胡發(fā)明 李磊

中通客車控股股份有限公司 山東聊城 252000

隨著社會的快速發(fā)展，越來越多消費者購買汽車，改善了人們生活水平的同時，節(jié)能、環(huán)保、安全和智能成為汽車發(fā)展的新動向[1]。與此同時，能源和環(huán)境是當今世界面臨的兩大問題，兩者都與汽車產業(yè)發(fā)展息息相關，制造出 “低能耗”、“低排放” 甚至 “零排放” 的汽車是汽車行業(yè)等部門需要思考的問題。在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下，乘用車的整車質量減重100Kg，每百公里燃油消耗平均減少0．2-0．8L，二氧化碳排放減少5-11g/km。相較于汽車的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的技術改革，輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。在《中國制造2025》中關于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強調了 “輕量化仍然是重中之重”，“輕量化” 已然成為國家的重要戰(zhàn)略，越來越多的研究機構和汽車行業(yè)將其研究工作的重點放在汽車輕量化上。

1 汽車輕量化理論與設計方法研究

汽車輕量化的問題是在最優(yōu)化的理論基礎上建立的，通常所說的優(yōu)化設計，就是根據(jù)實際的情況和問題，建立其優(yōu)化的數(shù)學模型，采取一定的最優(yōu)化方法，尋找既滿足約束條件又使目標函數(shù)最優(yōu)的設計方案[2]。構成結構設計問題的三要素為：設計變量、狀態(tài)變量、目標函數(shù)。具體方法如下。

在汽車結構輕量化中，結構尺寸優(yōu)化是在確定結構拓撲的前提下，用少量的尺寸來表示結構的某些變化，然后建立基于這些維參數(shù)的數(shù)學模型，并采用優(yōu)化方法求解最優(yōu)維參數(shù)。

在尺寸優(yōu)化中，其設計變量大多數(shù)為材料參數(shù)（如說彈性模量和密度）和尺寸參數(shù)（如橫梁橫截面的尺寸、轉動慣量、彈性支承剛度、板材的厚度、兩個部件之間的連接剛度等）。

尺寸優(yōu)化是通過優(yōu)化一維梁單元的截面尺寸、二維板單元厚度等，尋找目標結構件的最好截面尺寸，滿足其相對應的性能要求，性能優(yōu)化期間，結構的形狀和拓撲結構沒有發(fā)生變化。尺寸優(yōu)化的一個重要方向是一維梁單元的截面尺寸優(yōu)化，從之前的結構到現(xiàn)在工業(yè)上用的各種型號鋼材，尺寸優(yōu)化已經相對成熟，在給定結構外形幾何、材料、單元類型、結構布局的情況下，以截面的尺寸為設計因變量，尋求截面尺寸的最優(yōu)，以滿足性能要求并且實現(xiàn)結構輕量化，達到降低生產成本的目的。

2 車身輕量化設計

2.1 集成化設計

鋼板強度越高，其成形性能一般越差，尤其是強度超過1200MPa 常規(guī)的冷沖幾乎無法實現(xiàn)稍復雜零件的成形，此時，可以采用熱沖壓成形技術[3]。

目前，激光拼焊板熱成形、補丁板熱成形是較好的實現(xiàn)減少零件數(shù)量，降低重量的技術。

2.2 尺寸和形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化表示對結構件的整體或者局部的形狀以及孔洞的形狀進行優(yōu)化改進，使材料達到更好的使用效果，減少受力不均現(xiàn)象。對于少數(shù)規(guī)則結構件可以把形狀優(yōu)化轉化為尺寸優(yōu)化進行目標函數(shù)設定處理，對于汽車上大部分的不規(guī)則的零部件來說，參數(shù)難以設定還是需要進行無參數(shù)的形狀優(yōu)化。

形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的高級形式，就是于板形結構中尋求最優(yōu)加強筋分布的概念設計方法，往往應用于設計符合的頻率需求以及提高構件剛度，在汽車薄板型構件的優(yōu)化中應用廣泛。耿廣銳等對某款塑料油底殼進行基于形貌優(yōu)化的方法進行設計，成功提高了產品的第一階固有頻率，而且對于油底殼的全新開發(fā)而言，可以達到提高效率縮短成本的效果。張彩婷等通過自由起筋和約束起筋對轎車地板進行優(yōu)化設計，采用這兩種形貌優(yōu)化設計方法對汽車安全性明顯提高，可以有效的防止汽車遇到共振現(xiàn)象。袁林等對某電動汽車的電池箱展開了多目標形貌優(yōu)化設計，在滿足結構的剛度和頻率等性能要求的同時成功實現(xiàn)了8．7% 的減重率。

2.3 斷面優(yōu)化

雖然分析軟件應用已很廣泛，但主要是針對3D 模型的分析，如果在前期的2D 斷面階段可以對性能的評估，可以避免項目后期的重大設計更改，縮短開發(fā)進度。

此平臺項目中，引進了SectionAD 軟件，可以通過2D 斷面快速評估不同的設計方案，如材料對最大軸向載荷及彎矩的靈敏度等，得到最優(yōu)化的設計截面尺寸、厚度、形狀等，實現(xiàn)了項目前期的性能評估和優(yōu)化。

2.4 多學科設計優(yōu)化

現(xiàn)代工程發(fā)展迅速，各個工程系統(tǒng)規(guī)模逐步擴大，系統(tǒng)間交互合作更加緊密，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已經不再能滿足對工程領域發(fā)展的需求，多學科設計優(yōu)化由此發(fā)展。ATC 是近年發(fā)展起來的，指的是按照系統(tǒng)層次型結構，自上而下將系統(tǒng)的目標函數(shù)以及約束條件傳遞給子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有不同學科，對不同學科的局部設計變量進行優(yōu)化，直到符合系統(tǒng)設計要求，因為該方法具有提升設計效率、降低設計難度等優(yōu)點在汽車優(yōu)化設計中將應用更多, 趙遷等對某汽車發(fā)動機燃燒室進行研究優(yōu)化，很好的驗證了ATC 在汽車設計中的有效性。王婷婷等[ 采用了ATC 對車輛的混合動力系統(tǒng)的參數(shù)進行了層次分解和協(xié)同優(yōu)化以達到系統(tǒng)參數(shù)的最佳配置。

一些特殊的新算法也在研究推廣中，包括獨立子空間MDO 算法、異步子空間法等它們在一些場景中使用會對多學科分析效率有明顯提升。未來多學科算法要取得更好的優(yōu)化結果、更快的優(yōu)化速度，不但要對已有算法進行改進、新的算法進行開發(fā)研究，對特殊的新算法也要加快推進研究進行試驗對比，更加熟悉每種算法的應用環(huán)境，把多學科多目標優(yōu)化與傳統(tǒng)的尺寸、形狀、拓撲優(yōu)化更好的結合，使結構優(yōu)化達到更好的輕量化效果。

3 結語

汽車的輕量化從來不是從哪一個單一的方式出發(fā)，想要獲得更好的輕量化結果，需要更好的把新輕質材料、新工藝方法、結構優(yōu)化方法，進行集成化、系統(tǒng)化的應用。隨著工業(yè)化產業(yè)方式的進一步發(fā)展、計算機技術的進步，輕量化技術還有很大發(fā)展空間。