CAE结构优化在汽车轻量化开发中的作用

李海三

摘要：随着汽车市场竞争的加剧以及对纯电动汽车续航里程需求不断提升，汽车轻量化越发受到整车企业的重视。汽车轻量化途径主要有材料及工艺轻量化和结构轻量化，其中结构轻量化主要是通过CAE方法对车辆结构进行优化设计。本文基于车型开发不同阶段，详细论述了CAE结构优化在车型轻量化开发过程中的作用。关键词：汽车轻量化;CAE结构优化;轻量化开发

中图分类号：U461

文献标识码：A

0 引言

随着消费者对新能源电动汽车续航里程要求的不断增加，汽车企业一方面通过增大动力电池容量来增加续航里程，另一方面通过对汽车进行轻量化设计来降低整车质量，提升续航里程。在动力电池储能技术进步有限的情况下，汽车轻量化被各大汽车企业高度重视，甚至要求在项目开发过程中，同步进行轻量化优化设计。

汽车轻量化主要有两大途径：一是使用轻量化材料及相应的制造工艺;二是通过对车辆结构进行优化設计。在车型开发过程中，车用轻量化材料的选取及相应成形工艺的确定，基本在项目定义初期或方案阶段之前开展。一旦材料及成形工艺初步明确，如何实现最优的结构设计将是汽车企业不断追求的目标。CAE结构优化可用于对零部件或系统结构进行全阶段详细优化，实现轻量化设计。常用的结构优化方法有拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。在实际项目中，通过结合使用不同结构优化方法，可使零部件达到用材少、质量轻和性能优的目的。

1 CAE结构优化在车型开发不同阶段的作用

轻量化设计是一个伴随整车开发流程的系统性和连续性开发工作。CAE结构优化可从前期项目定义之后，到样车试生产之前，对整车或系统进行合理的轻量化设计，此类结构优化工作在项目过程中越早开展轻量化作用越大。

1.1 车型开发概念设计阶段

在车型项目概念阶段，一旦整车基本尺寸如轴距、长、宽和高确定之后，CAE便可基于基础车型数据建立Morph变形块，对其进行适当变形，得到前期概念阶段新开发车型的车身模型，用于前期结构优化研究。在项目初期，新开发车型不可能有具体结构CAD数据。此阶段可首先重点对车型框架结构进行优化研究，以先主后次的优化设计理念，确保车型框架结构的最优设计。

CAE拓扑优化可从车型尺寸整体空间上识别出合理的框架路径，指导工程师在设计过程中，将材料分布到最需要加强的路径位置，提高材料利用率。比如某设计团队通过使用不同工程约束控制，对平台化车身架构进行多工况作用，寻找车身架构的最优载荷传递路径，为前期平台化车身架构的概念设计提供有力的参考[1]。某汽车品牌设计团队在车型开发前期，采用OptiStruct优化软件，基于弯曲扭转刚度、正面碰撞、后面碰撞和侧面碰撞多个工况，以柔度最小化为目标对白车身进行了拓扑优化研究，分别获取了各单个工况及综合工况下的车身结构传力路径，为后期结构设计提供最优的车架拓扑架构[2]。

CAE形状优化或尺寸优化可用来对前期概念车型结构进行详细优化研究，以快速指导车型结构数据设计。常用的形状优化方法有：基于SFECONCEPT软件对结构进行隐式参数化建模;基于morph变形对结构建立其包络变形体实现参数化建模，以及对详细结构模型建立其1D梁单元简化模型等，开展零件形状和尺寸大小参数化优化设计。某设计团队借助DEPMorpher软件，通过在车型有限元模型中对轴距和轮距加长与加宽以及造型面贴合等一系列网格变形、灵敏度分析和多目标优化[3]，在车身开发早期对白车身的截面尺寸以及板厚进行了研究，实现了概念阶段的轻量化效果。2012年，某设计团队在车身开发早期阶段，借助SFECONCEPT软件建立隐式白车身参数化模型[4]，通过多学科优化，找到白车身零件形状、尺寸、位置与厚度等参数之间最优匹配组合，并满足系统各项性能要求，实现白车身减重12.00kg。

传统CAE分析通常在车型详细结构CAD数据确定之后进行，更侧重性能验证与设计改进。通过在车型概念阶段引入CAE结构优化，结构可变更的空间会更大，难度相对较小。传统CAE分析模式在项目前期轻量化参与度较低，在项目后期因轻量化可改动的空间大大减少，导致责任和难度增大。改进后的CAE模式在项目前期参与度较高，尽早实现结构轻量化优化设计，可大大减少车型后期轻量化减重难度。

1.2 车型开发详细设计阶段

传统开发模式下，通常优先确保车型结构性能满足目标要求，轻量化工作会相对滞后开展。项目组或设计部门根据造型数据输入后，开始进行主断面和车型详细数据设计，主要是以参考竞品车或者标杆车的方式去设计。之后CAE部门开始对详细数据进行建模分析及改进优化，在车辆结构主要性能达标后，开始轻量化工作。传统开发模式下，由于没有进行先期结构优化工作，结构布置和空间尺寸等限制较大，导致结构可变动的空间有限，轻量化难度相对加大。

在车型轻量化开发模式下，由于前期概念阶段进行了大量的结构优化工作，此阶段车型路径结构即达到相对最优状态，不存在明显设计不合理现象，在整车基本关键性能达标前期下，轻量化工作可快速开展，工程师在相对充裕的时间内实现最大幅度减重。此阶段可重点通过CAE形状优化和尺寸优化等方法，对车型详细结构进行轻量化设计。某汽车品牌设计团队利用SFEConcept软件建立某轿车白车身的参数化模型，结合相对灵敏度分析确定白车身非安全件为设计变量，最终通过最优拉丁超立方方法、径向基神经网络和第二代非劣排序遗传算法，对白车身进行多目标优化设计。在白车身静态弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲模态固有频率及一阶扭转模态固有频率，在正碰安全性能基本不变的情况下，实现白车身减重24.17kg[5]。

在车型开发详细阶段，通常车型结构基本不会进行大的改变，例如对车身传力路径上的结构组成进行变更。此阶段，可通过CAE形状优化和尺寸优化等具体结构优化方法，对整车进行全局轻量化减重，达到零件结构形状、厚度和性能最优匹配，避免传统依靠人为主观经验设定轻量化方案法所产生的盲目与矛盾。

1.3 车型开发样车测试阶段

车型开发过程中，整车性能目前还无法达到只通过CAE仿真即可确保满足目标要求。通过对样车进行物理试验，可真实反映车辆结构中具体存在的问题，进而指导CAE更准确地对车辆进行优化设计。

通常在此阶段，针对暴露出的结构问题，设计工程师及仿真工程师将结合具体问题对结构进行一定的改进，例如增加结构小件、增加连接或加大零件尺寸等，其中多数情况下，改进方案会带来系统质量或成本的增加。在此情况下，通过借助CAE形状优化、尺寸优化以及形貌优化等结构优化方法，可最大程度实现方案在满足性能的基础上，达到质量和成本最小化。某汽车品牌设计团队针对某款SUV车型工装样车，在试验场可靠性道路试验中出现的摆臂结构开裂问题，应用HyperMorph和HyperStudy优化模块，对初步改进后的几何结构进行智能优化，找到最佳的结构几何尺寸，快速有效地解决工程验证中出现的实际问题，降低了后期问题整改的验证成本和周期[6]。某汽车品牌设计团队针对某型号汽车发动机舱盖耐久开裂问题，建立了发动机舱盖耐久的有限元模型，对开裂问题进行了焊点数量与位置优化分析，最终实车通过强度耐久试验，满足设计要求[7]。

2 结束语

汽车设计开发过程中，考虑到车型平台定义等因素，零件选材及相应的生产工艺在项目初期通常已基本确定，尤其是车身结构件。因此，在車型项目轻量化设计过程中，CAE结构优化起到重要作用。在当前汽车平台化和模块化开发趋势下，结构优化也是最终决定汽车轻量化水平的唯一途径。

【参考文献】

[1]赵永宏.袁焕泉，陈东，等.平台化车身架构拓扑优化方法研究[J].汽车仿真与测试，2018，4：83-87.

[2]张继游.基于OptiStruct的白车身拓扑优化研究[C].Altair2012技术大会论文集，2012.

[3]史国宏，陈勇，杨雨泽，等.白车身多学科轻量化优化设计应用[J].机械工程学报，2012，48（8）：110-114.

[4]陈东，姜叶洁，张琪.车身概念阶段轻量化设计[J].设计研究，2018，17：159-162.

[5]王传青，马亮，董传林.参数化白车身结构轻量化多目标优化[J].计算机辅助工程，2018，27（1）：15-21.

[6]李芹英.某SUV车型工装样车摆臂结构开裂问题优化分析[C].Altair2012技术大会论文集，2012.

[7]陆志成.HyperWorks在某车机罩耐久开裂分析中应用[C].Altair2015技术大会论文集，2015.