CAE在汽車結構及材料優(yōu)化中的仿真分析與應用
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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構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應用項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：汽車設計中的結構/材料優(yōu)化分析。
結構/材料優(yōu)化
優(yōu)化設計包括尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓撲優(yōu)化，而表現(xiàn)在汽車設計中則有輕量化、材料節(jié)能環(huán)保、提高動力性能等。在維持汽車重要區(qū)域原結構、車身模態(tài)和剛度性能等基本不變的基礎上，對于其他部位進行優(yōu)化從而達到輕量化、新型材料應用等?；贑AE分析的優(yōu)化設計也常用于新車型的開發(fā)。
近年來，隨著對汽車本身的安全性要求不斷攀升，對汽車車身結構安全部件材料的優(yōu)化設計就顯得異常重要！
針對此材料和厚度的交互性問題，推出其匹配優(yōu)化的設計方式。首先主要通過傳力路徑和能量分析的方式初步選取相應設計部件。然后由此進行敏感性的分析，這樣才能更準確的找出最受影響的安全部件作為設計的對象，從而真正解決難以選取設計對象的問題。
同時可針對所選取的設計對象，采用優(yōu)選近似模型和多目標優(yōu)化的方式對其厚度和材料實施匹配和優(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
主要針對其正碰當中的流動應力進行分析，可通過明確其車應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：
（1）車輛本身和剛性壁障產(chǎn)生碰撞時，一旦其前保險杠產(chǎn)生變形，會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）當車輛和剛性壁障產(chǎn)生碰撞時，一旦其前保險杠產(chǎn)生扭曲，會直接將沖撞力轉移至前縱梁，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，而前輪會將其真所受的沖撞力轉移至A柱下端位置，進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的吸能作用，然后據(jù)此明確發(fā)生正碰時的具體部件。
（三）分析汽車材料敏感度
對于汽車車身材料的匹配優(yōu)化，通常還需要對其敏感度進行分析，具體可采用正交試驗的方法進行敏感度分析。通過敏感度分析，能夠對多種影響類因素的主次順序進行有效的判定。車身材料一般都是使用高強度鋼，而使用更高強度的剛強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。
二、汽車安全部件材料的匹配優(yōu)化設計
（一）材料匹配模型分析
具體需要結合正碰部件的敏感度分析結果來選取對材料造成明顯變化和影響的部件材料作為設計的對象。具體通過敏感度分析，并結合多種材料的碰撞特性來明確哪些部件屬于最適宜的強度等級，可直接從備選材料當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)化設計過程分析
針對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優(yōu)化的問題。最常用的方式將離散變量直接當作是連續(xù)變量的形式，然后將最優(yōu)點圓直接調(diào)整為相應的離散值。不過，這種方式只能獲得局部的優(yōu)化，有時甚至在其可行域外。還有一種方式就是將連續(xù)變量實現(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。
結語
綜上所述，對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選擇其正碰相關部件，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。再進行模型計算的方式，得出優(yōu)化數(shù)據(jù)，最終運用于車身的設計當中。
除了這些已成熟的CAE技術之外，近些年在汽車行業(yè)也出現(xiàn)了一些新技術如虛擬試車場整車分析、制造車間焊裝鉚接過程模擬分析等。
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