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目前钢材约占车辆重量的六成，重量一直是汽车企业的首要关注的问题，因为重量与燃油效率息息相关。铝、镁和合成材料等越来越可能替代钢材组件。虽然钢材的可靠耐久性经验证，可能一段时间内仍将担当车体的主要材料，但汽车生产商在促进钢车身轻量化方面开始考虑如何做到几近极限。为了充分了解并全面达到极限，汽车厂商开始采用先进的计算机辅助工程（CAE）工具来优化设计，以合理成本满足客户的质量要求，并应对越来越严格的油耗要求、排放标准和碰撞测试要求。 马自达汽车公司（日本广岛）汽车开发部和技术研究中心近期基于公司的CX-5车型开发了钢车体结构跨学科设计优化方法（MDO）。 马自达的技术专家Takehisa Kohira指出：“优化技术对更高性能和轻量化这两大要求之间实现平衡至关重要。” 团队的目标是探寻最轻型钢部件有效组合（按金属板厚度计算），实现刚度、NVH品质、耐用性和抗撞击性四方面目标要求，满足CX-5的“礼帽式”结构要求。团队采用多种不同CAE工具，针对整车车身行为进行建模分析，这些分析工具包括Abaqus、LS-DYNA、Nastran等。Kohira指出：“CAE帮助我们改进设计，提高分析准确度，并减少所需的原型数量。”Abaqus有限元分析（FEA）在车辆开发过程中评估强度、以及整车身组件耐用性和动力总成部件的热应力。 创建一个总体分析系统，首先优化四大目标领域中每个领域的车身行为，再找到将所有最佳特性融合在一起的最终设计，确保尽可能的轻量化，这是一项复杂的分析极具挑战。 在检查目标行为中，刚度静态和动态硬度主要涉及线性计算。而NVH分析则涉及复杂的多物理问题，需要考虑框架元件的物理互动和整车震动。抗撞击性涉及到碰撞的位置和方向，是正面、后面还是侧面，这是非线性的，也是最复杂的。Kohira指出：“侧面碰撞分析只涉及弯曲/屈曲层面的问题，可用近似模型预测。不过，正面和后面碰撞则涉及强非线性问题，牵扯到许多组件的屈曲和轴向挤压，因此重量和性能的综合平衡在这种分析中就极为复杂。 为使所有数据集中达到“最佳性能”车身结构设计中，团队采用了各种试验设计（DOE）方法和近似模型，手动调节不同行为间的参数冲突与约束。车身的各种性能目标都被视为约束条件，设计变量为每个车身组件的材料厚度。Kohira指出：“我们的最终目标是尽可能减轻车重，但通过手动调整数据组织来实现这一目标需要花费极长的时间。” 于是团队采用Isight进行流程自动化和优化设计探索。Kohira指出：“一旦我们使用Isight，就能利用DOE分析技术更加容易的分析最初设计的局限性，随后就能更顺利地做出工程决策。我们能更清晰地看到设计空间，也能对结果获得更好的可视化展示。” Isight通过拖拉方式帮助工程师集成所有CAE软件到工作流程中，Isight能自动运行权衡性能指标自动调整参数序列满足约束。Kohira指出：“利用Isight，我们能确认、并数值验证设计人员的创意，并能够大幅提升设计者的设计正确性的信心。” 将Isight应用到车身优化问题有一个有趣的效果，就是能根据整体结构性能响应来对组件敏度进行分类。Kohira指出：“在优化过程中，大多数情况下对性能响应较低的部件都能变得更轻。另一方面，对性能影响较大的组件要变得更重厚重。Isight多目标优化帮助我们平衡相互矛盾的需求，同时也能减轻整体重量的需求。” 那么结果如何？团队实现了重量比CX-5前期设计减轻3.4%的目标。多学科设计优化工作方法现在正应用于马自达的创驰蓝天（SKYACTIV）车身技术开发项目中，将通过引擎和传动技术改进以及轻量化的车身、底盘最终提高汽车燃油效率。 展望未来，马自达团队计划对铝、CFRP（碳纤维增强塑料）等其他材料也可采基于Isight自动化多学科多目标寻优MDO系统。Kohira指出：“我们目前已将钢车身设计细化到最大极限。未来设计除了钢材之外还会涉及许多其他新材料，不过我们现在已经拥有了基于Isight的应对更高复杂性的技术解决方案。” & T! w, D) U% G1 x
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发表于 2016-8-19 12:58:04