基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计

曾孟军 敖克勇

摘要： 汽车行业要保证可持续发展，就要应用节能减排措施，提高汽车运行的稳定性与环保性，以此来确保我国的生态环境能够得到有效保障。而CAE技术是信息技术的产物，能够有效满足汽车行业在节能减排方面的需求，通过对汽车的零部件开展轻量化处理，既能够有效降低企业的经济成本，又能够降低车辆油耗，缓解环境所面临的污染压力。正因如此，本文以CAE技术为基础，对如何开展汽车零部件轻量化设计的内容与措施进行相应的论述与分析。

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.

关键词： CAE技术;汽车行业;零部件生产;轻量化设计

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

中图分类号：U472.43                                      文献标识码：A                                  文章编号：1674-957X（2022）01-0016-03

0  引言

在21世纪的今天，随着我国社会的不断发展，人们对于能源的需求也随之提升，为了缓解社会需求与生态环境之间的矛盾，轻量化的技术需求随之出现。就目前来看，我国汽车行业在进行日常运营的过程中，通常会面临有关能源消耗以及安全性的需求，通过对轻量化技术的应用，不但能够满足我国所提出的环保需求，同时还能够达成节能减排的最终目的，以此来确保汽车行业的发展不受影响。与其他技术相比，汽车轻量化技术本身是以新时代手段为基础，在确保汽车自身的性能、质量以及安全性不受影响的前提下进行成本的有效控制，以此来确保车辆的可操作性与环保性能够随之得到有效提升。

1  汽车轻量化的意义

通常情况下，当车辆处于行驶状态时，需要对不同类型的阻力进行克服，比如说空气所带来的阻力影响，加速时所产生的各类阻力，在进行上坡时所产生的阻力以及轮胎滚动时相关的阻力内容，所遵循的公式如下所示：

F行=F演+F空+F坡+F加速

从本质上来讲，当车辆行驶时，自身的质量并不会与空气阻力产生较为明显的关系，而其他类型的阻力都会受到质量的影响，二者之间呈现为正比的数量关系，也就是说，车辆的整体质量数值越大，在行驶过程中所要承擔的阻力数值也就随之提升，在这一背景下，车辆发动机所产生的动能便无法得到有效应用。正因如此，通过开展汽车轻量化的工作，不但能够有效降低车辆的质量数值，减小在行驶过程中所产生的阻力情况，同时还能够确保能源消耗自身的经济性与有效性不会受到外界影响，能够极大程度上满足我国节能减排方面所提出的要求[1]。

从驾驶角度来看，当车辆处于正常运行的过程中，自身的质量数值越小，在进行加速的过程中所产生的效果也就更为明显，不但能够有效提高车辆的最大车速，同时还能够确保车辆自身的稳定性与操作性能够因此得到有效提升。同时，完成轻量化后，车辆的噪音程度也会随之下降，即便是在进行碰撞的过程中，所产生的作用力也会随之下降，确保国民的生命健康安全能够得到有效保障。

2  汽车零部件轻量化的主要途径

想要实现汽车车辆的轻量化，就要从不同角度进行内容上的调整，通过开展零部件结构的轻量化工作来降低车辆的实际质量，以此来满足我国节能减排的政策需求，详细情况如下所示：

2.1 采用轻型材料

在开展轻量化工作的过程中，主要是对材料内容进行深入地研究与开发，以此来确保汽车的实际质量能够得到有效控制，在这一过程中，相关人员需要结合实际情况进行材料方面的调整与应用，尽可能确保所选用的代替材料能够满足车辆的安全性能需求，并在正常运行过程中不会产生任何故障问题。随着研究学者与技术人员的共同研发，发现镁合金与高强度性能的钢物质能够有效提高车辆的安全性与稳定性，可以用来进行传统材料的代替工作，同时，还可以利用以塑料为基础所研发的复合材料，并做好相应的替换工作，以此来确保车辆的运行质量能够得到有效保障[2]。

2.1.1 镁、铝合金材料

从物理性质上来讲，无论是镁合金还是铝合金本身在密度上都相对要低，与传统的钢铁材料相比，铝合金所具备的密度只有三分之一，而密度之间所产生的差距会导致在进行使用的过程中，车辆的整体质量也会发生改变。在传统的制车工艺中，之所以会选用优质钢，则是因为其本身的特性质量能够满足相关标准，并且在短时间内很难找到能够与之相仿的材料，时至今日，铝合金的出现改变了这一现状，无论是在抗震性还是整体性能上，铝合金都能够满足车辆安装需求，甚至在强度比上还要远远超过钢材本身的质量，能够极大程度上满足我国社会对于车辆轻量化的需求[3]。就目前来看，在开展铝合金工作的工程中，所涉及的材料内容种类较多，而车辆安装中主要是以铸铝为基础，这类材料本身的力学性能相对较强，能够满足车辆的正常运行需求，从而避免后续工作受到不利影响。而镁合金的出现，则是在散热性与吸震性上给予车辆足够的保障，同时也可以作为钢材的替代材料进行应用。

2.1.2 高强度钢

在进行钢铁材料施工作业的过程中，钢原料可以说是极为重要的，当钢材料自身的强度提升后，便能够极大程度上满足我国汽车轻量化的需求。在进行实际安装的过程中，主要是根据不同情况对高强度钢进行分类处理，比如说，倘若以强化机理来进行分类处理，那么可以将其分为对析出功能进行强化、对组织功能进行强化、对固溶功能进行强化、对细晶进行强化，以及通过烘烤能够提高自身硬化的能力[4]。而在实际强度上，也可以将其分为高强度以及超高强度这两种，不同强度的钢结构在应用方面会产生一定程度的差异性。在进行冶金学特征分类的过程中，则可以将其分为普通与先进两大内容，在进行实际操作的过程中，相关人员会利用相变的原理来提高钢结构的整体强度，与传统的钢结构相比，这种材料在屈服强度上具有更为明显的优势，同时在成本支出、各类性能的稳定性方面也会带来积极有效的作用，因而能够满足我国在汽车轻量化方面所提出的要求与内容。

2.1.3 塑料和复合材料

对于汽车零部件的制造与生产而言，所选用的材料无非就是金属与非金属两种，金属是上述所提到的钢与合金材料，而非金属材料中应用范围最广泛的便是塑料，在开展分类的过程中，通常可以将其分为复合型的塑料内容、高分子性较强的塑料材料、由塑料所构成的合金材料以及生物纳米材料，这些都是车辆生产过程中所选用的重要内容，关系到整个车辆的运行质量。在进行实际操作的过程中，通过对塑料与复合材料的应用，能够极大程度上提高材料本身的力学性能，并且在成本支出上也相对较低，不但能够满足车辆运行需求，同时还能够对我国汽车行业的发展带来积极有效的影响。

2.2 采用先进的制造工艺

2.2.1 激光焊接

在21世纪的今天，激光焊接技术可以说是我国较为先进的制造工艺之一，其本身有着极高的商业价值与市场影响力，并对我国汽车领域的发展带来了积极有效的影响。与其他焊接技术相比，激光焊接本身在工作效率上相对较高，在进行焊缝的过程中，相应的深宽比能够满足我国相关标准，进行热输入工作时所产生的影响相对较小，能够有效避免发生焊接变形的情况。无论是零部件还是车辆本体方面的内容，激光焊接已然成为当今我国汽车行业生产过程中不可忽视的重要存在，其本质主要是利用对板材开展激光拼焊，通过相应的手段来将具有差异性的板材进行整合处理，这些板材在强度以及性能方面都会产生较为明显的差别，在进行实际操作的过程中，通过对该技术的应用，能够极大程度上提高钢板本身的整体性能，在减轻车辆质量的同时，不会对其自身的安全性与稳定性造成不利影响。

2.2.2 液压成形

成形工艺可以说是车辆管理过程中不可缺少的重要内容，早些年，我国所选用的成形工艺无论是成果强度还是精度上都相对粗糙，无法达到国际层面的标准，随着我国科学技术水平的不断提升，液压成形工艺已然成为新时代发展的标准内容，通过对该技术的应用，不但能够有效提高液压成形零件的整体强度与刚性，在回弹性上也能够得到有效保障，提高精度的同时还能够确保零件的表面质量符合相关标准，这样既可以缓解能源方面的压力，同时还能够对降低成本带来积极有效的影响。正因如此，通过对液压成形技术的应用，能够极大程度上提高车辆自身的稳定性与安全性，对于汽车行业的生产效率与经济利益发展也会产生积极有效的影响。

2.2.3 高強度钢热成型

作为工业领域的新时代产物，高强度钢热成型技术本身能够有效提高材料的动力性能与温度抗性，以此来满足不同程度的安装需求。在此之前，汽车领域常用的加工方式就是冷成型加工，这种加工方式不但在效果上无法达到相关标准，所需要花费的成本支出也相对较高，与之相比，高强度钢热成型技术本身具有极高的施工特点，在进行实际操作的过程中，会在响应的板件上产生一个具有实时变化特性的温度场，这种温度场会作用到整个加工成型工艺，并对所要加工的板材组织结构以及力学特性进行相应的优化处理，这样不但能够对应力场加以改变，同时还能够实现应力场的反作用工作，以此来满足温度场的工作需求，由此可见，热成型工艺所涉及的主要内容就是通过温度场与应力场两部分的有效处理，既要确保二者共存联系，同时还要相互作用，以此来达成相应的加工标准。由于高强度钢热成型技术本身是一项具有综合性的系统内容，因而会涉及不同领域方面的知识，比如说电力控制、机械加工以及化工技术，能够有效实现汽车轻量化的应用标准，对于我国汽车领域的发展能够带来积极有效的影响。

3  CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的应用

3.1 CAE技术现状及发展趋势

3.1.1 与CAD软件的无缝集成

CAE技术的应用是以CAD软件为联动系统而开展的，在进行技术应用的过程中，先要通过CAD来开展有关车辆零部件内容的造型设计工作，之后再将相应的数据资料进行CAE系统的传输，并以此为基础开展相应的分析工作，倘若最终所获得数据成果无法满足相关标准或者设计需求，便要及时进行相应反馈，由相关内热源重新开展相应的内容设计工作，进行二次流程的循环作业，以此来确保零部件的设计质量能够达到预期标准，车辆的性能与质量由此得到有效提升。

3.1.2 更为强大的网格处理能力

与传统的设计软件相比，CAE技术在网格处理能力上具有更为明显的优势，在开展问题求解的过程中，先要对所要开展分析工作的对象进行离散化处理，并采用有限元法完成对结果的计算，并根据所获得的结果内容进行最终处理。随着我国社会在网格处理方面的投入不断提高，有关网格生成的技术也越发成熟，无论是质量还是效率也因此得到有效提高，汽车行业在进行网格处理的过程中，可以通过CAE技术来开展相关工作，既能够缩短求解时间，同时还能够确保最终所获的结果具有极高的精准性与准确性。

3.1.3 由求解线性问题发展到求解非线性问题

线性理论的存在一直都是设计工作的重要内容，只是在21世纪的今天，单一性的线性理论已然无法达到相应的工作需要，在进行线性理论分析的过程中，经常会出现无法处理问题的情况，这种理论内容很难加速工程方面的内容处理，因而需要选用非线性的手段方式进行内容分析，以此来确保后续工作能够顺利开展。在进行非线性求解工作的过程中，汽车企业应当加强对不同资源的开发工作，提高分析软件的应用质量与效率，对传统的求解软件进行进一步的优化处理，这样不但能够有效提高求解问题的处理效率，同时还能够避免在进行故障问题的分析过程中受到外界因素的干扰影响。

3.2 CAE技术在汽车零部件轻量化设计中的实施方法

在开展现代汽车设计的过程中，CAE技术本身占据着较高的市场地位，在整个车辆结构的零部件与成品中都会发现它的身影。为了满足我国有关汽车轻量化方面的内容设计，相关内部人员在进行实际操作的过程中，往往需要选用CAE技术来进行相应的操作，并将传统的结构处理方法进行优化，以此来提高车辆零部件的整体质量，进而来确保汽车零部件的轻量化工作能够顺利开展。

在进行实施过程前，相关人员需要对车辆的整体性能有一个较为明确的认知，在不影响车辆整体性能的背景下开展相应的管理工作，这样不但能够有效提高车辆零部件的整体性，同时还能够满足轻量化的需求，并且，通过对CAE技术的应用还能够对当前生活中所面临的问题进行有效处理，在进行设计的过程中，相关步骤如下所示：

①第一步，对目标函数进行建立工作。目标函数可以作为目标形式而存在，利用设计变量来进行相应的呈现，并对设计方案的整体质量开展具有针对性的评价。从本质上来讲，建立目标函数这一过程也就是探究方案中设计变量与目标之间所构成的关系，并对其结果进行相应的评定与分析，从而来完成零部件轻量化的优化处理。在进行实际操作的过程中，可以将目标函数进行唯一性调整，并对其他函数内容进行约束条件的角色应用，通过对工作特点的分析来完成目标的设计。

②第二步，完成设计变量的确定工作。通常情况下，设计变量需要也被称为设计参数，在开展结构优化的过程中，参数自身的性能会随着设计内容而发生改变或者提高，它的存在可以看作是常数也可以是变量，只要是在整个优化设计过程中的两种参数内容都可以称得上是变量需要，同时，在此阶段中它本身所存在的数值是可以进行输入与更改的。通常情况下，有关结构优化内容的设计变量大体可以分为两种，一种是集合参数，另一种则是物理参数。

③第三步，对约束条件进行选取作业。从定义上来看，约束条件本身可以当作是对设计内容开展限制的内容要求，主要是针对设计变量以及性能内容，在进行目标函数的处理过程中，需要对约束条件进行深入调整，并判断其本身在真实性与可靠性方面是否能够得到有效保障。正因如此，在进行结构优化设计的工程中，需要采用全方位的分析手段进行不同约束条件的有效设定，并将相应的条件内容进行优化处理，以此来确保后续工作能够顺利开展。

④第四步，对最终的计算结果进行评估处理。在这一过程中，需要选用CAE技术来开展三维实体模型的构建，倘若是在结果分析的过程中发现最终的设计要求无法满足相关标准，则需要及时进行结构层面的修改工作，之后再开展CAE的循环分析，一直到符合标准以后才能够停止。相关人员可以通过所获得设计内容进行可行方案的设定，可行方案需要进行多个设计，并根据最终的要求进行最优方案的选用，倘若在结果分析时发现了问题，则要进行具体原因的分析，不能够一味地相信计算所产生的结果，还要确保其能够满足实际层面的求解需求。

4  结论

综上所述，汽车行业是我国社会发展中不可缺少的重要组成部分，与国民经济有着极为密切的联系，在21世纪的今天，为了满足我国节能减排的政府要求，汽车企业需要做好车辆零部件轻量化的设计工作，通过开展CAE技术来进行细节化的应用，以此来确保所生产的汽车质量和安全能够得到有效保障。

参考文献：

[1]黎泽永.基于CAE技术的汽车零部件轻量化设计[J].装备制造技术，2019（010）：73-80.

[2]赵国伟，李薇.CAE技术在汽车产品轻量化设计中的应用研究[J].南方农机，2019，50（03）：49-50.

[3]唐迎春.CAE技术在汽车零部件设计制造中的应用[J].赤子，2019（20）.

[4]李海三.CAE结构优化在汽車轻量化开发中的作用[J].汽车与驾驶维修（维修版），2019（005）：80-81.