CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化在汽車輕量化開發(fā)中的作用

李海三

（同濟大學(xué) 201804）

0 引言

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

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；二是通過對車輛結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。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，如何實現(xiàn)最優(yōu)的結(jié)構(gòu)設(shè)計將是汽車企業(yè)不斷追求的目標(biāo)。CAE結(jié)構(gòu)優(yōu)化可用于對零部件或系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進行全階段詳細優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化設(shè)計。常用的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法有拓撲優(yōu)化、形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等。在實際項目中，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)計是一個伴隨整車開發(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)化可從前期項目定義之后，到樣車試生產(chǎn)之前，對整車或系統(tǒng)進行合理的輕量化設(shè)計，此類結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作在項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)計階段

在車型項目概念階段，一旦整車基本尺寸如軸距、長、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，對其進行適當(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)。此階段可首先重點對車型框架結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化研究，以先主后次的優(yōu)化設(shè)計理念，確保車型框架結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計。

CAE 拓撲優(yōu)化可從車型尺寸整體空間上識別出合理的框架路徑，指導(dǎo)工程師在設(shè)計過程中，將材料分布到最需要加強的路徑位置，提高材料利用率。比如某設(shè)計團隊通過使用不同工程約束控制，對平臺化車身架構(gòu)進行多工況作用，尋找車身架構(gòu)的最優(yōu)載荷傳遞路徑，為前期平臺化車身架構(gòu)的概念設(shè)計提供有力的參考[1]。某汽車品牌設(shè)計團隊在車型開發(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)面碰撞多個工況，以柔度最小化為目標(biāo)對白車身進行了拓撲優(yōu)化研究，分別獲取了各單個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)計提供最優(yōu)的車架拓撲架構(gòu)[2]。

CAE 形狀優(yōu)化或尺寸優(yōu)化可用來對前期概念車型結(jié)構(gòu)進行詳細優(yōu)化研究，以快速指導(dǎo)車型結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)設(shè)計。常用的形狀優(yōu)化方法有：基于SFE CONCEPT 軟件對結(jié)構(gòu)進行隱式參數(shù)化建模；基于morph 變形對結(jié)構(gòu)建立其包絡(luò)變形體實現(xiàn)參數(shù)化建模，以及對詳細結(jié)構(gòu)模型建立其1D 梁單元簡化模型等，開展零件形狀和尺寸大小參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計。某設(shè)計團隊借助DEP Morpher 軟件，通過在車型有限元模型中對軸距和輪距加長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)早期對白車身的截面尺寸以及板厚進行了研究，實現(xiàn)了概念階段的輕量化效果。2012年，某設(shè)計團隊在車身開發(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)各項性能要求，實現(xiàn)白車身減重12.00 kg。

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

1.2 車型開發(fā)詳細設(shè)計階段

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，輕量化工作會相對滯后開展。項目組或設(shè)計部門根據(jù)造型數(shù)據(jù)輸入后，開始進行主斷面和車型詳細數(shù)據(jù)設(shè)計，主要是以參考競品車或者標(biāo)桿車的方式去設(shè)計。之后CAE 部門開始對詳細數(shù)據(jù)進行建模分析及改進優(yōu)化，在車輛結(jié)構(gòu)主要性能達標(biāo)后，開始輕量化工作。傳統(tǒng)開發(fā)模式下，由于沒有進行先期結(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)可變動的空間有限，輕量化難度相對加大。

在車型輕量化開發(fā)模式下，由于前期概念階段進行了大量的結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作，此階段車型路徑結(jié)構(gòu)即達到相對最優(yōu)狀態(tài)，不存在明顯設(shè)計不合理現(xiàn)象，在整車基本關(guān)鍵性能達標(biāo)前期下，輕量化工作可快速開展，工程師在相對充裕的時間內(nèi)實現(xiàn)最大幅度減重。此階段可重點通過CAE 形狀優(yōu)化和尺寸優(yōu)化等方法，對車型詳細結(jié)構(gòu)進行輕量化設(shè)計。某汽車品牌設(shè)計團隊利用 SFE Concept 軟件建立某轎車白車身的參數(shù)化模型，結(jié)合相對靈敏度分析確定白車身非安全件為設(shè)計變量，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，對白車身進行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計。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，實現(xiàn)白車身減重24.17 kg[5]。

在車型開發(fā)詳細階段，通常車型結(jié)構(gòu)基本不會進行大的改變，例如對車身傳力路徑上的結(jié)構(gòu)組成進行變更。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，對整車進行全局輕量化減重，達到零件結(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)樣車測試階段

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

通常在此階段，針對暴露出的結(jié)構(gòu)問題，設(shè)計工程師及仿真工程師將結(jié)合具體問題對結(jié)構(gòu)進行一定的改進，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，改進方案會帶來系統(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，可最大程度實現(xiàn)方案在滿足性能的基礎(chǔ)上，達到質(zhì)量和成本最小化。某汽車品牌設(shè)計團隊針對某款SUV 車型工裝樣車，在試驗場可靠性道路試驗中出現(xiàn)的擺臂結(jié)構(gòu)開裂問題，應(yīng)用HyperMorph 和HyperStudy 優(yōu)化模塊，對初步改進后的幾何結(jié)構(gòu)進行智能優(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證中出現(xiàn)的實際問題，降低了后期問題整改的驗證成本和周期[6]。某汽車品牌設(shè)計團隊針對某型號汽車發(fā)動機艙蓋耐久開裂問題，建立了發(fā)動機艙蓋耐久的有限元模型，對開裂問題進行了焊點數(shù)量與位置優(yōu)化分析，最終實車通過強度耐久試驗，滿足設(shè)計要求[7]。

2 結(jié)束語

汽車設(shè)計開發(fā)過程中，考慮到車型平臺定義等因素，零件選材及相應(yīng)的生產(chǎn)工藝在項目初期通常已基本確定，尤其是車身結(jié)構(gòu)件。因此，在車型項目輕量化設(shè)計過程中，CAE 結(jié)構(gòu)優(yōu)化起到重要作用。在當(dāng)前汽車平臺化和模塊化開發(fā)趨勢下，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。