CAE在汽車結(jié)構(gòu)及材料優(yōu)化中的仿真分析與應(yīng)用

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 在汽車行業(yè)，從最初的線彈性部件分析到汽車結(jié)構(gòu)中大量的非線性問題分析，到現(xiàn)在汽車疲勞壽命分析、NVH分析、碰撞模擬等，有限元科技CAE應(yīng)用項(xiàng)目幾乎可以涵蓋所有環(huán)節(jié)。

 今天有限元科技小編和大家分享的是：汽車設(shè)計(jì)中的結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化分析。

 結(jié)構(gòu)/材料優(yōu)化

 優(yōu)化設(shè)計(jì)包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化，而表現(xiàn)在汽車設(shè)計(jì)中則有輕量化、材料節(jié)能環(huán)保、提高動(dòng)力性能等。在維持汽車重要區(qū)域原結(jié)構(gòu)、車身模態(tài)和剛度性能等基本不變的基礎(chǔ)上，對(duì)于其他部位進(jìn)行優(yōu)化從而達(dá)到輕量化、新型材料應(yīng)用等。基于CAE分析的優(yōu)化設(shè)計(jì)也常用于新車型的開發(fā)。

 近年來(lái)，隨著對(duì)汽車本身的安全性要求不斷攀升，對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)安全部件材料的優(yōu)化設(shè)計(jì)就顯得異常重要！

 針對(duì)此材料和厚度的交互性問題，推出其匹配優(yōu)化的設(shè)計(jì)方式。首先主要通過傳力路徑和能量分析的方式初步選取相應(yīng)設(shè)計(jì)部件。然后由此進(jìn)行敏感性的分析，這樣才能更準(zhǔn)確的找出最受影響的安全部件作為設(shè)計(jì)的對(duì)象，從而真正解決難以選取設(shè)計(jì)對(duì)象的問題。

 同時(shí)可針對(duì)所選取的設(shè)計(jì)對(duì)象，采用優(yōu)選近似模型和多目標(biāo)優(yōu)化的方式對(duì)其厚度和材料實(shí)施匹配和優(yōu)化，這樣就充分的利用了兩者的交互性，真正實(shí)現(xiàn)材料和厚度的變量混合。

  一、汽車安全部件的選定分析

 （一）分析汽車傳力路徑

 主要針對(duì)其正碰當(dāng)中的流動(dòng)應(yīng)力進(jìn)行分析，可通過明確其車應(yīng)力變化和部件截面展開分析。其傳力路徑具體表現(xiàn)在以下幾點(diǎn)：

 （1）車輛本身和剛性壁障產(chǎn)生碰撞時(shí)，一旦其前保險(xiǎn)杠產(chǎn)生變形，會(huì)將力直接傳遞至上縱梁，然后通過上縱梁傳遞至A柱上端位置，最后直接向后傳遞。

 （2）當(dāng)車輛和剛性壁障產(chǎn)生碰撞時(shí)，一旦其前保險(xiǎn)杠產(chǎn)生扭曲，會(huì)直接將沖撞力轉(zhuǎn)移至前縱梁，然后直接傳輸至A柱下端、門檻梁以及底板縱梁等位置，最后向后傳遞。

 （3）一旦車輛和剛性壁障產(chǎn)生碰撞，汽車A柱下端將直接受到前輪胎的作用力，而前輪會(huì)將其真所受的沖撞力轉(zhuǎn)移至A柱下端位置，進(jìn)而由此傳遞至門檻梁位置，最終由此向后傳遞。

 （二）分析汽車能量分布

 針對(duì)其傳力路徑安全部件的能量分析工作，主要是為了明確此類部件是否在傳力路徑上起到了相應(yīng)的吸能作用，然后據(jù)此明確發(fā)生正碰時(shí)的具體部件。

 （三）分析汽車材料敏感度

 對(duì)于汽車車身材料的匹配優(yōu)化，通常還需要對(duì)其敏感度進(jìn)行分析，具體可采用正交試驗(yàn)的方法進(jìn)行敏感度分析。通過敏感度分析，能夠?qū)Χ喾N影響類因素的主次順序進(jìn)行有效的判定。車身材料一般都是使用高強(qiáng)度鋼，而使用更高強(qiáng)度的剛強(qiáng)度鋼需要較高的成本。所以，就必須保證所選擇的部件材料，其碰撞性能獲得更好的改善，這樣才能極大的避免汽車本身車身材料和成本的浪費(fèi)。

 二、汽車安全部件材料的匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)

 （一）材料匹配模型分析

 具體需要結(jié)合正碰部件的敏感度分析結(jié)果來(lái)選取對(duì)材料造成明顯變化和影響的部件材料作為設(shè)計(jì)的對(duì)象。具體通過敏感度分析，并結(jié)合多種材料的碰撞特性來(lái)明確哪些部件屬于最適宜的強(qiáng)度等級(jí)，可直接從備選材料當(dāng)中選取最適宜的材料作為其部件材料的取值范圍。

 （二）材料匹配優(yōu)化設(shè)計(jì)過程分析

 針對(duì)汽車安全部件的材料匹配問題必須充分考慮到其部件的材料和厚度，這屬于離散混合變量多目標(biāo)優(yōu)化的問題。最常用的方式將離散變量直接當(dāng)作是連續(xù)變量的形式，然后將最優(yōu)點(diǎn)圓直接調(diào)整為相應(yīng)的離散值。不過，這種方式只能獲得局部的優(yōu)化，有時(shí)甚至在其可行域外。還有一種方式就是將連續(xù)變量實(shí)現(xiàn)離散化，一旦其離散的方式不正確，也將只能獲得局部的優(yōu)化。

 結(jié)語(yǔ)

 綜上所述，對(duì)于汽車安全部件材料的匹配優(yōu)化，需要采用傳力路徑和能量分布的形式來(lái)選擇其正碰相關(guān)部件，然后可直接通過敏感度分析的方式提取出其中的安全部件。再進(jìn)行模型計(jì)算的方式，得出優(yōu)化數(shù)據(jù)，最終運(yùn)用于車身的設(shè)計(jì)當(dāng)中。

 除了這些已成熟的CAE技術(shù)之外，近些年在汽車行業(yè)也出現(xiàn)了一些新技術(shù)如虛擬試車場(chǎng)整車分析、制造車間焊裝鉚接過程模擬分析等。

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