基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法

考新桥

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法

考新桥

（德州学院汽车工程学院，山东 德州 253023）

随着社会的发展与进步，汽车已经成为人们生活中不可或缺的重要交通工具，其应用价值与社会价值是不可忽视的，但是随之而来能源消耗、环境污染问题等也变得愈发严峻。环保、能源高效利用、安全等已经成为现代社会发展的主题。为了满足三个主题的发展需求，必须对现代汽车产业进行优化，创新汽车设计模式，实现汽车的轻量化设计，提高石油资源高效利用的目的，符合现代社会节能减排的理念，是新时期汽车行业发展的趋势。为此，本文就基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法予以分析，旨在为后续汽车产业的发展提供技术借鉴。

近似模型；汽车；轻量化设计；方法

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.014

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）03-03-11-36-03

近些年，我国的汽车产业得到了全面的发展，销售额度逐渐上升，每家每户平均都有一辆私家车，私家车数量逐渐增多，不仅为交通系统带来负担，也衍生了环境污染、能源过渡消耗等多种问题，得不偿失。为了缓解当前机动车所引起的能源、环境等问题，以近似模型为前提，对汽车进行轻量化设计，及时改善汽车的性能，使汽车的重心下移，底盘降低，有利于增强汽车行驶时的性能，也会让驾驶者、乘客倍感舒适。与此同时，轻量化设计还可增强汽车的弹性功能，提升抗侧翻的能力，值得在汽车生产领域应用。

1、移动最小二乘近似模型下的汽车轻量化设计

现如今，汽车已经成为人们生活中的重要交通工具之一，且对汽车使用价值的要求很高，保证汽车性能的稳定性，提高汽车行驶的安全性是首要考虑的话题。影响汽车安全性的因素为变形吸能的零部件，如耐撞盒、前纵梁等。这些零部件在运行的过程中，会对汽车碰撞时的加速度或力构成很大的影响，可见，保证薄壁吸能部件的质量是关键，也是汽车开展轻量化设计的关键所在。仅仅依靠优化设计薄壁吸能零部件是不够的，还要深度研究汽车的高强度钢板在吸能上的特征表现。为此，以DP600高强度钢的吸能盒为对象[1]，将多种近似模型应用到研究中，发现其中最为有效的当属移动最小二乘近似模型，能及时获取大变形、非线性数据以及噪声等信息，该模型的应用取得了理想的效果，通过不断的探索与实践，将其应用到汽车的全车轻量化设计之中。

圆形吸能盒耐碰撞性的近似模型设计，应针对吸能盒耐撞问题进行研究，将多项式响应面近似模型、Kriging响应面近似模型以及移动最小二乘近似模型应用其中[2]，将DP600高强度钢的吸能盒作为研究与实验对象，该材料的具体信息如表1所示。

表1　钢种DP600的相关参数

通过研究与实验发现，对圆形吸能盒耐碰撞性采用这三种近似模型，针对吸能性能予以对比，其中，采用移动最小二乘近似模型时误差相对较小，主要是对随机位置点的评估值与真实值进行对比而得出的，运用该模型能及时解决在汽车设计中吸能盒耐撞性中关于高度非线性、大变形等问题，选择移动最小二乘近似模型最为适宜。若从碰撞力的角度来看，在比吸能的响应上来看，运用三种模型中的任何一个都能达到理想的效果，若选择多项式近似模型，其可大大节省成本。而在噪音处理上，选择移动最小二乘近似模型最为恰当。

表2　移动最小二乘近似模型响应面的精度

2、多学科设计近似模型下的汽车轻量化设计

在汽车设计之中，会存在着诸多的不确定因素，载荷情况、材料性质、零件的形状、外部环境等都是变量[3]，始终处在变化之中，会影响汽车轻量化设计的效果。由于汽车整个车身的零部件较多，若不注意就会出现严重磨损、变形、超载等情况，会影响汽车的性能。多学科设计优化简称为MOD，是从美国兴起的，被广泛的应用到航天领域、军事领域中。MOD算法主要包括多学科可行性、并行子空间以及协同优化算法[4]。

其中多学科可行性优化算法的模型为：

在本模型中，xd代表设计变量，输出变量为u（xd），以两个变量为条件，对f{x,u(x)}、g{x,u(x)}≤0,i =1,2,,n两个函数予以评估。

协同优化算法的模型为：

在此模型中，f(xs)属于系统性函数，其中xs为设计变量，xsij则是代表第j个系统时的设计变量，i代表第几个学科，而P则代表设计的主要参数。

图1　多学科设计优化模型图

汽车设计工作的开展，涉及的内容点较多，其是一项多学科设计的过程，提倡轻量化设计模式的应用，以达到环保、节能、安全的汽车设计与制造目标，积极响应现代社会的发展需求，将多学科设计优化模式应用其中是正确选择。

3、汽车耐撞性模型下的汽车轻量化设计

3.1汽车板材的选择

现如今，应用到汽车领域的材料在不断开发，诸多新型的汽车制造材料被挖掘出来，但是仍旧无法全面代替汽车制造过程中所需的钢材，因此，钢材仍旧是现代汽车车身设计的主要结构材料。高强度钢板的出现，能适度的减少汽车在钢材上的使用量，进而会减轻汽车本身的重量，实现汽车的轻量化设计，且材料成本较低，值得被应用到的汽车设计领域。CAE技术、数值优化技术的出现，能及时对车辆在碰撞上的安全系数、噪声与振动情况进行分析[5]，能通过各项数据的罗列，能在汽车设计中做到智能化选材。

为此，就汽车板材、耐撞吸能性进行分析，就板材的质量、特点等内容予以深度阐述。汽车板属于薄钢板，且很多零部件都是采取冲压的方式而成形的。盖板、车门属于车身的覆盖件，而内部的构件主要为支撑的筋板、梁等。一般情况下，汽车冲压板的尺寸较大，形状比较复杂，材料较薄，对整个部件表面要求很高，若部分区域遭受外力干扰极易发生变形，会对部件构成严重的威胁，最终形成废件。现如今，常见的汽车制造所需钢板有深冲钢板、高强度钢板、镀层钢板、超低碳超深冲钢板以及复合型钢板五种。其中，高强度钢板在汽车的轻量化设计中占据着优势。

3.2车体侧面碰撞优化设计模型

为了深度开展汽车的轻量化设计工作，本文选取了整辆车的侧面碰撞有限元模型来开展优化设计实验，如图2所示。

图2　整车侧面碰撞有限元模型

图3 选材的零部件

准备好仿真车后，应保证小车以55km/h的速度进行撞击，保证撞击在规定时间内完成。借助计算机系统对的碰撞有限元的相关数据与信息进行分析，选取车体的侧面为研究对象，如图3所示，进行数值优化设计，从中选择最优的材料匹配对象，旨在提升汽车侧面碰撞的安全性。通过研究与实践，最终获得侧面碰撞选材的数学模型：

在该模型的关系式中，xim表现零件，其属于一个变量，取值主要为几种钢种，而P1d、P2d、P3d则分别是P1、P2、P3渗透量的最大值，而P1v、P2v、P3v则为三个点的渗透速度。P1、P2、P3三点为模型响应测验时所选择的点，如图4所示。

图4　

4、总结

综上所述，基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法的应用，能为后续汽车产业的发展提供技术借鉴，能设计出更为优质的汽车制造方案，旨在满足现代社会对汽车这种交通工具环保、节能与安全的要求。将近似模型应用到汽车的轻量化设计中，以多项式响应面近似模型、移动最小二乘近似模型、Kriging近似模型等的应用为主，对汽车的轻量化设计提出了重要的保障。随着汽车设计与制造技术的不断革新，汽车轻量化设计取得了实质性的进度，可见，汽车轻量化设计前景广阔。

[1]马石磊,李方义,李剑峰,何洋. 基于稀疏网格的近似模型及其在轻量化设计中的应用[J]. 机械工程学报,2013,07:43-50.

[2]廖代辉,成艾国,钟志华. 基于变复杂度近似模型的汽车安全性和轻量化优化[J]. 中国机械工程,2013,15:2118-2121+2129.

[3]朱剑峰,林逸,史国宏,寇宏滨,姜欣,王水莹. 实验设计与近似模型结合下的副车架结构轻量化优化[J]. 汽车工程,2015,02:247-251.

[4]王国春,成艾国,顾纪超,宋凯,钟志华. 基于混合近似模型的汽车正面碰撞耐撞性优化设计[J]. 中国机械工程,2011,17:2136-2141.

[5]陈文波. 基于近似模型和优化算法的车门结构轻量化设计研究[J]. 机电产品开发与创新,2016,03:87-89.

Automobile lightweight optimization design method based on approximation model

Kao Xinqiao
（School of automotive engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023）

Along with society's development and progress, the car has become the indispensable important means of transport of people's lives, its application value and social value cannot be ignored, but the resulting energy consumption and environmental pollution has become increasingly serious. Environmental protection, energy efficient utilization, security has become the theme of the development of modern society. In order to meet the demand of the development of the three topics, must optimize the modern automobile industry, automobile design innovation model, realizes the auto lightweight design, improve the purpose of efficient utilization of petroleum resource, conforms to the concept of energy conservation and emissions reduction in modern society, is the trend of the development of the automobile industry in the new period. Therefore, in this paper, the auto lightweight optimization design method based on approximate model analysis, aims to provide technical reference for subsequent development of auto industry.

The approximate model; Car; Lightweight design; methods

U465 文献表示码：A

1671-7988（2016）03-03-11-36-03

考新桥（1994-），男，就读于德州学院，专业：交通运输。

指导教师：孟俊焕（1970-），女，副教授，就职于德州学院，研究方向：机械制造及自动化，从事机械新产品设计研究工作。