李富强　王芳　张文静

摘要：为提升汽车的行驶性能，降低汽车自身质量，提出基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计方法。该方法以汽车轻量化意义的分析结果为基础，确定其轻量化原则；分析汽车设计变量的灵敏度，获取满足设计要求的变量参数；依据参数分析结果，构建基于CAE技术的汽车车身有限元仿真模型，分析设计参数的优劣性，并计算轻量化设计后汽车的自身刚度；构建车身轻量化优化目标函数，进行求解后获取最优的轻量化设计参数结果。测试结果显示：该方法应用效果良好，能够可靠实现汽车零部件轻量化设计，在保证安全性的前提下，降低汽车质量，完成最佳的汽车轻量化设计。

关键词：CAE技术；汽车零部件；轻量化设计；灵敏度；自身刚度

中图分类号：U465  收稿日期：2023-04-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2023.06.020

1 前言

汽车产业的不断发展，对于汽车的能耗、安全以及行车舒适性等方面的需求均明显提升，因此，汽车行业也提出汽车轻量化的概念[1]，依据此概念，可实现汽车的节能、环保等。汽车轻量化技术指的是利用现代设计技术，以满足汽车使用需求、行驶安全性以及节能的前提下，对汽车的结构的设计、汽车材料的选择、制造技术等方面进行优化调整[2]，使汽车自身的重量降低，从而提升汽车的动力性、实时性、操作性以及降低汽车能耗以及汽车制造成本[3]。在实际应用过程中，应用较为普遍的轻量化方法主要分为采用轻型材料、提高制造工艺等方式，无论采用哪种轻量化方案，均需以保证汽车安全为前提[4]。但是，在轻量化处理过程中，过于追求降低制造成本，对于材料选择和制造工艺提升的重视度相对较低，往往存在汽车轻量化后期刚度下降，导致汽车的安全性较低。

CAE技术属于一种分析技术，其是结合计算机技术和工程分析技术形成，该技术的理论基础是有限单元法；该方法能够有效完成工程问题中数值分析[5]。该技术在汽车设计领域汇中具有较好的应用效果，其可完成汽车在设计、研发、制造等各个环节中的计算和分析，其在汽车轻量化中的应用主要包含三个方面：a.汽车结构优化设计；b.汽车零部件微型化设计，即为零部件轻量化设计；c.轻量化系统集成。

本文为实现汽车零部件的轻量化设计，以CAE技术为核心，研究基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计方法，利用该技术的强大功能，分析汽车的刚度情况[6]，并依据分析结果进行汽车零部件轻量化目标函数的构建，以此可确保最佳的汽车零部件轻量化效果，以保证汽车安全、降低汽车整体质量的前提下，实现汽车轻量化，为汽车设计提供可靠依据。

2 汽车零部件轻量化设计

2.1 汽车轻量化的意义

2.2 汽车轻量化原则

汽车由多个系统组成，包含车身、底盘、发动机以及电器设备4个系统，4个系统中还包含若干个零部件，因此，汽车轻量化即为汽车零部件轻量化。在汽车零部件轻量化设计前，需先清楚掌握汽车自身的质量分布情况，为保证质量分布结果的可靠性，文中以白车身为例，其质量分布情况如表1所示。

结合表1可知：对于汽车整体质量占据比例较高的为车身、底盘以及发动机。因此，本文结合该结果，选择在汽车重量中占比最大的车身为例，进行其轻量化设计。

2.3 灵敏度分析

在进行汽车车身轻量化设计时，为保证汽车车身輕量化设计效果，本文以灵敏度分析结果作为车身设计变量的分析，依据灵敏度的大小，反应变量对于汽车性能的影响程度。因此，本文依据灵敏度的计算结果，获取满足汽车性能以及设计需求的最佳变量参数，以此确保汽车轻量化、降低汽车制作成本。

2.4 汽车车身刚度分析

2.4.1 基于CAE技术的汽车车身建模原理

CAE技术是求解复杂工程或者产品结构强度、刚度、屈曲稳定性等力学性能的一种数值分析方法，该技术的软件主体是有限元分析软件，有限元软件能够完成复杂产品结构的离散化，可通过有限单元完成复杂结构的表示，并且单元之间的连接通过节点完成，以变形协调条件为依据，进行复杂结构的综合求解，分析结构的物理和力学等性能，同时可进行结构的模拟和优化，因此，CAE技术也称为基于有限方法的CAE系统。

基于CAE技术的优势，本文采用该技术构建汽车车身的仿真模型，在现代汽车轻量化设计中，可通过该技术对汽车车身的整体振动情况、刚度情况、碰撞情况等进行模拟仿真，以此分析在轻量化设计下，汽车车身的相关性能。该方法的模型构建步骤如下所述。

a.物体离散化。

采用离散方式对汽车车身结构进行处理，通过单元进行结构的表示，以形成计算模型，离散后单元和单元之间的连接采用节点完成，并且完成节点数量、性质的设定，保证模型和实际车身的吻合程度。

b.单元特性分析。

该技术在应用过程中，对节点的位移进行确定，选择部分节点力和节点位移结果相结合，比能将其作为位置时量。以单元材料性质、形状、尺寸、节点数量、位置等数据，获取单元节点和节点位移之间关联性；在该过程中，主要是依据弹性力学中的几何和物理两种方程完成，以此得出单元刚度矩阵。

依据上述内容完成车身的离散化处理后，由于力的传递是由一个单元至另一个单元，对于汽车车身而言，是由单元的公共边界向另一个单元的传递。基于此，采用等效节点力表示单元上的全部作用力。

c.单元组集。

以结构力的平衡条件和边界条件为依据看，将所有的单元进行连接，且按照原始结构完成，以此形成有限元计算方程，其表达式为：

2.4.2 汽车车身有限元模型构建

利用上述CAE技术的步骤构建汽车车身有限元模型，该模型在模拟时，在有限元软件中定义汽车车身的材料为结构钢，并且模型中不同构建之间的连接采用Bonded 绑定完成，汽车车身有限元模型如图1所示。模型构建时汽车车身相关部件参数如表2所示。

2.4.3 汽车的自身刚度计算

汽车的自身刚度指的是车身在外力载荷的作用下，发生的抗弯扭变形能力，它是体现汽车安全性的重要指标，能够衡量汽车在正常行驶时的允许变形程度。汽车车身的刚度较差，将对汽车的行驶安全性直接造成影响。对图2构建的模型进行刚度计算，汽车在行驶过状态下，主要面临的工况为弯曲和扭转两种，因此弯曲刚度是用于衡量在上述工况下车身刚度的主要指标。确保汽车车身刚度的合理，可提升整个汽车的性能。

2.5 车身轻量化优化设计

依据上述模型的计算结果，文中为保证汽车车身的轻量化设计效果，定义汽车零部件优化设计变量[x′]，该变量包含车身质量M、总体K，将上述2个变量作为多目标优化函数。

3 实验结果分析

为验证本文方法的汽车零部件轻量化设计效果，以汽车车身为例，采用本文方法对其进行轻量化设计后，汽车的车身质量变化结果，如图2和表3所示。

依据图2和表3的分析结果可知：采用本文方法对汽车车身进行轻量化设计优化后，可显著降低汽车车身质量。轻量化设计前，整个汽车的车身呈现较大的重力分布；按本文方法对车身进行轻量化设计后，车身的重量分布显著降低，因此，本文方法具有汽车轻量化设计能力。本文方法轻量化设计后，汽车在不同工况下，轻量化设计前后车身的柔度结果均显著降低，表明本文方法能够在保证汽车安全的情况下，有效实现汽车轻量化设计，为汽车行业的发展提供相应依据。

4 结语

汽车轻量化设计对于降低汽车能耗、提升汽车经济化、舒适性以及行驶速度等具有重要意义。但是在进行汽车轻量化的同时，如何保证汽车的安全性不受影响，则是轻量化设计的核心。为确保汽车零部件轻量化设计效果，本文研究基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计方法，对该方法的设计效果进行分析，确定本文方法的应用效果较好，能够较好地完成汽车零部件轻量化设计，能够明显降低汽车质量和柔度结果，可保证汽车的安全性。

参考文献：

[1]曾孟军，敖克勇基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计[J]内燃机与配件，2022，3 49（1）：16-18

[2]GUAN Kaiyuan，WANG JunEnergy Absorption and Lightweight Design of Automobile Internal Safety Structure based on Software Analysis[J]Auto Time，2021，366（18）：110-113+122

[3]TANG Jing，SONG Chao，LIU Fuyun，et al Research on lightweight method of the cab of commercial vehicles based on sensitivity analysis[J]Journal of Machine Design，2021，38（11）：97-101

[4]梁春蘭，胡慧敏，孙秀倩汽车车门把手气辅成型工艺CAE优化研究[J]精密成形工程，2022，14（9）：131-135

[5]胡玉龙，郑栋，倪亮军，等基于CAE软件对汽车结构件的轻量化优化设计[J]汽车实用技术，2020，45（20）：67-69

[6]杨新超某商用车货柜轻量化仿真优化研究[J]汽车实用技术，2021，46（14）：120-122

[7]ZHOU Youming，CHENG Yiming，LI Jun，et alDesign and Lightweight of Heavy Truck Frame Based on Aluminum Alloy Material Application Mechanical Engineer[J]2021，359（5）：91-93+96

[8]胡锐基于ANSYS对某板簧组合支架进行轻量化设计[J]汽车实用技术，2021，46（4）：24-26

作者简介：

李富强，男，1983年生，工程师，研究方向为汽车行业管理、技术趋势分析、信息系统管理。

王芳（通讯作者），女，1991年生，工程师，研究方向为汽车行业政策研究、市场趋势分析。