数字化仿真分析技术助力汽车轻量化设计

    以国产某车型进行的轻量化减重后油耗、制动性能及动力经济性试验结果表明：

（1）动力经济性试验

减重100kg后，0-100km/h加速动力性提升7%，加重100kg后，0-100km/h加速动力性下降11%，加重200kg后，0-100km/h加速动力性下降15%；

（2）常规制动性能试验

    整备质量每降低100kg，低速时，制动距离缩短2～7m ，整备质量每降低 100kg，高速时，制动距离缩短1～2m；

（3）油耗试验

    每减重100kg，油耗降低（0.1～0.29）L/100km ，降低率1.4%～4%。

    随着塑料制品新的成型工艺如Mucell，RTM，SMC的日益成熟，以及长、短纤维材料和连续纤维符合材料的广泛应用，以塑代钢及传统塑料制品的进一步轻量化必然为整车的轻量化带来更大的优化空间。并使其成为汽车轻量化技术最主要的手段之一。

    目前世界上多数轿车的塑料用量（整车塑料用量）已经超过120千克/辆；部分欧洲高级轿车塑料使用量甚至达到250～450千克/辆。而民族品牌轿车的塑料用量普遍才80～100千克/辆，仅占汽车自重的5%～10%，仍处于较低水平。

图1 汽车轻量化途径

    汽车轻量化设计的典范，荣膺2014年红点设计大奖“至尊奖”(best of the best)的创新纯电动汽车BMW i3其车重1250KG，比传统电动车轻250-350KG，如下图所示BMW i3所采用的全碳纤维的座舱（LifeDrive 架构）在保证其车体强度远大于同类型的钢铁车身同时使得CFRP（碳纤维增强塑料）的重量占到整个车身重量的49.41%，是其实现车身轻量化的关键。

    随着汽车轻量化技术的不断深入以玻纤增强材料替代金属材料作为车身结构件已成为行业发展趋势，但是玻纤增强材料所特有的各向异性给产品设计和开发带来了非常大的困难，如何准确判断玻纤在成型产品中的取向分布及由此引起的材料性能的各向异性是所有开发人员必须面对的问题。

    基于客户在轻量化方面的仿真需求，欧特克公司构建了以Autodesk Moldflow深层次注塑成型分析为核心，结合Autodesk CFD先进的流体及热分析，Autodesk Simulation Mechanical + Autodesk Nastran专业的结构及力学分析，Autodesk Helius PFA符合材料设计及验证分析的多工况和多物理场的联合分析解决方案。特别是针对纤维填充塑料和复合材料，通过 Helius PFA及其AME接口，可轻松的将Moldflow分析所获得的塑料制品在成型过程中产生的残余应力以及材质属性转入到结构分析软件中（同时支持Abaqus，Ansys）进行进一步的结构优化和性能验证。并创新性的实现了异步的工作流程，极大的提高了联合仿真的分析效率。利用Autodesk Moldflow注塑成型分析获得产品在成型后的材料的各向异性特性，通过与有限元软件的接口，得到各向异性的力学模型，将大多数力学性能验证在设计阶段解决。

图2 异步化流程

    长安汽车通过欧特克的仿真分析解决方案，成功实现其某车型的前端模块的全塑料轻量化设计。并通过产品结构优化、模具浇口位置优化和成型工艺的优化，产品重量由最初设计的4.8kg降低为4.53kg（6%），产品成型后的最大变形由1.82mm减小到1.66mm 变 为（9.6%），产品刚度提升了10%。

图3 全塑料轻量化设计

    通过将材料的各向异性特性准确的映射到结构分析CAE模型中可提升计算结构CAE的求解精度，提高验证可靠性；降低产品重量，节约材料成本；降低产品厚度，加快生产效率。

    通过欧特克所提供的异步的仿真分析流程，优化传统开发流程，将产品力学问题在设计阶段解决。通过虚拟验证替代试验验证，缩短开发周期，节约大量开发成本，降低开发风险。

图4 优化传统开发流程

    同时欧特克还提供了基于强大的Nastran求解器的拓扑结构优化设计功能，基于给定的约束和载荷工况，自动获得最佳的产品几何结构真正实现了以仿真驱动设计的变革，将优化设计贯穿整个设计过程。

图5 约束和载荷工况

总结

•     CAE仿真分析技术是轻量化必备的设计利器；
•     联合仿真技术（复合材料成型\结构力学仿真整合）可有效推动复合材料的低风险应用；
•     多学科\多目标的同步优化工具是实现车身轻量化的最有效的工具。