汽车产品轻量化设计研究

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摘要：本文阐述了汽车产品轻量化设计的一般思路，通过参数优化软件ISIGHT耦合CATIA和ABAQUS来实现对各类汽车零部件的轻量化设计。对轻量化过程中的精确建模、搭建优化平台进行详细说明。该轻量化设计方法可在保证汽车零部件结构强度与刚度的同时有效减轻重量，为轻量化设计研究者提供参考。

关键词：轻量化设计；CAE；汽车产品

在保证使用功能和性能的前提下降低汽车产品的质量，不仅可以节省材料，还能降低汽车油耗，提高汽车产品的利润空间，增强产品竞争力。因此，汽车产品轻量化设计近年来获得众多整车厂和零部件供应商青睐[1]。汽车轻量化的目的是指在确保汽车原有性能不受影响的前提下，减轻整车的质量，以减少钢材和燃油的消耗，降低排放，提高车速，改善起动和制动性能[2]。汽车轻量化设计主要有两种途径：一种是采用质量更轻、强度更高、力学性能更好的新材料来替换原有材料，另一种是借助于现代化设计方法对机械零件的结构和加工工艺进行处理，在保证相关性能的前提下最大限度地减轻汽车零部件的质量[3]。轻质材料通常意味着更高的成本，常用于大型企业或配置要求高的车型，中小型企业常基于现代化设计方法对汽车产品进行轻量化设计，以改进汽车结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化[4]，从而实现减轻重量的目的。本文结合有限单元法和计算机辅助优化设计工具对汽车产品的轻量化设计进行研究。

1CAE技术在汽车产品中的应用现状分析

CAE（ComputerAidedEngineering，计算机辅助工程）技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的现代化分析技术，其理论基础为有限单元法。有限单元法是一种有效解决工程问题的数值分析方法，其基本求解思想是将连续的求解域离散为有限个互不重叠的单元，根据结构的单元类型、约束、载荷和边界条件等几何关系，建立物理方程，借助于变分原理或加权余量法，将微分方程离散求解。在现代汽车研发设计中，CAE技术已经运用到汽车设计、研发和制造等各个环节。利用CAE技术可以在汽车正向设计研发中对车身整体振动、刚度和碰撞等性能进行仿真模拟分析。产品设计应在确保汽车零部件使用性能不降低的前提下实现汽车轻量化的目的。主要包括以下3个方面：1)利用结构优化设计，优化零部件结构，减少零件的数量。既能降低整车质量，又提高了整车强度和刚度性能，确保汽车在满足使用性能指标的前提下减轻零部件的质量。2)利用零部件微型化设计，实现汽车轻量化。确保零部件在性能不降低的情况下减小零件尺寸和体积，降低零部件的质量。3)利用轻量化系统集成的方法来实现结构优化的目的。比如轿车发动机的前置前驱或后置后轮的布局，使整车结构紧凑，实现整车轻量化。

2汽车产品轻量化设计的基本原则

汽车产品轻量化设计的基本原则主要遵循正确的大小、正确的拓扑结构、正确的材料和正确的设计细节四个方面。1)正确的大小主要用于整车参数的匹配，即保证轻量化尺寸、质量等要素满足整体设计需求，保证综合油量与质量、尺寸、动力的匹配等方面的性能要求。2)正确的拓扑结构用于保证各类零部件的结构强度、力学性能等满足设计需求，从而保证轻量化后汽车产品的综合性能。3)使用质量更轻、性能更好的材料是汽车产品轻量化设计的一种重要手段，在涉及材料变更时要综合考虑产品加工技术对新材料的影响，选用的材料必须符合汽车产品的加工工艺。4)正确的设计细节主要包括汽车产品各零部件的质量分配、连接接头的结构与刚性、连接方法、制造成本等要素。对汽车零部件进行轻量化设计时必须综合考虑其相对整车或某一零件的质量占比，某些为保证结构刚性的接头等需要按设计需求予以保留。

3有限单元法在汽车产品轻量化设计中的应用

随着计算机技术的发展，市场上出现了各类轻量化设计软件，但主要分为基于拓扑优化和基于参数优化两种类型。1）拓扑优化的基本方法是在给定的可设计空间中，根据指定的载荷和边界条件计算出一个最佳的轻量化设计方案。2）参数优化则是快速集成和耦合相关CAD、CAE或数值分析软件，通过定义机械零件中需要优化的尺寸参数，将所有轻量化流程组织到一个集成框架中，自动运行仿真软件，自动重启设计流程，并自动计算每一组可行解的可靠性，提供多组可靠性强的优化方案。本文主要结合参数优化的方法搭建轻量化设计流程。首先借助于CATIA软件建立相关零部件的三维模型，通过ABAQUS软件进行分析，获得初始的分析结果，然后通过计算机辅助优化软件ISIGHT结合CATIA和ABAQUS软件进行优化，得到优化结果，从而判断不同零件结构的可靠性，最后再对可靠性较高的优化结果进行分析验证，最终得到优化后的CATIA模型。具体包括三个方面。3.1精确建立有限元模型并求解。通过CATIA建立准确的CAD模型，结合有限元分析软件ABAQUS对汽车产品在实际工况下的应力应变情况进行模拟分析，确定该产品是否还有进一步轻量化的空间。若应力小于该产品材料的疲劳极限，则说明该产品有进一步轻量化的空间。在这一环节中需要合理建立研究对象的有限元模型，包括材料属性、单元类型的选择，边界条件、分析步的设置等。一般而言，建议采用六面体单元，边界条件尽可能与实际工况保持一致，不能完全保持一致时，利用圣维南原理作近似处理。条件允许的可以结合实验结果进行对比，以验证有限元分析结果的准确性，为后续的轻量化设计做好前期准备。3.2搭建轻量化过程。在参数优化软件ISIGHT中耦合CATIA和ABAQUS，搭建轻量化集成框架。具体搭建过程如下：1)在CATIA中启用宏录制对需要优化的尺寸参数进行修改，从而得到在CATIA中更改汽车产品需要优化尺寸的宏文件，同时修改宏文件中目标文件的保存路径为轻量化设计的工作路径，在ISIGHT中设置优化尺寸的变量范围和赋值规律。2)通过Python语句调用ABAQUS对宏文件中更改尺寸后的CAD模型进行有限元分析，同时输出被优化模型的最大应力应变值，用于计算疲劳寿命，优化结果可靠性分析等。3)输出该尺寸对应的轻量化分析结果，删除本次循环产生的中间文件，为下一轮循环做准备，如此往复。3.3验证结果的准确性。根据ISIGHT提供的轻量化结果可以选取可靠性最高的几组数据，对其进行精确建模，对轻量化结果进行初步验证并选出最好的一组或几组方案用于实物验证。

4结语

综合常用汽车产品轻量化研究方法，结合汽车产品轻量化设计原则，提出采用计算机辅助集成技术对汽车产品进行轻量化设计的方法。从建立精确模型分析轻量化空间、确定优化参数、搭建轻量化流程、快速实现汽车产品轻量化设计等方面对ISIGHT集成CATIA和ABAQUS在汽车产品轻量化设计过程中的应用进行分析与评价。通过对产品进行薄壁化、中空化的参数优化，实现减轻汽车零部件质量，节省产品耗材，提高产品综合竞争力的目标，从而突出计算机辅助集成技术在汽车产品轻量化设计中的可行性和高效性。

参考文献：

[1]范子杰，桂良进，苏瑞意.汽车轻量化技术的研究与进展[J].汽车安全与节能学报，2014，5(1)：1-16.

[2]王理睿，杨小龙，卢程，等.基于有限元法的车架轻量化设计和仿真分析[J].现代机械，2012(5)：12-14.

[3]许晓鹏，刘双云，杨春芬，等.轻量化设计在农用机械底盘车架中的应用分析[J].南方农机，2018，49(12)：72-79.

[4]龚侃，冯立军，汪沛伟，等.基于轻量化设计方法的某车型后牵引装置结构的优化设计[J].汽车科技，2017(6)：18-22.

作者:赵国伟 李 薇 单位:南充职业技术学院机电工程系