高士轩
摘 要：着眼于可持续发展，节约资源、减少环境污染成为世界汽车工业界亟待解决的两大问题。据统计，汽车每减重10%，油耗可降低6%～8%，因此减轻汽车重量是节约能源和提高燃料经济性的最基本途径之一。汽车轻量化正成为21 世纪汽车技术的前沿和热点。汽车轻量化有两大途径： 一是采用轻量化材料，例如采用铝合金、高强度钢材等强度更高、重量更轻的新材料;二是利用CAE 技术优化设计汽车的结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化、复合化以及对零部件进行结构和工艺改进等以最大限度地减轻零部件的质量。以上两种途径是相辅相成的，必须采取材料替换与结构改进相结合的方法，才可能在保证汽车整体质量和性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量。利用CAE 技术实现汽车轻量化有着传统设计手段不可比拟的优越性。
关键词：CAE技术;汽车轻量化设计;应用
从汽车的总体构造来看，占汽车总质量比重较大的部分有车身、发动机、底盘、内外装备等。由此，车身、底盘、发动机等部件的轻量化研究对减轻汽车总质量存在很大潜力。
1CAE 的技术概述
CAE （ Computer Aided Engineering， 计算机辅助工程） 技术是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技術，它的理论基础是有限元法和数值分析方法。有限元法的基本思想是将连续的求解区域离散为一组有限个、且按一定方式相互连结在一起的单元的组合体。由于单元本身又可以有不同形状，因此可以模拟几何形状复杂的求解域。数值分析方法是研究适合于在计算机上使用的实际可行、理论可靠、计算复杂性好的数值计算方法，近40 年来，数值分析迅速发展并成为数学科学中的一个独立学科。
2 CAE 技术应用范围
CAE 技术的应用范围很广， 发展也相当快，CAE 技术的功能主要体现在产品的模型建立、工程分析、模拟仿真和优化设计等几个方面。
2.1 工程数值分析
运用工程数值分析中的有限元等技术分析计算产品结构的应力、变形等物理场量， 给出整个物理场量在空间与时间上的分布，实现结构的从线性、静力计算分析到非线性、动力的计算分析。分析内容包括静力分析和动力分析两个方面。静力分析通常包括： 线性、（材料、几何、状态）非线性静力分析;动力分析通常包括： 稳态动力分析、瞬态动力分析、谱分析。
2.2 仿真
运用运动/ 动力学的理论和方法， 对由CAD 实体造型设计出的机构、整机进行运动/ 动力学仿真，并给出机构、整机的运动轨迹、速度、加速度以及动反力的大小等。
2.3 结构优化设计
运用优化设计的方法在满足设计、制造、使用的约束条件下， 对产品的结构、工艺参数、结构形状参数进行优化设计， 使产品结构性能、工艺过程达到最优。
结构优化通常包括的截面优化、几何优化、拓扑优化、结构类型优化几个层次。
3 CAE 技术在汽车轻量化设计中的应用
在现代汽车工业中，CAE 技术在汽车设计中得到了广泛的应用，运用CAE 技术可以实现汽车的轻量化设计、制造。轻量化的手段之一就是对汽车总体结构进行分析和优化，实现对汽车零部件的精简、整体化和轻质化。
利用CAE 技术， 结合有限元法与结构优化方法，对零部件进行结构优化，是实现零部件轻量化的一个重要研究方向。本文从车身结构优化设计、发动机零部件优化设计、车架结构优化设计三个方面讲述了CAE 技术在汽车轻量化设计中的应用。
3.1 在车身轻量化设计中的应用
车身结构的轻量化对汽车节能和环保具有重要意义。据统计，客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的40 %～60%。减轻汽车自身的质量，一方面节约了原材料，降低了汽车的生产成本，另一方面也降低了燃油消耗，有利于环保。随着计算机技术的发展， CAE 技术在车身轻量化设计上得到了广泛的应用。以下文献证明了车身设计轻量化的潜力。
3.2 在发动机零部件轻量化设计中的应用
发动机是整个汽车的动力来源，随着新型汽车的不断发展，对发动机的要求也越来越高，要求现代发动机有高效率、高可靠性、体积小、质量轻的同时要求有低燃油消耗率和低排放等。发动机作为汽车最为关键的大总成之一，减轻发动机的质量对降低汽车自身重量也至关重要。从总的趋势上看，发动机一直在向着轻量化的方向发展，CAE 技术在发动机设计领域也得到广泛应用。
3.3 在车架结构轻量化设计中的应用
汽车车架是汽车结构件中结构和载荷都很复杂的重要部件，也是人们首先开展结构分析和结构优化设计的研究对象。近年来， 随着CAE 技术的发展， 拓扑优化技术成为以提高结构性能或减轻结构质量为目标的一种新兴结构设计方法， 随着商业有限元分析软件，如ANSYS，NASTRAN 中拓扑优化功能的实现，以及商品化结构优化软件（如OptiStruct，TOSCA 等） 在国内的逐步普及，目前已在车架轻量化设计中得到成功应用。
4 结语
综合国内外已经开展的研究，采用CAE 技术在汽车结构轻量化的理论研究和实际应用都取得了重要的进展。无论是从方案设计、方案评价、模型建立、工程分析等诸多方面实现对汽车零部件的精简、轻质、整合，还是对轻量化后汽车的操纵稳定性、强度和刚度、行驶安全性、乘坐舒适性等性能指标进行分析与评价，最终都实现减轻汽车质量，提高燃油经济性， 减少排放污染的目标。彰显了CAE 技术在汽车研发过程中的作用日益重要。
参考文献：
[1]付璐，付黎明.汽车造型的技术因素研究[J].包装工程，2008（07）.
[2]白晓波，王超.产品造型设计中的结构因素分析[J].包装工程，2009（04）.
