散化、有限元求解、計(jì)算結(jié)果的后處理三部分。由于結(jié)構(gòu)離散后的網(wǎng)格質(zhì)量直接影響到求解時(shí)間及求解結(jié)果的正確性，近年來(lái)各軟件開(kāi)發(fā)商都加大了在網(wǎng)格處理方面的投入，使網(wǎng)格生成的質(zhì)量和效率都有了很大的提高。

5.1.3 由求解線性問(wèn)題發(fā)展到求解非線性問(wèn)題

隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，線性理論已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足設(shè)計(jì)的要求，許多工程問(wèn)題如材料的破壞與失效、裂紋擴(kuò)展等僅靠線性理論根本不能解決問(wèn)題，必須進(jìn)行非線性分析求解。為此，國(guó)外一些公司花費(fèi)了大量的人力和物力開(kāi)發(fā)非線性求解分析軟件，如ADINA、ABAQUS等。它們的共同特點(diǎn)是具有高效的非線性求解器、豐富而實(shí)用的非線性材料庫(kù)，ADINA還同時(shí)具有隱式和顯式兩種時(shí)間積分方法。

5.1.4 由單一結(jié)構(gòu)場(chǎng)求解發(fā)展到耦合場(chǎng)問(wèn)題的求解

當(dāng)前用于求解結(jié)構(gòu)線性問(wèn)題的有限元方法和軟件都比較成熟，發(fā)展方向是結(jié)構(gòu)非線性、流體動(dòng)力學(xué)和耦合場(chǎng)問(wèn)題的求解。隨著有限元的應(yīng)用越來(lái)越廣泛深入，人們關(guān)注的問(wèn)題越來(lái)越復(fù)雜，耦合場(chǎng)的求解必定成為CAE軟件的發(fā)展方向。

5.1.5 程序面向用戶的開(kāi)放性

隨著商業(yè)化程度的不斷提高，各軟件開(kāi)發(fā)商為了擴(kuò)大自己的市場(chǎng)份額，滿足用戶的實(shí)際需求，在軟件的開(kāi)放性方面，允許用戶根據(jù)自己的實(shí)際情況對(duì)軟件進(jìn)行擴(kuò)充，包括用戶自定義單元特性、用戶自定義材料本構(gòu)（結(jié)構(gòu)本構(gòu)、熱本構(gòu)、流體本構(gòu)）、用戶自定義流場(chǎng)邊界條件、用戶自定義結(jié)構(gòu)斷裂判據(jù)和裂紋擴(kuò)展規(guī)律等等。

5.2 CAE技術(shù)在汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)中的實(shí)施方法

在現(xiàn)代汽車設(shè)計(jì)中，CAE技術(shù)得到了廣泛的應(yīng)用，涵蓋了汽車結(jié)構(gòu)的各個(gè)總成件。運(yùn)用CAE技術(shù)可以實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)。利用CAE技術(shù)，結(jié)合有限元法與結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，對(duì)汽車零部件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是實(shí)現(xiàn)汽車零部件輕量化的一個(gè)重要研究方向。

輕量化的手段之一就是對(duì)汽車總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析和優(yōu)化，通過(guò)計(jì)算機(jī)有限元仿真等技術(shù)，在保證汽車性能的前提下，實(shí)現(xiàn)對(duì)汽車零部件的精簡(jiǎn)、整體化和輕質(zhì)化。利用CAE優(yōu)化技術(shù)可以快速提供實(shí)際問(wèn)題的解決方案。

利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般步驟：

（1）建立目標(biāo)函數(shù)。目標(biāo)函數(shù)是用設(shè)計(jì)變量來(lái)表示的所追求的目標(biāo)形式，是評(píng)價(jià)設(shè)計(jì)方案優(yōu)劣程度的依據(jù)，建立目標(biāo)函數(shù)的過(guò)程就是尋找設(shè)計(jì)變量與目標(biāo)的關(guān)系的過(guò)程，因此建立一個(gè)適當(dāng)?shù)哪繕?biāo)函數(shù)是輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中最為重要的前提之一。當(dāng)選擇一性能標(biāo)準(zhǔn)為目標(biāo)函數(shù)時(shí)，其余的都可以作為約束條件來(lái)處理，通常選擇最重要的工作特點(diǎn)作為設(shè)計(jì)目標(biāo)，這些目標(biāo)表示成設(shè)計(jì)變量的數(shù)學(xué)函數(shù)，即目標(biāo)函數(shù)。優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表述為：

目標(biāo)值:f（x）=f（x1，x2，…，xn）

約束條件：g（x）≤ 0

h（x）=0

其中 x=x1，x2，…，xn是設(shè)計(jì)變量；f（x）是目標(biāo)值；g（x）是不等式約束條件；h（x）是等式約束條件；xli≤x≤xui是上下限約束條件。

（2）確定設(shè)計(jì)變量。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中發(fā)生改變從而提高性能的一組參數(shù)稱為設(shè)計(jì)變量需要。它可以是常量，也可以為變量，是允許在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)期間進(jìn)行更改的數(shù)值輸入。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中參與的設(shè)計(jì)變量可以分為兩類：一類是幾何參數(shù)，如板殼的厚度、寬度、截面面積等；一類為物理參數(shù)，如材料的彈性模量、屈服極限、鋼的標(biāo)號(hào)、應(yīng)力、結(jié)構(gòu)的固有頻率等[3]。

（3）選取約束條件。約束條件是對(duì)設(shè)計(jì)的限制，是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其他性能的要求。相對(duì)于設(shè)計(jì)變量和目標(biāo)函數(shù)，約束條件是最復(fù)雜也是最重要的，選擇準(zhǔn)確與否直接關(guān)系到所得結(jié)論的真實(shí)可靠。因此，全面準(zhǔn)確地設(shè)定各種約束條件是結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。約束條件通常包括各種剛度條件、強(qiáng)度條件、運(yùn)動(dòng)學(xué)條件、動(dòng)力學(xué)條件、幾何條件、工藝條件等，有時(shí)還包括一些附加約束條件。

（4）選擇優(yōu)化方法求解。根據(jù)變量、約束、目標(biāo)、問(wèn)題性質(zhì)、時(shí)間因素和函數(shù)關(guān)系等不同情況，優(yōu)化問(wèn)題的求解方法有分層解析法、直接法、數(shù)值計(jì)算法等。對(duì)所提出的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行認(rèn)真分析，從設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù)，目標(biāo)函數(shù)的復(fù)雜程度、約束條件的數(shù)目及復(fù)雜程度等方面，對(duì)現(xiàn)有的優(yōu)化方法進(jìn)行初步選擇，從所有可能的方案中選擇出最合理的、以達(dá)到最優(yōu)目標(biāo)的方案。然后以簡(jiǎn)單實(shí)例進(jìn)行計(jì)算，比較各種方法的求解時(shí)間及精度。一般來(lái)說(shuō)，運(yùn)算時(shí)間較短的優(yōu)化方法是比較好的方法。

（5）分析評(píng)估優(yōu)化計(jì)算結(jié)果。用設(shè)計(jì)出的三維實(shí)體模型進(jìn)行CAE分析，如果分析結(jié)果不能滿足設(shè)計(jì)要求，則需修改結(jié)構(gòu)，再進(jìn)行CAE分析，直到滿足要求為止。設(shè)計(jì)者從滿足給定的設(shè)計(jì)要求的多個(gè)可行方案中，按照規(guī)定的目標(biāo)選出最優(yōu)的方案。有時(shí)計(jì)算結(jié)果出乎意料，就要分析一下具體原因，不應(yīng)完全依賴數(shù)學(xué)方法的計(jì)算結(jié)果，而要根據(jù)實(shí)際情況及自身的經(jīng)驗(yàn)對(duì)優(yōu)化求解結(jié)果進(jìn)行分析，看其是否合理，能否應(yīng)用于實(shí)際。

下面的圖2給出了優(yōu)化設(shè)計(jì)的流程。

圖2 優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程框圖

6 汽車零部件輕量化設(shè)計(jì)實(shí)例

圖3是一外后視鏡支座總成，上、下支座過(guò)于笨重，材料成本高。要求在保證強(qiáng)度和剛度等性能的前提下盡可能使其輕量化。

圖3 后視鏡支座總成

6.1 輕量化設(shè)計(jì)要求

設(shè)計(jì)要求鏡桿端部的結(jié)構(gòu)借用原有結(jié)構(gòu)，鏡子的位置不變，桿徑不變，重新設(shè)計(jì)支桿。上支座的固定方式參照?qǐng)D4，零件工藝不變。重新布置后視鏡下支座安裝點(diǎn)。并重新設(shè)計(jì)安裝點(diǎn)支座。要求支座在滿足使用要求的前提下盡量輕量化。

圖4 后視鏡上支座的固定方式

6.2 約束條件與目標(biāo)函數(shù)

已知外形幾何參數(shù)和外載荷，結(jié)構(gòu)重量設(shè)計(jì)要求作為約束，重量最小和最大應(yīng)力作為目標(biāo)函數(shù)，結(jié)構(gòu)應(yīng)滿足剛度和強(qiáng)度的設(shè)計(jì)要求，即后視鏡上支座、后視鏡下支座、后視鏡支桿應(yīng)剛度條件和強(qiáng)度條件。

6.3 輕量化方案設(shè)計(jì)

根據(jù)設(shè)計(jì)要求，鏡子的位置不能改變，后視鏡支架鏡桿部分不變動(dòng)，可以變動(dòng)的是上支座和下支座的位置，可以將上支座和下支座的位置作為一設(shè)計(jì)變量。經(jīng)過(guò)調(diào)整，上支座和下支座的位置的確定如圖5。

圖5 上支座和下支座的固定位置

充分考慮后視鏡支架鏡桿端部與鏡桿的相對(duì)位置并保持合理的外形，上支座調(diào)整到與車門保持適當(dāng)?shù)木嚯x。為保證鏡桿上下端部同軸，調(diào)整設(shè)計(jì)變量，下支座安裝軸向車門外擺動(dòng)2.65°，如圖6。

圖6 下支座安裝軸角度調(diào)整

6.4 關(guān)鍵零部件輕量化設(shè)計(jì)

6.4.1 后視鏡上支座優(yōu)化設(shè)計(jì)

在對(duì)零件進(jìn)行受力分析時(shí)，通過(guò)向零件主要受力位置逐漸增加材料，同時(shí)逐漸減少其他非主要受力位置處的材料。通過(guò)在不同位置布置材料，裁剪掉原先零件多余的部分，增加安裝后視鏡支架的部分，使零件的材料分布更加合理，從而避免局部應(yīng)力高峰值的產(chǎn)生，如圖7為后視鏡上支座優(yōu)化過(guò)程，經(jīng)過(guò)優(yōu)化，最后達(dá)到減輕零件重量的目的，之后再根據(jù)車門外形并考慮與車門的安裝配合，適當(dāng)修改外形曲面，此時(shí)對(duì)所設(shè)計(jì)的零件的重量進(jìn)行初步測(cè)量，再與原來(lái)的零件比較，結(jié)果為192.4g/291.2g，重量降低了34%。

圖7 后視鏡上支座優(yōu)化過(guò)程圖

6.4.2 后視鏡下支座CAE分析

邊界條件：約束上下支座的安裝孔位（fix)。施加載荷：管子上加一-Z向1 000 N的力。通過(guò)CAE分析，對(duì)比優(yōu)化前后的應(yīng)力集中情況，從圖8可以看出，應(yīng)力最大值降低，輕量化效果明顯。后視鏡下支座輕量化結(jié)果如圖9、圖10。

圖8 后視鏡上支座優(yōu)化前后應(yīng)力集中情況對(duì)比

圖9 經(jīng)過(guò)輕量化的后視鏡支座總成

圖10 經(jīng)過(guò)輕量化的后視鏡上支座

6.4.3 后視鏡下支座優(yōu)化設(shè)計(jì)及相關(guān)零部件改進(jìn)設(shè)計(jì)

因下支座安裝點(diǎn)作了調(diào)整，相關(guān)的設(shè)計(jì)變量也需作相應(yīng)更改。下支座要安裝在車門鈑金上，需要在車門鈑金增加一個(gè)與下支座安裝面匹配的面。為此，對(duì)車門鈑金上固定外后視鏡下支座的加強(qiáng)板進(jìn)行局部的型面修整。如圖11，為了使下支座能夠合理地安裝在車門上，在車門加強(qiáng)板上增加一個(gè)面，并且在這個(gè)面上增加了兩個(gè)與下支座的安裝孔相匹配的安裝孔。

圖11 后視鏡下支座安裝位置

圖12 為后視鏡下支座優(yōu)化前后應(yīng)力集中情況對(duì)比，可以看出，應(yīng)力最大值顯著降低。

圖12 后視鏡下支座優(yōu)化前后應(yīng)力集中情況對(duì)比

圖13 為整個(gè)后視鏡支架總成的應(yīng)力分布對(duì)比，可以看出，應(yīng)力最大值有所降低。

圖13 整個(gè)后視鏡支架總成的應(yīng)力分布對(duì)比

表2為后視鏡支架總成各零部件應(yīng)力分布對(duì)比，可以看出，各零部件應(yīng)力最大值都有不同程度的降低。

表2 后視鏡支架總成各零部件應(yīng)力分布對(duì)比

6.5 優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的后視鏡支架總成各零部件應(yīng)力最大值都有不同程度的降低，優(yōu)化后的各零部件減重402.4 g，減重率57%，表3為后視鏡支架總成各零部件重量對(duì)比。見(jiàn)圖14。

表3 后視鏡支架總成各零部件重量對(duì)比

圖14 后視鏡支架總成

7 結(jié)束語(yǔ)

汽車輕量化對(duì)汽車節(jié)能降排、性能改善和能源戰(zhàn)略規(guī)劃以及汽車工業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，汽車輕量化技術(shù)的研究多以車身結(jié)構(gòu)為主，而零部件的總質(zhì)量約占整車整備質(zhì)量的四分之三，在汽車輕量化方面具有很大的挖掘潛力，汽車零部件的輕量化研究將會(huì)進(jìn)一步得到重視。汽車輕量化設(shè)計(jì)基于CAE技術(shù)進(jìn)行，借助于三維模型對(duì)機(jī)構(gòu)進(jìn)行有限元分析、運(yùn)動(dòng)仿真、動(dòng)力學(xué)分析，避免出現(xiàn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)中的干涉現(xiàn)象，使設(shè)計(jì)中的“虛擬樣機(jī)”檢驗(yàn)發(fā)揮強(qiáng)大作用，確保機(jī)構(gòu)安全可靠，結(jié)構(gòu)優(yōu)化合理，大大節(jié)約了制作物理樣機(jī)和試驗(yàn)的費(fèi)用。利用CAE技術(shù)進(jìn)行汽車輕量化設(shè)計(jì)，改變了設(shè)計(jì)工程師依靠經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化、建模，再進(jìn)行CAE分析，把CAE作為一種驗(yàn)算的工作模式。通過(guò)CAE計(jì)算，進(jìn)行反復(fù)的迭代，尋找最優(yōu)化的輕量化解決方案，給CAE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)帶來(lái)可能，改變以往對(duì)一個(gè)不理想模型狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的弊端，真正實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)。