基于结构优化的汽车轻量化方法探索

陈文斐

基于结构优化的汽车轻量化方法探索

陈文斐

（陕西汽车控股集团有限公司技术中心，陕西 西安 710200）

文章以CAE结构优化技术的应用为基础，对汽车轻量化设计、分析方法进行客观的阐述和理性的分析，研究得出较为合理有效的技术方法、工作流程。为了轻量化工作的开展更具科学性、合理性，创新提出一种轻量化目标可行性评估方法，配合设计流程改进，在新车型开发的重量指标控制、成熟车型的轻量化改进工作中具有一定应用价值。

轻量化；结构优化；方法流程

前言

轻量化对于汽车产品的作用和重要性不言而喻，其实现的主要途径为结构优化、轻量化材料和先进制造工艺等技术的运用，在同等条件下，结构优化是实现轻量化最快捷、最经济的手段。本文主要从结构优化本质意义出发，结合汽车产品开发的特点，思考目前存在的问题和不足，分析问题产生的原因，并积极探索在正向产品研发活动中，如何使产品结构优化得以发展，为企业的生产经营创造更大的价值的路径。力求通过客观的阐述和理性的分析，研究得出对汽车产品结构优化分析与设计较为合理和有效的技术方法、工作流程。同时，结合实际产品研发工作的开展，加以应用、验证和改进，使研究成果更加具有应用价值。

1 汽车轻量化的背景

1.1 节能减排的发展主旋律

回顾汽年轻量化的发展历史，导致汽午轻量化技术发展的最初动力来自上世纪70年代爆发的全球石油危机，世界铝业协会的报告明确指出重量和燃油消耗的关系，如图1所示。当前，能源和环境问题更为严峻，而汽车的作用备受瞩目，解决燃油经济性和排放问题主要采用以下三种方式：一是大力发展新能源汽车，减少对石油资源的依赖；二是大力发展先进发动机技术；三是大力发展汽车轻量化技术，节能减排。

图1 汽车质量和定速燃油消耗的关系

1.2 法规政策的驱动与用户市场的需求

自“十一五”以来各项利于车辆轻量化发展政策陆续出台，如治理超载、实施计重收费、燃油附加税改革、《公路安全保护条例》等，成为推动车辆轻量化发展的有力推手。

现阶段，国家战略与法规提出更高要求：2018年1月1日起，国五排放标准在全国范围全面实施；四阶段油耗法规对商用车油耗提出更严苛要求；GB1589-2016《汽车、挂车及汽车列车外廓尺寸、轴荷及质量限值》最新国标实施，都是汽车轻量化强有力的外部驱动力。

同时，用户希望汽车有更高的载质量利用系数，从而获得更多运营收益，这便是用户市场对汽车轻量化需求的内在因素。

2 轻量化技术

2.1 汽车轻量化技术

汽车产品轻量化实现的主要途径有结构优化、轻量化材料和先进制造工艺，如图2所示。在同等制造流程，不增加额外投入状态下，结构优化是实现轻量化最有效手段，本文将主要讲述结构优化相关方法和流程。

图2 汽车轻量化技术方法分类

2.2 结构优化基本方法

结构优化包含三要素，即设计变量、约束条件和目标函数。设计变量是可以进行调整的设计参数，通过其改变影响产品相关性能变化；约束条件是对设计变量的限制，体现了对设计变量范围和性能指标等要求；目标函数是对设计性能最优的要求，是关于设计变量的函数。优化数学模型可表达为：

极限化：()=f（1，2，…，x）

约束：()≤0=1，…，

h()≤0=1，…，m

其中，=（1，2，…，x）是设计变量，如产品的结构尺寸、形状等；()是设计目标，如各力学性能、重量等；()和h()是在求解中需要满足的约束条件，是关于设计变量的响应，如对结构变形、应力约束等。

通过结构优化设计能够确定最优的结构形式，合理发挥材料性能，除去零部件的冗余，从而减轻构件重量。同时，产品设计中也可应用模块化、集成化理念，尽量减少零件数量，实现产品轻量化。

结构优化应以产品功能、性能驱动，确定目标，找出优化方向，识别设计变量、约束条件和优化目标，通过优化分析和设计获得最佳方案。结构优化在产品设计阶段已广泛应用，基本步骤如下：

（1）建立仿真模型，模拟产品使用工况；

（2）定义优化问题（选取设计变量，建立目标函数，确定约束条件）；

（3）优化计算，求解目标函数，得到可行方案；

（4）结合工程应用要求综合分析，确定最优的新方案，进行细化设计；

（5）对新方案进行分析验证，确保满足相应性能要求。

3 轻量化可行性分析及实施

轻量化是系统性工作，要实现轻量化，需要从产品开发策划阶段就开始着手，确定合理的整车重量目标，并按系统、总成逐级分解重量指标，直至零件级。在产品开发过程中，方案设计严格按重量指标进行控制，产品试验还应着重考虑轻量化零件的验证。具体可分为三个阶段的工作：

（1）前期产品开发策划阶段以整车视角统筹轻量化工作，进行目标确定。

（2）设计阶段进行合理的轻量化可行性评估，完成指标分解，建立整车重量规划表，指引轻量化设计、分析。

（3）试制试验阶段重点关注轻量化设计的零部件的可靠性验证。积累轻量化数据和经验，改进优化，循环提升。

3.1 轻量化目标可行性评估

轻量化目标的确定是开展工作的基础，目前并没有系统性的理论、标准能够对目标确定给出准确的指导。通常情况下，轻量化目标可以采用对标分析法进行确定，但在结构差异较大时，对比参照就会出现不适应性。为了解决上述问题，本文借鉴FMEA理论提出一种轻量化可行性评估方法，支持轻量化目标确定及指标分解工作。本方法定义了轻量化空间R（Room）、失效严重度S（Serious）、实现难度D（Difficulty）三个维度，采用优先排序法对目标进行可行性评价，具体内容如下：

（1）轻量化空间（R）：表示零部件可降重空间大小的数值，采用降重百分比额度对应表示1～10个级别，降重越大级别越高。

表1 轻量化空间因子表（R）

（2）失效严重度（S）：表示与所给失效模式的最严重后果的等级值。分1～10级别表示，后果越轻微级别越高，严重度4级以下应谨慎考虑。

表2 失效严重度因子表（S）

表3 实现难度因子表（D）

（3）实现难度（C）：表示轻量化实现难易程度的值，分1～10级别表示，难度越小级别越高，需综合考虑分析设计、制造、验证、成本等因素。

采用优先排序的方法进行评价，轻量化可行性评估（Light weight Feasibility Assessment）关系式定义为：

LFA= R×S×D （1）

由上式可得，LFA评估值将出现在1～1000区间内，通过设定基准值进行可行性评估，即LFA计算值大于基准值的表示具备轻量化可行性，数值越高代表可行性越高，与目标符合性越好，小于基准值的表示暂无轻量化可行性。通常LFA基准值范围应在80～120，建议为100，不同企业可根据产品数据及设计目标进行适当调整。例如A、B两个轻量化指标项，设定LFA基准值为100，则可行性评估如表4：

表4 轻量化可行性评估表

项目A的轻量化可行性评估LFA值80＜100，不必采取措施；项目B的轻量化可行性评估LFA值140＞100，建议采取相应轻量化措施。

3.2 结构优化技术路线

通常轻量化设计可从结构优化和轻量化材料相结合的思路着手，收效更高。根据产品结构特点，建议主要采取技术路线如表5：

表5 结构优化技术路线表

4 设计流程改进

结构优化贯穿于产品研发全过程，重点在方案设计和详细设计阶段，本文根据优化设计工作要求对常规CAE分析验证流程进一步改进，如图4。新的改进提高了流程应用价值，对产品研发中的结构优化工作具有普遍参考价值。

流程图说明：此流程作为一个环节融入产品设计阶段的CAE分析流程之中，介于“计算结果”与“CAE分析结果输出”之间，其重点内容包括：

（1）是否需优化：由CAE工程师根据仿真计算结果与评价指标要求进行分析，并与设计工程师讨论确定优化目标。

（2）是否有明确的优化目标：应由设计工程师结合设计目标、对标数据或经验，综合分析确定。优化目标及相应参数若能够明确，则进行优化分析；若暂不明确，则可采用上述轻量化可行性评估，确定相应信息。

图4 汽车产品结构优化工作流程图

（3）重构设计、验证分析：优化分析完成后，需对零件进行重构设计，并进行CAE验证分析，直至方案验证合格。

5 结语

基于CAE技术的结构优化设计，首先在航空工业中得到重视和应用，后又逐渐推广到建筑、机械制造等领域。实践工作证明，基于CAE技术的产品结构优化能够对轻量化目标实现、产品经济效益提升发挥积极的推动作用。

本文提出一种轻量化目标可行性评估方法，配合设计流程改进，在新车型开发的重量指标控制、成熟车型的轻量化改进工作中具有一定应用价值。轻量化工作还需进一步深入，后续努力的方向是基于多学科融合，增加结构优化技术研究深度、扩大应用范围，从而提升汽车轻量化设计能力。

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Exploration of Automobile Lightweight Method Based on Structural Optimization

Chen Wenfei

（Shaanxi Automobile Holding Group Co., Ltd., Technology Center, Shaanxi Xi'an 710200）

Based on the application of CAE structure optimization technology, this paper objectively expounds and rationally analyses the lightweight design and analysis methods of automobiles, and obtains more reasonable and effective technical methods and work flow. In order to carryout lightweight work more scientifically and rationally,a feasible evaluation method of lightweight objective is proposed.With the improvement of design process,it has certain application value in the weight index control of new vehicle development and the lightweight improvement of mature vehicle types.

Lightweight; Structural optimization; Method Flow

U465

A

1671-7988(2019)24-135-04

U465

A

1671-7988(2019)24-135-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.24.044

陈文斐，就职于陕西汽车控股集团有限公司技术中心，主要方向：汽车结构仿真与优化。