基于CAE技術的汽車零部件輕量化設計

曾孟軍 敖克勇

摘要： 汽車行業要保證可持續發展，就要應用節能減排措施，提高汽車運行的穩定性與環保性，以此來確保我國的生態環境能夠得到有效保障。而CAE技術是信息技術的產物，能夠有效滿足汽車行業在節能減排方面的需求，通過對汽車的零部件開展輕量化處理，既能夠有效降低企業的經濟成本，又能夠降低車輛油耗，緩解環境所面臨的污染壓力。正因如此，本文以CAE技術為基礎，對如何開展汽車零部件輕量化設計的內容與措施進行相應的論述與分析。

Abstract： In order to ensure the sustainable development of the automobile industry， it is necessary to apply energy-saving and emission reduction measures to improve the stability and environmental protection of automobile operation， so as to ensure the effective protection of China's ecological environment. CAE technology is the product of information technology， which can effectively meet the needs of the automotive industry in energy conservation and emission reduction. Through lightweight treatment of automotive parts， it can not only effectively reduce the economic cost of enterprises， but also reduce vehicle fuel consumption and alleviate the pollution pressure faced by the environment. Therefore， based on CAE technology， this paper discusses and analyzes the contents and measures of how to carry out lightweight design of auto parts.

關鍵詞： CAE技術;汽車行業;零部件生產;輕量化設計

Key words： CAE technology;automobile industry;parts production;lightweight design

中圖分類號：U472.43 ? ? ? ? ? ? ? ? ?   ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文章編號：1674-957X（2022）01-0016-03

0 ?引言

在21世紀的今天，隨著我國社會的不斷發展，人們對于能源的需求也隨之提升，為了緩解社會需求與生態環境之間的矛盾，輕量化的技術需求隨之出現。就目前來看，我國汽車行業在進行日常運營的過程中，通常會面臨有關能源消耗以及安全性的需求，通過對輕量化技術的應用，不但能夠滿足我國所提出的環保需求，同時還能夠達成節能減排的最終目的，以此來確保汽車行業的發展不受影響。與其他技術相比，汽車輕量化技術本身是以新時代手段為基礎，在確保汽車自身的性能、質量以及安全性不受影響的前提下進行成本的有效控制，以此來確保車輛的可操作性與環保性能夠隨之得到有效提升。

1 ?汽車輕量化的意義

通常情況下，當車輛處于行駛狀態時，需要對不同類型的阻力進行克服，比如說空氣所帶來的阻力影響，加速時所產生的各類阻力，在進行上坡時所產生的阻力以及輪胎滾動時相關的阻力內容，所遵循的公式如下所示：

F行=F演+F空+F坡+F加速

從本質上來講，當車輛行駛時，自身的質量并不會與空氣阻力產生較為明顯的關系，而其他類型的阻力都會受到質量的影響，二者之間呈現為正比的數量關系，也就是說，車輛的整體質量數值越大，在行駛過程中所要承擔的阻力數值也就隨之提升，在這一背景下，車輛發動機所產生的動能便無法得到有效應用。正因如此，通過開展汽車輕量化的工作，不但能夠有效降低車輛的質量數值，減小在行駛過程中所產生的阻力情況，同時還能夠確保能源消耗自身的經濟性與有效性不會受到外界影響，能夠極大程度上滿足我國節能減排方面所提出的要求[1]。

從駕駛角度來看，當車輛處于正常運行的過程中，自身的質量數值越小，在進行加速的過程中所產生的效果也就更為明顯，不但能夠有效提高車輛的最大車速，同時還能夠確保車輛自身的穩定性與操作性能夠因此得到有效提升。同時，完成輕量化后，車輛的噪音程度也會隨之下降，即便是在進行碰撞的過程中，所產生的作用力也會隨之下降，確保國民的生命健康安全能夠得到有效保障。

2 ?汽車零部件輕量化的主要途徑

想要實現汽車車輛的輕量化，就要從不同角度進行內容上的調整，通過開展零部件結構的輕量化工作來降低車輛的實際質量，以此來滿足我國節能減排的政策需求，詳細情況如下所示：

2.1 采用輕型材料

在開展輕量化工作的過程中，主要是對材料內容進行深入地研究與開發，以此來確保汽車的實際質量能夠得到有效控制，在這一過程中，相關人員需要結合實際情況進行材料方面的調整與應用，盡可能確保所選用的代替材料能夠滿足車輛的安全性能需求，并在正常運行過程中不會產生任何故障問題。隨著研究學者與技術人員的共同研發，發現鎂合金與高強度性能的鋼物質能夠有效提高車輛的安全性與穩定性，可以用來進行傳統材料的代替工作，同時，還可以利用以塑料為基礎所研發的復合材料，并做好相應的替換工作，以此來確保車輛的運行質量能夠得到有效保障[2]。

2.1.1 鎂、鋁合金材料

從物理性質上來講，無論是鎂合金還是鋁合金本身在密度上都相對要低，與傳統的鋼鐵材料相比，鋁合金所具備的密度只有三分之一，而密度之間所產生的差距會導致在進行使用的過程中，車輛的整體質量也會發生改變。在傳統的制車工藝中，之所以會選用優質鋼，則是因為其本身的特性質量能夠滿足相關標準，并且在短時間內很難找到能夠與之相仿的材料，時至今日，鋁合金的出現改變了這一現狀，無論是在抗震性還是整體性能上，鋁合金都能夠滿足車輛安裝需求，甚至在強度比上還要遠遠超過鋼材本身的質量，能夠極大程度上滿足我國社會對于車輛輕量化的需求[3]。就目前來看，在開展鋁合金工作的工程中，所涉及的材料內容種類較多，而車輛安裝中主要是以鑄鋁為基礎，這類材料本身的力學性能相對較強，能夠滿足車輛的正常運行需求，從而避免后續工作受到不利影響。而鎂合金的出現，則是在散熱性與吸震性上給予車輛足夠的保障，同時也可以作為鋼材的替代材料進行應用。

2.1.2 高強度鋼

在進行鋼鐵材料施工作業的過程中，鋼原料可以說是極為重要的，當鋼材料自身的強度提升后，便能夠極大程度上滿足我國汽車輕量化的需求。在進行實際安裝的過程中，主要是根據不同情況對高強度鋼進行分類處理，比如說，倘若以強化機理來進行分類處理，那么可以將其分為對析出功能進行強化、對組織功能進行強化、對固溶功能進行強化、對細晶進行強化，以及通過烘烤能夠提高自身硬化的能力[4]。而在實際強度上，也可以將其分為高強度以及超高強度這兩種，不同強度的鋼結構在應用方面會產生一定程度的差異性。在進行冶金學特征分類的過程中，則可以將其分為普通與先進兩大內容，在進行實際操作的過程中，相關人員會利用相變的原理來提高鋼結構的整體強度，與傳統的鋼結構相比，這種材料在屈服強度上具有更為明顯的優勢，同時在成本支出、各類性能的穩定性方面也會帶來積極有效的作用，因而能夠滿足我國在汽車輕量化方面所提出的要求與內容。

2.1.3 塑料和復合材料

對于汽車零部件的制造與生產而言，所選用的材料無非就是金屬與非金屬兩種，金屬是上述所提到的鋼與合金材料，而非金屬材料中應用范圍最廣泛的便是塑料，在開展分類的過程中，通?？梢詫⑵浞譃閺秃闲偷乃芰蟽热?、高分子性較強的塑料材料、由塑料所構成的合金材料以及生物納米材料，這些都是車輛生產過程中所選用的重要內容，關系到整個車輛的運行質量。在進行實際操作的過程中，通過對塑料與復合材料的應用，能夠極大程度上提高材料本身的力學性能，并且在成本支出上也相對較低，不但能夠滿足車輛運行需求，同時還能夠對我國汽車行業的發展帶來積極有效的影響。

2.2 采用先進的制造工藝

2.2.1 激光焊接

在21世紀的今天，激光焊接技術可以說是我國較為先進的制造工藝之一，其本身有著極高的商業價值與市場影響力，并對我國汽車領域的發展帶來了積極有效的影響。與其他焊接技術相比，激光焊接本身在工作效率上相對較高，在進行焊縫的過程中，相應的深寬比能夠滿足我國相關標準，進行熱輸入工作時所產生的影響相對較小，能夠有效避免發生焊接變形的情況。無論是零部件還是車輛本體方面的內容，激光焊接已然成為當今我國汽車行業生產過程中不可忽視的重要存在，其本質主要是利用對板材開展激光拼焊，通過相應的手段來將具有差異性的板材進行整合處理，這些板材在強度以及性能方面都會產生較為明顯的差別，在進行實際操作的過程中，通過對該技術的應用，能夠極大程度上提高鋼板本身的整體性能，在減輕車輛質量的同時，不會對其自身的安全性與穩定性造成不利影響。

2.2.2 液壓成形

成形工藝可以說是車輛管理過程中不可缺少的重要內容，早些年，我國所選用的成形工藝無論是成果強度還是精度上都相對粗糙，無法達到國際層面的標準，隨著我國科學技術水平的不斷提升，液壓成形工藝已然成為新時代發展的標準內容，通過對該技術的應用，不但能夠有效提高液壓成形零件的整體強度與剛性，在回彈性上也能夠得到有效保障，提高精度的同時還能夠確保零件的表面質量符合相關標準，這樣既可以緩解能源方面的壓力，同時還能夠對降低成本帶來積極有效的影響。正因如此，通過對液壓成形技術的應用，能夠極大程度上提高車輛自身的穩定性與安全性，對于汽車行業的生產效率與經濟利益發展也會產生積極有效的影響。

2.2.3 高強度鋼熱成型

作為工業領域的新時代產物，高強度鋼熱成型技術本身能夠有效提高材料的動力性能與溫度抗性，以此來滿足不同程度的安裝需求。在此之前，汽車領域常用的加工方式就是冷成型加工，這種加工方式不但在效果上無法達到相關標準，所需要花費的成本支出也相對較高，與之相比，高強度鋼熱成型技術本身具有極高的施工特點，在進行實際操作的過程中，會在響應的板件上產生一個具有實時變化特性的溫度場，這種溫度場會作用到整個加工成型工藝，并對所要加工的板材組織結構以及力學特性進行相應的優化處理，這樣不但能夠對應力場加以改變，同時還能夠實現應力場的反作用工作，以此來滿足溫度場的工作需求，由此可見，熱成型工藝所涉及的主要內容就是通過溫度場與應力場兩部分的有效處理，既要確保二者共存聯系，同時還要相互作用，以此來達成相應的加工標準。由于高強度鋼熱成型技術本身是一項具有綜合性的系統內容，因而會涉及不同領域方面的知識，比如說電力控制、機械加工以及化工技術，能夠有效實現汽車輕量化的應用標準，對于我國汽車領域的發展能夠帶來積極有效的影響。

3 ?CAE技術在汽車零部件輕量化設計中的應用

3.1 CAE技術現狀及發展趨勢

3.1.1 與CAD軟件的無縫集成

CAE技術的應用是以CAD軟件為聯動系統而開展的，在進行技術應用的過程中，先要通過CAD來開展有關車輛零部件內容的造型設計工作，之后再將相應的數據資料進行CAE系統的傳輸，并以此為基礎開展相應的分析工作，倘若最終所獲得數據成果無法滿足相關標準或者設計需求，便要及時進行相應反饋，由相關內熱源重新開展相應的內容設計工作，進行二次流程的循環作業，以此來確保零部件的設計質量能夠達到預期標準，車輛的性能與質量由此得到有效提升。

3.1.2 更為強大的網格處理能力

與傳統的設計軟件相比，CAE技術在網格處理能力上具有更為明顯的優勢，在開展問題求解的過程中，先要對所要開展分析工作的對象進行離散化處理，并采用有限元法完成對結果的計算，并根據所獲得的結果內容進行最終處理。隨著我國社會在網格處理方面的投入不斷提高，有關網格生成的技術也越發成熟，無論是質量還是效率也因此得到有效提高，汽車行業在進行網格處理的過程中，可以通過CAE技術來開展相關工作，既能夠縮短求解時間，同時還能夠確保最終所獲的結果具有極高的精準性與準確性。

3.1.3 由求解線性問題發展到求解非線性問題

線性理論的存在一直都是設計工作的重要內容，只是在21世紀的今天，單一性的線性理論已然無法達到相應的工作需要，在進行線性理論分析的過程中，經常會出現無法處理問題的情況，這種理論內容很難加速工程方面的內容處理，因而需要選用非線性的手段方式進行內容分析，以此來確保后續工作能夠順利開展。在進行非線性求解工作的過程中，汽車企業應當加強對不同資源的開發工作，提高分析軟件的應用質量與效率，對傳統的求解軟件進行進一步的優化處理，這樣不但能夠有效提高求解問題的處理效率，同時還能夠避免在進行故障問題的分析過程中受到外界因素的干擾影響。

3.2 CAE技術在汽車零部件輕量化設計中的實施方法

在開展現代汽車設計的過程中，CAE技術本身占據著較高的市場地位，在整個車輛結構的零部件與成品中都會發現它的身影。為了滿足我國有關汽車輕量化方面的內容設計，相關內部人員在進行實際操作的過程中，往往需要選用CAE技術來進行相應的操作，并將傳統的結構處理方法進行優化，以此來提高車輛零部件的整體質量，進而來確保汽車零部件的輕量化工作能夠順利開展。

在進行實施過程前，相關人員需要對車輛的整體性能有一個較為明確的認知，在不影響車輛整體性能的背景下開展相應的管理工作，這樣不但能夠有效提高車輛零部件的整體性，同時還能夠滿足輕量化的需求，并且，通過對CAE技術的應用還能夠對當前生活中所面臨的問題進行有效處理，在進行設計的過程中，相關步驟如下所示：

①第一步，對目標函數進行建立工作。目標函數可以作為目標形式而存在，利用設計變量來進行相應的呈現，并對設計方案的整體質量開展具有針對性的評價。從本質上來講，建立目標函數這一過程也就是探究方案中設計變量與目標之間所構成的關系，并對其結果進行相應的評定與分析，從而來完成零部件輕量化的優化處理。在進行實際操作的過程中，可以將目標函數進行唯一性調整，并對其他函數內容進行約束條件的角色應用，通過對工作特點的分析來完成目標的設計。

②第二步，完成設計變量的確定工作。通常情況下，設計變量需要也被稱為設計參數，在開展結構優化的過程中，參數自身的性能會隨著設計內容而發生改變或者提高，它的存在可以看作是常數也可以是變量，只要是在整個優化設計過程中的兩種參數內容都可以稱得上是變量需要，同時，在此階段中它本身所存在的數值是可以進行輸入與更改的。通常情況下，有關結構優化內容的設計變量大體可以分為兩種，一種是集合參數，另一種則是物理參數。

③第三步，對約束條件進行選取作業。從定義上來看，約束條件本身可以當作是對設計內容開展限制的內容要求，主要是針對設計變量以及性能內容，在進行目標函數的處理過程中，需要對約束條件進行深入調整，并判斷其本身在真實性與可靠性方面是否能夠得到有效保障。正因如此，在進行結構優化設計的工程中，需要采用全方位的分析手段進行不同約束條件的有效設定，并將相應的條件內容進行優化處理，以此來確保后續工作能夠順利開展。

④第四步，對最終的計算結果進行評估處理。在這一過程中，需要選用CAE技術來開展三維實體模型的構建，倘若是在結果分析的過程中發現最終的設計要求無法滿足相關標準，則需要及時進行結構層面的修改工作，之后再開展CAE的循環分析，一直到符合標準以后才能夠停止。相關人員可以通過所獲得設計內容進行可行方案的設定，可行方案需要進行多個設計，并根據最終的要求進行最優方案的選用，倘若在結果分析時發現了問題，則要進行具體原因的分析，不能夠一味地相信計算所產生的結果，還要確保其能夠滿足實際層面的求解需求。

4 ?結論

綜上所述，汽車行業是我國社會發展中不可缺少的重要組成部分，與國民經濟有著極為密切的聯系，在21世紀的今天，為了滿足我國節能減排的政府要求，汽車企業需要做好車輛零部件輕量化的設計工作，通過開展CAE技術來進行細節化的應用，以此來確保所生產的汽車質量和安全能夠得到有效保障。

參考文獻：

[1]黎澤永.基于CAE技術的汽車零部件輕量化設計[J].裝備制造技術，2019（010）：73-80.

[2]趙國偉，李薇.CAE技術在汽車產品輕量化設計中的應用研究[J].南方農機，2019，50（03）：49-50.

[3]唐迎春.CAE技術在汽車零部件設計制造中的應用[J].赤子，2019（20）.

[4]李海三.CAE結構優化在汽車輕量化開發中的作用[J].汽車與駕駛維修（維修版），2019（005）：80-81.