數(shù)字化仿真分析技術(shù)助力汽車輕量化設(shè)計(jì)

在汽車領(lǐng)域，隨著政府對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)(CAFE)的建立和用戶對(duì)低油耗汽車需求的不斷增長，為了實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和滿足二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)主機(jī)廠出臺(tái)了各種不同的解決方案，而汽車輕量化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為最重要的解決方案。

以國產(chǎn)某車型進(jìn)行的輕量化減重后油耗、制動(dòng)性能及動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果表明：

(1)動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)

減重100kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性提升7%，

加重100kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性下降11%，

加重200kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性下降15%，

(2)常規(guī)制動(dòng)性能試驗(yàn)

整備質(zhì)量每降低100kg，低速時(shí)，制動(dòng)距離縮短2～7m ，整備質(zhì)量每降低 100kg，高速時(shí)，制動(dòng)距離縮短1～2m ;

(3)油耗試驗(yàn)

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

隨著塑料制品新的成型工藝如Mucell，RTM，SMC的日益成熟，以及長、短纖維材料和連續(xù)纖維符合材料的廣泛應(yīng)用，以塑代鋼及傳統(tǒng)塑料制品的進(jìn)一步輕量化必然為整車的輕量化帶來更大的優(yōu)化空間。并使其成為汽車輕量化技術(shù)最主要的手段之一。

目前世界上多數(shù)轎車的塑料用量(整車塑料用量)已經(jīng)超過120千克/輛;部分歐洲高級(jí)轎車塑料使用量甚至達(dá)到250～450千克/輛。而民族品牌轎車的塑料用量普遍才80～100千克/輛，僅占汽車自重的5%～10%，仍處于較低水平。

汽車輕量化設(shè)計(jì)的典范，榮膺2014年紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)“至尊獎(jiǎng)”(best of the best)的創(chuàng)新純電動(dòng)汽車BMW i3其車重1250KG，比傳統(tǒng)電動(dòng)車輕250-350KG，如下圖所示BMW i3所采用的全碳纖維的座艙(LifeDrive 架構(gòu))在保證其車體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于同類型的鋼鐵車身同時(shí)使得CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)的重量占到整個(gè)車身重量的49.41%，是其實(shí)現(xiàn)車身輕量化的關(guān)鍵。

隨著汽車輕量化技術(shù)的不斷深入以玻纖增強(qiáng)材料替代金屬材料作為車身結(jié)構(gòu)件已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，但是玻纖增強(qiáng)材料所特有的各向異性給產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開發(fā)帶來了非常大的困難，如何準(zhǔn)確判斷玻纖在成型產(chǎn)品中的取向分布及由此引起的材料性能的各向異性是所有開發(fā)人員必須面對(duì)的問題。

基于客戶在輕量化方面的仿真需求，歐特克公司構(gòu)建了以Autodesk Moldow深 層次注塑成型分析為核心，結(jié)合Autodesk CFD先進(jìn)的流體及熱分析，Autodesk Simulation Mechanical + Autodesk Nastran專業(yè)的結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析，Autodesk Helius PFA符合材料設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析的多工況和多物理場(chǎng)的聯(lián)合分析解決方案。特別是針對(duì)纖維填充塑料和復(fù)合材料，通過 Helius PFA 及其AME接口，可輕松的將Moldow分析所獲得的塑料制品在成型過程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及材質(zhì)屬性轉(zhuǎn)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中(同時(shí)支持Abaqus，Ansys)進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能驗(yàn)證。并創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)了異步的工作流程，極大的提高了聯(lián)合仿真的分析效率。

利用Autodesk Moldow注塑成型分析獲得產(chǎn)品在成型后的材料的各向異性特性，通過與有限元軟件的接口，得到各向異性的力學(xué)模型，將大多數(shù)力學(xué)性能驗(yàn)證在設(shè)計(jì)階段解決。

長安汽車通過歐特克的仿真分析解決方案，成功實(shí)現(xiàn)其某車型的前端模塊的全塑料輕量化設(shè)計(jì)。并通過產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具澆口位置優(yōu)化和成型工藝的優(yōu)化，產(chǎn)品重量由最初設(shè)計(jì)的4.8kg降低為4.53kg(6%)，產(chǎn)品成型后的最大變形由1.82mm減小到1.66mm 變 為(9.6%)，產(chǎn)品剛度提升了10%。

通過將材料的各向異性特性準(zhǔn)確的映射到結(jié)構(gòu)分析CAE模型中可提升計(jì)算結(jié)構(gòu)CAE的求解精度，提高驗(yàn)證可靠性;降低產(chǎn)品重量，節(jié)約材料成本;降低產(chǎn)品厚度，加快生產(chǎn)效率。

通過歐特克所提供的異步的仿真分析流程，優(yōu)化傳統(tǒng)開發(fā)流程，將產(chǎn)品力學(xué)問題在設(shè)計(jì)階段解決。通過虛擬驗(yàn)證替代試驗(yàn)驗(yàn)證，縮短開發(fā)周期，節(jié)約大量開發(fā)成本，降低開發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)歐特克還提供了基于強(qiáng)大的Nastran求解器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，基于給定的約束和載荷工況，自動(dòng)獲得最佳的產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)了以仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的變革，將優(yōu)化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過程。

總結(jié)

◆ CAE仿真分析技術(shù)是輕量化必備的設(shè)計(jì)利器;

◆聯(lián)合仿真技術(shù)(復(fù)合材料成型結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真整合)可有效推動(dòng)復(fù)合材料的低風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用;

◆多學(xué)科多目標(biāo)的同步優(yōu)化工具是實(shí)現(xiàn)車身輕量化的最有效的工具。

歐特克致力于提供基于同一數(shù)字模型的全面分析解決方案，為產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期實(shí)現(xiàn)最佳化設(shè)計(jì)提供了有力的支持!