基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计研究

刘同舟

(林口县交通运输综合行政执法大队，黑龙江 林口 157600)

1 国内汽车零部件轻量化设计现状

当前，在国内汽车轻量化主要有两大实现途径：(1)在汽车零部件轻量化设计中采用轻量化材料，比如高强度钢材，铝合金等强度较高、重量较轻的材料；(2)采用CAE技术优化汽车零部件设计结构，使汽车零部件中空化、薄壁化、复合化、小型化，并在汽车零部件的结构和工艺等方面进一步改进，以最大限度地减轻汽车零部件的质量。相关研究证实：轻量化材料和CAE技术这两种汽车轻量化实现途径是相辅相成的，在汽车零部件轻量化设计中需采用材料替换和技术改进相结合的方式，这样才可确保汽车在不影响整体性能和质量的前提下，以最大限度减轻汽车各零部件质量。与传统汽车轻量化设计方式相比，CAE技术在实现汽车轻量化方面具有不可比拟的优越性。

2 CAE技术概述

CAE技术(计算机辅助工程技术)是由计算机技术和工程分析技术相结合而形成的一种新兴技术，其理论基础是有限元法和数值分析法。有限元法是将数值连续的求解区域分散为按一定方式连结在一起的有限个单元组合体，可用于求解几何形状复杂的数值；数值分析法是一种较为有效的计算机数值计算方法，具有理论可靠、实际可行和计算复杂性好等优点，数值分析近年来迅速发展已成为数学领域中一门独立课程。

CAE技术按目标可分为静态分析、动态分析、优化分析和可靠性分析；按研究对象的物理属性可分为静力计算、动力计算、疲劳计算、运功计算、流体分析、塑性分析和热分析等。CAE软件将有限元法、数值分析、图像处理、优化设计、工程管理学和人机智能工程等多种技术集为一体，是一种综合性、知识密集型信息计算软件。

3 CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的应用

在国内汽车产业中，运用CAE技术，结合有限元法和结构优化法对汽车零部件进行精简，进而实现汽车零部件轻量化设计，笔者从汽车车身结构、汽车车架结构和汽车发动机零部件这3方面研究CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的具体应用。

3.1 汽车车身结构轻量化设计

在节约能源和环境保护方面，汽车车身结构的轻量化设计尤为重要。据相关数据统计，一般情况下汽车的车身重量在整车自重中所占比例为45%～50%，减轻汽车车身重量，既可节约材料，降低生产成本，又可降低耗油量，减少环境污染，且符合我国一直倡导的绿色环保可持续发展的理念。CAE技术通过拓扑方式优化汽车车身，提升汽车各种参数指标，在采用CAE技术对汽车车身结构轻量化后，车身重量降低为原有的80%，性能提高到原有的1.5倍。汽车设计工程师从有限元拓扑技术入手，在汽车车身结构初始划分阶段进行CAE技术设计，将拓扑所得结果作为进行汽车零部件轻量化设计的依据，进而设计出更为安全有效的汽车车身轻量化结构。

3.2 汽车车架结构轻量化设计

汽车车架是汽车结构中最为关键的构成要素，也是汽车消费者关注和汽车设计专家分析和优化的重点对象，随着CAE技术在汽车产业的应用，拓扑优化技术不断完善，并成为汽车车架结构轻量化设计的有效方式，且常见的NASTRAN和ANSYS等有限元分析软件均可实现拓扑功能，已被逐步应用到部分汽车车架的轻量化设计中。据相关汽车设计技术报告显示：在汽车车架轻量化设计中，CAE技术已被应用到基本设计、详细设计和概念设计等过程中，着重分析拓扑优化技术在汽车概念设计初始阶段的应用，并提升其在汽车车架结构轻量化设计中的实用性。在实际设计操作中，根据最优拓扑式的分析结果明确使用衡量数量及不同位置的纵梁加强模式，真正将汽车车架轻量化落到实处。当然，也可采用构建拓扑优化模型进行车架结构轻量化设计，采用CAE技术在ANSYS有限元分析软件进行二次开发，进而实现汽车集装箱和半挂车架的优化。

3.3 汽车发动机零部件轻量化设计

发动机是汽车正常行驶的主要动力来源，随着我国汽车类型的不断涌现，广大汽车消费者对汽车发动机的性能要求也逐渐提高。研究表明：发动机是汽车自身重量的重要组成部分，在满足其高效率、高可靠性的前提下，尽量缩小汽车发动机的体积， 减轻发动机的重量， 最大限度地降低汽车自身总重量。采用CAE技术，在发动机刚度恒定的情况下，可有效减轻其自身重量。目前常见的拓扑优化模式是对发动机主轴承盖及连杆盖采用优化措施，且取得良好效果。一些汽车设计公司采用CAE技术拓扑软件设计汽车发动机零部件，既提升自振频率，又减轻发动机自身重量，比如一汽集团，在设计新型发动机时，采用CAE技术拓扑软件全面优化发动机支架，在自身重量降低10%的结果下，恒定最大定力，有效提升刚度。此外，一些汽车设计专家借助材料替换和结构改造的方式，轻量化设计发动机罩内和发动机外板，既减轻其自身重量，也同时解决发动机罩内断裂问题。

在汽车零部件轻量化设计中，采用CAE技术全面优化，增强其初始结构方案的合理性，通过各种参数优化及优化设计模式，进而获得刚度及设计要求的最优结构，是我国汽车产业稳步健康可持续发展的必然趋势。当前，国内很多汽车设计公司都在进一步研究如何采用CAE技术最大限度实现汽车零部件轻量化设计。基于CAE技术的轻量化设计是以基础理论、工程设计、实践论证、工厂制造和回收利用等为基础内容的汽车产业重要课题之一，必将经历一个不断探索的过程，持续提高我国汽车产业的轻量化设计水平，同时为国内的能源节约和环境保护作出一定的贡献。