CAE技术在新能源汽车轻量化方面的研究与应用

陈磊

摘 要：随着社会的发展，节能环保逐渐成为各行各业生产运营过程中重点关注的内容。在汽车生产行业中，节能环保主要是依靠开发利用新能源，对汽车进行轻量化设计等方式来实现的。新能源汽车轻量化设计，可以有效减轻汽车自身的重量，提高汽车的动力性，减少燃料的消耗，改善大气环境。在本论文中，主要探讨CAE技术在新能源汽车轻量化方面的研究与应用，希望为我国新能源汽车的轻量化发展提供参考。

关键词：CAE 新能源汽车 轻量化

Research and Application of CAE Technology in the Lightweight of New Energy Vehicles

Chen Lei

Abstract：With the development of society， energy conservation and environmental protection have gradually become the focus of attention in the production and operation of various industries. In the automobile production industry， energy conservation and environmental protection are mainly achieved through the development and utilization of new energy sources and the lightweight design of automobiles. The lightweight design of new energy vehicles can effectively reduce the weight of the vehicle itself， improve the power of the vehicle， reduce fuel consumption， and improve the atmospheric environment. In this paper， we mainly discuss the research and application of CAE technology in the lightweight of new energy vehicles， hoping to provide references for the lightweight development of new energy vehicles in China.

Key words：CAE， new energy vehicles， lightweight

1 前言

2016年，我国汽车工程学会明确指出了，我国汽车生产企业要将新能源汽车的研发、生产作为未来发展方向，并提出了将轻量化技术应用于新能源汽车设计的必要性。新能源汽车，指的是采用非常规能源，如太阳能、电能等作为汽车动力的来源，同时采用先进的汽车生产技术，制造出具有新型结构、低排污、低能源消耗的汽车。在新能源汽车设计中，轻量化是一项非常重要的优化指标，实践表明，减轻汽车的重量，可以降低汽车能源的消耗[1]，因此，对新能源汽车进行轻量化设计，是节能减排的有效手段，是我国汽车生产企业进行新能源汽车设计、制造的重要方向。目前，对新能源汽车进行轻量化设计的方法主要有三种，一是采用轻量化材料，例如整车中增加高强度钢、铝合金以及复合材料的應用比例;二是采用轻量化结构，可以通过拓扑优化、尺寸优化、截面优化等技术对零部件结构进行优化，在满足性能的前提，尽可能地降低产品重量。三是采用轻量化车身框架，可以通过优化整车受力路径、构建环状结构、加强接头强度等技术对车身框架进行优化。在本论文中，主要结合CAE技术，对新能源汽车轻量化的方法进行探讨，具体内容如下：

2 CAE技术概述

2.1 CAE技术的含义

CAE（Computer Aided Engineering），即计算机辅助工程。CAE技术是在自然科学技术和计算机技术不断发展的基础上建立起来的，是将具体的自然学科与计算机技术相结合，将自然科学的理论知识和经验通过计算机语言描述出来，借助于计算机的高速处理能力，使人们能够在很短的时间内得到和处理大量的数据，拓展人们认识物质世界的能力，减轻人们的体力和脑力劳动。

CAE根据不同学科与计算机技术的结合有不同的分支。从广义来说，CAE包括计算机辅助设计（CAD）、计算机辅助创新（CAI）、计算机辅助分析（CAA）、计算机辅助优化（CAO）和计算机辅助制造（CAM）等。从狭义来说，CAE包括计算结构力学（FEA，有限元分析）、计算多体系统动力学（CMD）、计算流体动力学（CFD）等，人们通常所说的CAE实际上是狭义上的[1]。

2.2 CAE技术的应用范围

在汽车设计领域，CAE技术的应用范围比较广泛，包括构有限元分析、计算多体动力学分析、计算流体动力学分析等。

有限元分析利用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，用有限数量的未知量去逼近无线未知量的真实系统。它的基本思路：首先，将连续体离散成有限个互不重叠仅通过节点互相连接的子域（单元）的离散域，连续域的边界条件也转化为节点的边界条件;其次，在单元内选择合适的近似函数来分片逼近未知的求解函数[2]。通常结构有限元分析一方面可用于产品刚度、强度、疲劳寿命、屈曲应力、热应力、固有频率等方面性能评估。另一方面还可用于对产品结构形式的优化，例如拓扑优化、尺寸优化等。

多体系统是指由多个物体通过运动副连接的复杂机械系统。计算多体系统动力学是指用计算机数值手段来研究复杂机械系统的静力学分析、运动学分析以及控制系统分析的理论和方法。它极大地改变了传统机构动力学分析的面貌，使工程师从传统的手工计算中解放了出来，只需根据实际情况建立合适的模型，就可以由计算机自动求解，并可提供丰富的结果分析手段[3]。整车开发设计阶段，多体动力学分析可用于整车载荷提取、操控稳定性等性能评估。

计算流体动力学是近代流体力学，是数值数学和计算机结合的产物，是一门具有强大生命力的交叉科学。它是将流体力学的控制方程中积分、微分项近似地表示为离散地代数形式，使其为代数方程组，然后通过计算机求解这些离散的代数方程组，获得离散的时间/空间点上的数值解。可用于解决汽车整车产品研发过程中出现的以下问题：空气动力学、气动噪声问题;机舱热管理问题;空调系统及乘员热舒适性问题、电池单体放电过程发热问题、电池组冷却散热问题等。

3 CAE技术在新能源汽车轻量化设计方面的应用

在现代汽车工业中，CAE技术是汽车轻量化设计的重要手段。利用CAE技术，可以对汽车的零部件及整体结构进行优化处理，提高汽车的轻量化水平。在本论文中，将从车身轻量化设计、零部件轻量化设计、造型轻量化设计等方面，对新能源汽车的轻量化策略进行探讨，并在不同的优化内容中，讨论CAE技术的应用方法。

3.1 新能源汽车车身轻量化设计中CAE技术的应用

根据相关数据统计，目前我国已经投入使用的新能源车辆，如轿车、客车，及各种专用车，其车身的质量占整体质量的50%左右。因此，在新能源车辆轻量化设计方面，首先要利用CAE技术减轻车身的重量。车身的轻量化，一方面可以有效节约原材料，降低汽车生产成本，提高企业的经济效益，另一方面还降低了能源的消耗，减少了排污，提高了车辆的环保性。在具体实践方面，设计人员可以利用CAE技术中的有限元分析，对新能源车辆的车身、底盘、焊点位置等进行分析和研究，最大限度减轻车身的重量，同时有效提高车身的承载能力，及抗撞击、变形能力。还可以利用拓扑优化法，对车身的加强筋进行优化设计，在保持原定成本的基础上，有效提高车身的整体刚度[4]。

例如，设计人员在对电动轿车进行车身轻量化设计时，可以利用CAE技术，结合多工况、多状态变量条件，进行拓扑优化设计，以此为依据对车身结构进行调整，确定最佳的设计方案。在此基础上，建立新的有限元模型，并对车身的模态、刚度等进行分析，对车身进行改造，实现车身重量的优化。实践表明，进行拓扑优化后，车身的刚度比原有车身提高了一倍多。车身重量比原有车身减少了四分之一左右。且利用拓扑优化方法开发、设计的车身结构更加的安全，轻量化水平明显提升。

3.2 新能源汽车零部件轻量化设计中CAE技术的应用

汽车作为交通运输工具，在日常使用过程中，承受着来自不同路况的载荷作用。极限工况中，作用于零部件上的载荷称为极限工况载荷，极限工况载荷大小决定着零部件的使用寿命。在零部件设计过程中，如果设计载荷远大于极限工况载荷，会造成零部件尺寸过大、重量增加，原材料浪费，整车重量增加;如果设计载荷小于极限工况载荷，会造成零部件强度不足，后期会出现失效风险。零部件设计载荷大小的设定，直接决定着零部件轻量化设计水平。

例如，设计人员在对汽车副车架进行轻量化设计时，首先利用计算多体动力学商用软件ADAMS建立整车多体动力学分析模型，然后得到极限工况下副车架的极限工况载荷，最后对副车架进行强度校核和结构优化。这种设计方法，不仅使副车架能够满足强度性能，而且重量也最轻，大幅提升了副车架的轻量化设计水平[5]。

3.3 新能源汽车造型轻量化设计中CAE技术的应用

目前，世界各国都在大力发展新能源汽车，我国更是将其列入到七大战略性新兴产业之中，其中纯电动汽车更是未来汽车发展的主流方向。在纯电动汽车的大力推广中，续航能力成为人们选择电动汽车的重要考虑因素。降低新能源汽车的风阻系数，是提高新能源汽车续航能力的重要措施之一。理论上来说，风阻系数每降低0.01，续航里程可以比原来提升15-20公里。

例如，在汽车造型设计阶段，利用计算流体动力学商业软件FLUENT可以快速地分析出造型方案外流场的流动情况和车身附近湍流动能分布等细节，进而优化造型方案并得到较低的风阻系数[6]。低风阻系数，意味着在同样续航里程的前提下，可以设计更轻的电池包作为动力源，从而降低整车重量，提高整车轻量化水平。

4 结语

总的来说，CAE技术作为新能源汽车轻量化设计的重要技术手段，经过长期的研究和大量的实践应用，在理论研究方面已经比较完善成熟，在实践应用方面，已经有了很多成功案例。这项技术对于提高新能源汽车的轻量化水平，提升新能源汽车的稳定性、安全性、强度、刚度，减少能源消耗，提高动力经济性等方面都有非常积极的作用。

参考文献：

[1]李增刚等.Nastran快速入门与实例[M].北京：国防工业出版社，2007.

[2]史治宇.变分原理及有限元[M].北京：国防工业出版社，2016.

[3]陈峰华.ADAMS 2016 虚拟样机技术从入门到精通[M].北京：清华大学出版社，2017.

[4] 张建平，袁洋洋.CAE技术在汽车产品设计制造中的应用[J].消費导刊，2018（08）：331-332.

[5]毛显源.某SUV多体建模与副车架强度分析[D].上海师范大学，2013.4.

[6]彭昌明.基于CFD的电动汽车空气动力学仿真分析和优化研究[M].电子科技大学，2019.6.