數字化仿真分析技術(shù)助力汽車(chē)輕量化設計

在汽車(chē)領(lǐng)域，隨著(zhù)政府對燃油經(jīng)濟性和二氧化碳排放標準的法規(CAFE)的建立和用戶(hù)對低油耗汽車(chē)需求的不斷增長(cháng)，為了實(shí)現燃油經(jīng)濟性和滿(mǎn)足二氧化碳排放標準，各個(gè)主機廠(chǎng)出臺了各種不同的解決方案，而汽車(chē)輕量化技術(shù)應運而生，并成為最重要的解決方案。

以國產(chǎn)某車(chē)型進(jìn)行的輕量化減重后油耗、制動(dòng)性能及動(dòng)力經(jīng)濟性試驗結果表明：

(1)動(dòng)力經(jīng)濟性試驗

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)常規制動(dòng)性能試驗

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

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

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

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

汽車(chē)輕量化設計的典范，榮膺2014年紅點(diǎn)設計大獎“至尊獎”(best of the best)的創(chuàng )新純電動(dòng)汽車(chē)BMW i3其車(chē)重1250KG，比傳統電動(dòng)車(chē)輕250-350KG，如下圖所示BMW i3所采用的全碳纖維的座艙(LifeDrive 架構)在保證其車(chē)體強度遠大于同類(lèi)型的鋼鐵車(chē)身同時(shí)使得CFRP(碳纖維增強塑料)的重量占到整個(gè)車(chē)身重量的49.41%，是其實(shí)現車(chē)身輕量化的關(guān)鍵。

隨著(zhù)汽車(chē)輕量化技術(shù)的不斷深入以玻纖增強材料替代金屬材料作為車(chē)身結構件已成為行業(yè)發(fā)展趨勢，但是玻纖增強材料所特有的各向異性給產(chǎn)品設計和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了非常大的困難，如何準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(kāi)發(fā)人員必須面對的問(wèn)題。

基于客戶(hù)在輕量化方面的仿真需求，歐特克公司構建了以Autodesk Moldow深 層次注塑成型分析為核心，結合Autodesk CFD先進(jìn)的流體及熱分析，Autodesk Simulation Mechanical + Autodesk Nastran專(zhuān)業(yè)的結構及力學(xué)分析，Autodesk Helius PFA符合材料設計及驗證分析的多工況和多物理場(chǎng)的聯(lián)合分析解決方案。特別是針對纖維填充塑料和復合材料，通過(guò) 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(guò)程中產(chǎn)生的殘余應力以及材質(zhì)屬性轉入到結構分析軟件中(同時(shí)支持Abaqus，Ansys)進(jìn)行進(jìn)一步的結構優(yōu)化和性能驗證。并創(chuàng )新性的實(shí)現了異步的工作流程，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(guò)與有限元軟件的接口，得到各向異性的力學(xué)模型，將大多數力學(xué)性能驗證在設計階段解決。

長(cháng)安汽車(chē)通過(guò)歐特克的仿真分析解決方案，成功實(shí)現其某車(chē)型的前端模塊的全塑料輕量化設計。并通過(guò)產(chǎn)品結構優(yōu)化、模具澆口位置優(yōu)化和成型工藝的優(yōu)化，產(chǎn)品重量由最初設計的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(guò)將材料的各向異性特性準確的映射到結構分析CAE模型中可提升計算結構CAE的求解精度，提高驗證可靠性;降低產(chǎn)品重量，節約材料成本;降低產(chǎn)品厚度，加快生產(chǎn)效率。

通過(guò)歐特克所提供的異步的仿真分析流程，優(yōu)化傳統開(kāi)發(fā)流程，將產(chǎn)品力學(xué)問(wèn)題在設計階段解決。通過(guò)虛擬驗證替代試驗驗證，縮短開(kāi)發(fā)周期，節約大量開(kāi)發(fā)成本，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險。

同時(shí)歐特克還提供了基于強大的Nastran求解器的拓撲結構優(yōu)化設計功能，基于給定的約束和載荷工況，自動(dòng)獲得最佳的產(chǎn)品幾何結構真正實(shí)現了以仿真驅動(dòng)設計的變革，將優(yōu)化設計貫穿整個(gè)設計過(guò)程。

總結

◆ CAE仿真分析技術(shù)是輕量化必備的設計利器;

◆聯(lián)合仿真技術(shù)(復合材料成型結構力學(xué)仿真整合)可有效推動(dòng)復合材料的低風(fēng)險應用;

◆多學(xué)科多目標的同步優(yōu)化工具是實(shí)現車(chē)身輕量化的最有效的工具。

歐特克致力于提供基于同一數字模型的全面分析解決方案，為產(chǎn)品在設計初期實(shí)現最佳化設計提供了有力的支持!