优化设计在汽车中的应用

[摘 要]随着社会的发展，人们对汽车的需求量快速增加，汽车成为现代社会不可或缺的一部分。在汽车产业迅猛发展同时，人们对汽车的性能与安全性需求也随之增大。伴随着而来的则是研发水平的提升，使得优化设计逐步应用到整个汽车开发之中。本文主要对优化设计的概念，发展状况及方法分类进行简单介绍，同时列举一些优化设计在汽车中的应用，从而加深对汽车优化设计的理解。

[关键词]优化设计；应用；汽车发动机；汽车车身；轻量化

中图分类号：TP117.3 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）05-0039-01

1、优化设计简介

所谓“优化设计”是指：研究问题和寻求解决问题的最优方案，“最优”两字应理解为在给定条件下得到尽可能满意的结果。优化设计是20世纪60年代初发展起来的一门新学科，它将最优化原理和计算机技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。实践证明，最优化设计是保证产品具有优良性能，减轻自重和体积，降低工程造价的一种有效方法，同时，也可以使得设计者从大量繁琐工作总作中解脱出来，大大提高工作效率。优化设计包括两部分内容。第一个是建立优化设计的数学模型，同时选取设计变量，得出目标函数并给出约束条件。第二则是采用优化设计的方法，求解所建立的数学模型，得出最优值。

优化设计方法的分类：（1）根据优化问题的不同特点进行分类，包括无约束优化问题和约束最优化问题。（2）根据函数类型分类，可分为线性优化，二次优化，以及非线性优化。

2、优化设计在汽车设计中的应用

2.1 汽车发动机的优化设计

近几年针对汽车发动机的研发，重点包括降低油耗，减排，降低磨损，减轻质量等，因此，在发动机的设计研发中有必要引入优化设计这一重要手段。目前，针对发动机，主要是对发动机的结构进行优化，以提高其性能；选取适当材料实现发动机的轻量化，减轻车重；精确控制发动机内燃烧以及降低排放等。发动机的结构优化主要是优化一些关键零部件的形状以提高发动机的性能。此方面的研究有人总结国内外对航空发动机叶片，轮盘结构优化现状，提出一种将动态分析和结构形状优化设计相结合的新方法；阐述了CAD/CAE技术在电喷汽油机进气歧管设计和螺旋气道设计的应用效果；基于一种高效的有限元方法对三维复杂形状连杆进行优化设计；基于有限元分析和优化技术，提出一种发动机曲轴的结构优化方法。在发动机主要零部件活塞、连杆和曲轴的设计中，应用三维软件CATIA分别建立了活塞、连杆和曲轴的三维模型。然后对其进行虚拟装配，对装配体有限元模型进行热力耦合分析，解决曲柄连杆机构结构设计的刚强度评价问题。

对于实现发动机的轻量化，主要针对发动机的材料进行优化设计。近几年来，在发动机的设计上，应用了许多新型材料，如：氧化硅，氮化硅，碳化硅以及合成石墨等，通过建立发动机复合材料截面应力应变解析式和最大应力准则，对发动机进行强度优化设计。

发动机的燃烧过程影响着节能环保。随着世界各国对于能源问题以及环境问题重视，发动机燃烧过程的优化设计也愈发受到人们的关注。目前主要针对喷射系统，进气系统，燃烧室部分进行优化。对于发动机的喷射系统，主要是借助电子控制技术，根据发动机以及汽车的运行状况，精确控制喷油定时与喷油次数，以实现喷油过程的优化设计。同时采用多目标设计方法，优化发动机燃烧系统与配气机构匹配。在燃烧室的优化设计中，采用计算机仿真手段对天然气汽车发动机的空燃比进行优化以改善发动机的性能。

2.2 汽车车身优化设计

汽车车身在汽车上占有重要比例，仅车身质量就约占汽车总质量的五分之二，为了实现减排，降低油耗，同时实现行驶的安全性，使得车身轻量化成为汽车车身优化设计的重点。因此，在针对汽车车身进行优化设计的时候，应从轻量化入手，并达到车身轻量化的目的。

要实现汽车车身的轻量化，目前有以下几种途径。第一，从车身的根本着手，实现汽车零部件的轻量化。对汽车零部件进行优化设计，主要借助于CAE方法重新对其结构进行优化设计，以分析校核——優化分析设计——再次分析校核的循环式方法减轻零部件的重量并提高其强度。同时也可以对制造工艺进行优化，来实现车身的轻量化。第二，对汽车实体结构进行优化设计。在对汽车车身轻量化优化设计以前，采用CAD对汽车结构布局进行设计，对整个车辆进行分析，选取适当的零部件以及材料，来实现车身轻量化。随着有限元技术的成熟和高速电子计算机技术的出现，使得车身骨架动态有限元分析和结构优化设计成为可能。静态分析以及动态分析主要用来查明车身应力分布和变形，分析模态和固有频率，检验车身结构合理性。基于有限元方法的车身结构的优化首先应建立车身结构有限元模型同时对车身各部件进行简化，计算工况，考虑到车身优化涉及的变量较多，可采用分段优化的方法，优化过程中容易收敛于局部最优解。最后进行优化分析以实现车身结构优化。车身结构优化后不仅可以减少材料，减轻自重，实现动力性和经济性的提升。

总结

本文主要针对优化设计在汽车行业的运用的部分内容作简单介绍，优化设计也在其他行业被广泛应用，随着时代的发展，优化设计也会更加的普及，同时也会给人们带来更多的便利，逐步改变人类生活，推动人类社会的发展。

参考文献

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[6] 蔡锋，张亮亮，刘旌扬，优化设计在汽车零部件轻量化中的应用，设计，计算，研究，2012.

作者简介

姓名：王兴凯，男，1995年3月，籍贯：辽宁省葫芦岛市绥中县，陕西省西安市，长安大学汽车学院，学校邮编：710021，研究方向，车辆工程。