優(yōu)化設(shè)計(jì)在汽車(chē)行業(yè)的應(yīng)用綜述

羅紅梅+周逸凡

[摘 要]近幾年我國(guó)的汽車(chē)工業(yè)發(fā)展勢(shì)頭強(qiáng)勁，隨著市場(chǎng)需求不斷擴(kuò)張，我國(guó)汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展?jié)摿σ卜浅４蟆ＴO(shè)計(jì)和制造能力的不斷提升，對(duì)汽車(chē)輕量化，降低制造成本，和提高汽車(chē)質(zhì)量方面有了新的要求。

[關(guān)鍵詞]優(yōu)化設(shè)計(jì)；動(dòng)力性；安全性；燃油經(jīng)濟(jì)性；舒適性

中圖分類(lèi)號(hào)：F420 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-914X（2017）03-0379-01

正文：汽車(chē)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程中涉及很多內(nèi)容，優(yōu)化設(shè)計(jì)滲透到其中的方方面面?，F(xiàn)在汽車(chē)行業(yè)中汽車(chē)數(shù)字化產(chǎn)品開(kāi)發(fā)過(guò)程的重要技術(shù)手段是CAE技術(shù)。通過(guò)運(yùn)用CAE技術(shù)，讓電腦模擬實(shí)車(chē)情況，在很大程度上節(jié)省了人力，物力，這也是這項(xiàng)技術(shù)在優(yōu)化領(lǐng)域如此盛行的原因。隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，人們對(duì)汽車(chē)的性能有了更高要求，更多的是追求車(chē)的動(dòng)力性，安全性，燃油經(jīng)濟(jì)性和舒適性。以下就此四個(gè)方面進(jìn)行敘述。

1 動(dòng)力性

汽車(chē)的動(dòng)力性是指汽車(chē)在良好路面上直線行駛時(shí)由汽車(chē)受到的縱向外力決定的，所達(dá)到的平均行駛速度。隨著人們生活水平的提高，人們?cè)谄?chē)基本性能追求的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車(chē)行駛速度有了更高要求。汽車(chē)的動(dòng)力性與整車(chē)結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，發(fā)動(dòng)機(jī)性能，汽車(chē)外形等有關(guān)。

1.1 汽車(chē)整車(chē)結(jié)構(gòu)

通過(guò)對(duì)車(chē)身等總成結(jié)構(gòu)分析，對(duì)車(chē)身所用材料進(jìn)行選擇以及為車(chē)身優(yōu)化提供設(shè)計(jì)指導(dǎo)。通過(guò)對(duì)底盤(pán)或整車(chē)零件進(jìn)行分析，以實(shí)現(xiàn)零件優(yōu)化、輕量化、可靠性設(shè)計(jì)等。輕量化逐漸成為汽車(chē)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)化分析的設(shè)計(jì)目標(biāo)，它通常以強(qiáng)度、剛度或頻率等為約束條件，改變?cè)O(shè)計(jì)形狀和尺寸，進(jìn)行多方案比較，選出最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。

1.2 發(fā)動(dòng)機(jī)性能

發(fā)動(dòng)機(jī)是整車(chē)的心臟，其工作環(huán)境尤為惡劣，因此對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)自身的強(qiáng)度，剛度有極高的要求。汽油發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)，其內(nèi)部最高工作溫度可達(dá)到2200k-2800k，所以發(fā)動(dòng)機(jī)的冷卻系統(tǒng)就極其重要。發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻系統(tǒng)分為風(fēng)冷和水冷，就水冷系統(tǒng)而言，在設(shè)計(jì)時(shí)，就需要先對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)冷卻液流動(dòng)路徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使流經(jīng)冷卻管道的冷卻液既能較快的帶走能量又能保證發(fā)動(dòng)機(jī)足夠的強(qiáng)度和剛度。

1.3 汽車(chē)外形

汽車(chē)在行駛過(guò)程中受到的行駛阻力有滾動(dòng)阻力，空氣阻力，上坡阻力和加速阻力。汽車(chē)外形主要影響的是空氣阻力的大小?？諝庾枇τ址譃槟Σ磷枇蛪毫ψ枇?，壓力阻力在汽車(chē)直線行駛過(guò)程中大致占得比例為91%。壓力阻力主要與汽車(chē)車(chē)身主體形狀，車(chē)身表面突起物（如后視鏡，門(mén)把手，引水槽，懸架導(dǎo)向桿等），冷卻系統(tǒng)和車(chē)身通風(fēng)時(shí)空氣流經(jīng)車(chē)體內(nèi)部構(gòu)成的阻力有關(guān)。無(wú)風(fēng)條件下汽車(chē)運(yùn)動(dòng)的空氣阻力（N）為

其中為空氣阻力系數(shù)，A為迎風(fēng)面積，為汽車(chē)行駛速度。由上式可知，空氣阻力與和A值成正比。轎車(chē)A值變化不大，所以降低值是降低空氣阻力的重要手段。降低值可以通過(guò)優(yōu)化車(chē)身結(jié)構(gòu)，如使發(fā)動(dòng)機(jī)蓋向前下傾，汽車(chē)后部采用艙背式或直背式結(jié)構(gòu)，車(chē)身底部采用平整結(jié)構(gòu)等來(lái)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)。

2 安全性

隨著中國(guó)經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，中國(guó)汽車(chē)保有量不斷增加，同時(shí)每年交通事故率也隨之上升，人們對(duì)汽車(chē)安全性也越來(lái)越重視。汽車(chē)產(chǎn)品性能的重要指標(biāo)之一是汽車(chē)的碰撞安全性。汽車(chē)的碰撞試驗(yàn)已被國(guó)家法規(guī)明文規(guī)定并且要評(píng)定星級(jí)。對(duì)企業(yè)而言，實(shí)車(chē)試驗(yàn)成本是巨大的，現(xiàn)在借助計(jì)算機(jī)模擬試驗(yàn)，不僅減少了試驗(yàn)成本，還有效提高了車(chē)輛設(shè)計(jì)的安全性。汽車(chē)上現(xiàn)有的安全帶和氣囊的設(shè)計(jì)優(yōu)化為駕乘人員及行人提供了更加安全的保障?，F(xiàn)代汽車(chē)上的離合器踏板，加速踏板，制動(dòng)踏板都是經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次試驗(yàn)，結(jié)合人機(jī)關(guān)系，不斷優(yōu)化，才有的固有模式。此外，踏板的形狀，行程，安裝位置也是在人機(jī)工程的基礎(chǔ)上進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化的。由于人在駕車(chē)時(shí)總會(huì)有各種小問(wèn)題，針對(duì)這些問(wèn)題，現(xiàn)在汽車(chē)上出現(xiàn)了很多高級(jí)應(yīng)用，如自適應(yīng)巡航控制系統(tǒng)（Adaptive Cruise Control），GPS導(dǎo)航系統(tǒng)，自動(dòng)大燈感應(yīng)系統(tǒng)，隨動(dòng)轉(zhuǎn)向系統(tǒng)（Fly By Wire），無(wú)人駕駛系統(tǒng)和車(chē)載行駛記錄儀等。就拿自適應(yīng)巡航系統(tǒng)來(lái)說(shuō)，它是一種智能化的自動(dòng)控制系統(tǒng)，在車(chē)輛行駛過(guò)程中，安裝在汽車(chē)前部的車(chē)距傳感器（雷達(dá)）持續(xù)掃描車(chē)輛前方道路，同時(shí)輪速傳感器車(chē)速信號(hào)。當(dāng)與前車(chē)距離過(guò)小時(shí)，ACC控制單元會(huì)控制車(chē)輛制動(dòng)，保證駕駛安全。這種系統(tǒng)是經(jīng)過(guò)不斷優(yōu)化才在現(xiàn)在汽車(chē)上使用的。

3 燃油經(jīng)濟(jì)性

由于節(jié)約燃料，保護(hù)環(huán)境已成為全球關(guān)注的重大事件，汽車(chē)燃油經(jīng)濟(jì)性受到全世界人民的重視。燃油經(jīng)濟(jì)性好不僅可以降低汽車(chē)的使用成本，減少石油的消耗，節(jié)約能源，還能降低發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的二氧化碳的排放量，起到防止地球變暖的作用。通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，如活塞裙部的設(shè)計(jì)優(yōu)化，活塞頂部材料的選擇和活塞頭部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)等，達(dá)到使發(fā)動(dòng)機(jī)熱損失和耗油更少的目標(biāo)。由蓋托.喬治亞羅設(shè)計(jì)的大眾高爾夫第一代就是在中東石油戰(zhàn)爭(zhēng)爆發(fā)后出現(xiàn)在人們視野里的燃油經(jīng)濟(jì)性較好的兩廂式車(chē)型，并且這款車(chē)在停產(chǎn)之前已賣(mài)出600多萬(wàn)輛，這也說(shuō)明，人們對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的重視程度?，F(xiàn)代汽車(chē)行業(yè)正在發(fā)生巨變，人們對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性的追求，使新能源車(chē)的發(fā)展有了廣闊市場(chǎng)。越來(lái)越多的企業(yè)，越來(lái)越多的人加入到新能源開(kāi)發(fā)的行業(yè)中。2015年，媒體報(bào)道中國(guó)已經(jīng)成為了新能源汽車(chē)發(fā)展的第二大國(guó)，

4 舒適性

經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，汽車(chē)的批量化生產(chǎn)，使汽車(chē)進(jìn)入尋常百姓家。人們已經(jīng)不僅僅滿(mǎn)足于汽車(chē)帶來(lái)的速度與激情，除了上述的三點(diǎn)外，人們更加追求乘坐的舒適性。乘坐舒適性包括汽車(chē)行駛時(shí)的平順性，行駛時(shí)的聲噪情況，空調(diào)溫度，出風(fēng)口位置以及車(chē)內(nèi)各物件與駕乘人員的人機(jī)關(guān)系等。首先，座椅是最直接的與駕乘人員接觸的物件之一，座椅的優(yōu)化設(shè)計(jì)在很大程度上影響了乘坐舒適性。其次，汽車(chē)行駛時(shí)，車(chē)輛與道路、空氣發(fā)生摩擦，以及車(chē)輛各部件振動(dòng)時(shí)產(chǎn)生很大的噪音，在制造汽車(chē)車(chē)門(mén)，車(chē)窗和頂篷以及其他設(shè)計(jì)所關(guān)心的結(jié)構(gòu)時(shí)就必須對(duì)這些結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，在最大程度上減小噪音，實(shí)現(xiàn)車(chē)身內(nèi)的聲學(xué)設(shè)計(jì)并進(jìn)行噪聲控制。再次，人們對(duì)溫度的感知是靈敏的，現(xiàn)代汽車(chē)的空調(diào)系統(tǒng)溫控的精度上升，已經(jīng)能實(shí)現(xiàn)0.5的溫度控制，部分車(chē)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了溫度分區(qū)控制。最后，車(chē)內(nèi)物件的位置也是通過(guò)人機(jī)關(guān)系不斷進(jìn)行優(yōu)化才在最終裝配時(shí)確定的位置。

本文章在撰寫(xiě)過(guò)程中，參考借鑒了很多論文，在此謹(jǐn)向他們表示衷心感謝。限于作者水平，本文章肯定存在很多不足和需要進(jìn)一步改進(jìn)之處，竭誠(chéng)希望廣大讀者朋友們批評(píng)指正。

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