雖然在汽車輕量化的大趨勢(shì)下，多材料混合應(yīng)用車身設(shè)計(jì)趨勢(shì)越來(lái)越明顯，但鋼材仍是車身的主要材料。一方面，鋼材具有優(yōu)良的可加工性；另一方面，隨著汽車用鋼的高強(qiáng)度化，車用鋼板進(jìn)一步減薄，實(shí)現(xiàn)了減重和高剛性的統(tǒng)一。近20年來(lái)，鋼鐵材料一直主導(dǎo)著車身用材的市場(chǎng)。在新的行業(yè)形勢(shì)下，鋼材的使用需要兼顧減重和安全性，適當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)手段顯得尤為重要。

    仿真優(yōu)化（例如數(shù)值優(yōu)化numerical optimization）特別適合于研究開(kāi)發(fā)概念和早期定義合適的設(shè)計(jì)方向。除了研究結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)有限元模擬之外，數(shù)值優(yōu)化使工程師能夠更好的平衡開(kāi)發(fā)過(guò)程中的各個(gè)影響因素，從而明確輕量化潛力。多年來(lái)，數(shù)值優(yōu)化已經(jīng)成為汽車開(kāi)發(fā)中一種成熟的方法，因?yàn)樵撨€可以實(shí)現(xiàn)用盡可能少的材料達(dá)到負(fù)載優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。但是目前仿真優(yōu)化仍只是作為汽車產(chǎn)品開(kāi)發(fā)的輔助工具。以國(guó)能電動(dòng)汽車（NEVS）使用的，由Altair提供的C123方法（如圖1）為高強(qiáng)度鋼車身仿真優(yōu)化提供了新思路。

    優(yōu)化方法

    多年來(lái)，汽車行業(yè)在設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)和測(cè)試等各領(lǐng)域使用仿真技術(shù)。通過(guò)仿真設(shè)計(jì)和驗(yàn)證，提前查找故障缺陷，并提出解決方案，進(jìn)而縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期。然而，由于工程師在創(chuàng)建仿真模型時(shí)需要較長(zhǎng)的時(shí)間，這無(wú)法與設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)的進(jìn)度需求相匹配。因此，仿真技術(shù)僅在驗(yàn)證過(guò)程中發(fā)揮作用。如果能模擬和優(yōu)化被用作設(shè)計(jì)工具，并結(jié)合到車輛設(shè)計(jì)過(guò)程中的帕累托圖中（如圖2），將更加節(jié)省設(shè)計(jì)成本?？梢栽谠缙诟拍铍A段充分利用模擬的優(yōu)化潛力，獲得更多的設(shè)計(jì)信息。一旦設(shè)計(jì)階段開(kāi)始，許多因素將被確定，整體設(shè)計(jì)的重大變化要么無(wú)法實(shí)現(xiàn)要么太昂貴。

    C123優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

    為了應(yīng)對(duì)這一根本性挑戰(zhàn)，Altair創(chuàng)建了C123開(kāi)發(fā)方法，在開(kāi)發(fā)早期為工程師提供了寶貴的見(jiàn)解。C123方法是一種非常靈活的方法，在白車身開(kāi)發(fā)的三個(gè)階段進(jìn)行優(yōu)化，如圖3。C1階段構(gòu)建空間模型，定義載荷路徑；C2階段添加各種梁、A/B柱等結(jié)構(gòu)單元；C3階段基本與使用shell模型的傳統(tǒng)方法相同。為了快速模擬和優(yōu)化殼模型，通常忽略基本設(shè)計(jì)決策不需要的細(xì)節(jié)。模擬驅(qū)動(dòng)開(kāi)發(fā)的目標(biāo)是提供支持，展示正確的方向，評(píng)估設(shè)計(jì)備選方案，并在所有開(kāi)發(fā)目標(biāo)之間找到最佳平衡點(diǎn)。

    遵循該方法，可將共享平臺(tái)上的各車輛配置集成到數(shù)值設(shè)計(jì)過(guò)程中，無(wú)需再對(duì)每個(gè)變體進(jìn)行細(xì)化。

    如圖4所示的C1階段可提供車輛基礎(chǔ)數(shù)據(jù)設(shè)置的參考。如可用的設(shè)計(jì)空間和所匹配的結(jié)構(gòu)，以及各種車型（coupé，面包車，豪華轎車）需要的設(shè)計(jì)空間。C1階段的目標(biāo)是確定最佳負(fù)載路徑。

    確定初步載荷路徑后，在第C2階段確定載荷路徑，進(jìn)而確定諸如門(mén)檻、A/B柱等零件的截面數(shù)據(jù)，如圖5所示。該過(guò)程可以通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證兩方面來(lái)實(shí)現(xiàn)部件橫截面尺寸的優(yōu)化。

    在第三階段（C3）中，將更多細(xì)節(jié)問(wèn)題添加到模型中，采取多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)（MDO），如圖6。該階段對(duì)項(xiàng)目的最終實(shí)施和成本控制特別重要，相關(guān)設(shè)計(jì)決策需要建立在實(shí)際生產(chǎn)條件基礎(chǔ)上。如：鈑金的設(shè)計(jì)、鑄造工藝、成型工藝等。將包含前兩個(gè)階段的所有信息集成在一起，進(jìn)一步優(yōu)化研究，創(chuàng)建最終模型。

    綜上，該方法先基于設(shè)計(jì)目標(biāo)車型要求創(chuàng)建結(jié)構(gòu)空間設(shè)計(jì)，然后基于載荷路徑分析確定各自梁等部件的截面尺寸，最后將制造工藝等設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)考慮進(jìn)去做最終的優(yōu)化確定。

    國(guó)能汽車基于C123設(shè)計(jì)優(yōu)化

    國(guó)能汽車（NEVS）是國(guó)內(nèi)知名高端電動(dòng)車供應(yīng)商，為客戶提供多樣化移動(dòng)解決方案和可持續(xù)發(fā)展方案。國(guó)能汽車的C123設(shè)計(jì)優(yōu)化流程如圖7，主要內(nèi)容包含：

    開(kāi)發(fā)基于電池托架、汽車車身和其他承載結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)平臺(tái)在概念階段指導(dǎo)和監(jiān)控負(fù)載路徑，以便車輪整體結(jié)構(gòu)及配置布置（如全景天窗、電機(jī)配置、車輛尺寸設(shè)置）通過(guò)良好的數(shù)據(jù)監(jiān)控，在不同屬性（如重量，成本，性能等）結(jié)構(gòu)可行性研究之間建立最佳平衡單個(gè)部分和車輛類型之間的模塊化設(shè)計(jì)。

    NEVS以SUV平臺(tái)為起點(diǎn)，與NEVS和Altair共同設(shè)計(jì)研究了不同種類的基礎(chǔ)變形。由于NEVS產(chǎn)品為電動(dòng)車，電池架構(gòu)的設(shè)計(jì)尤為重要。為了開(kāi)發(fā)能確保可同時(shí)考慮所有車輛變化的平臺(tái)，他們執(zhí)行多模型優(yōu)化，允許工程師在設(shè)計(jì)時(shí)可同時(shí)考慮多個(gè)因素。

    如，在一項(xiàng)研究中，他們想要評(píng)估電池載體的某種變體對(duì)其他車輛結(jié)構(gòu)的性能會(huì)產(chǎn)生什么后果。由于不同車輛的結(jié)構(gòu)信息多樣，該評(píng)估需要考慮多種動(dòng)態(tài)變化。特別是在碰撞模擬期間，電池托架也可以用作附加的載荷路徑，從而可以更好地解決不同載荷路徑之間的載荷分布。隨后，研究連接以找到電池載體的理想連接并達(dá)到最佳性能。

    小結(jié)

    使用C123開(kāi)發(fā)方法，可實(shí)現(xiàn)仿真優(yōu)化對(duì)NEVS概念設(shè)計(jì)的支持。通過(guò)系統(tǒng)地優(yōu)化技術(shù)，工程師可設(shè)計(jì)多個(gè)備選方案，確定設(shè)計(jì)敏感因素，解決權(quán)衡問(wèn)題。并運(yùn)行假設(shè)情景，以獲得部分競(jìng)爭(zhēng)因素（如性能，重量和成本）之間的最佳設(shè)平衡。新方法可讓設(shè)計(jì)人員快速評(píng)估設(shè)計(jì)變更對(duì)汽車組件帶來(lái)的影響，從而讓早期的概念設(shè)計(jì)更加成熟。

    與使用仿真來(lái)驗(yàn)證單個(gè)組件相比，C123過(guò)程提供了一種仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的新方法。使用這種方法可在車輛開(kāi)發(fā)的早期識(shí)別和跟進(jìn)輕量設(shè)計(jì)最有利的發(fā)展方向。而且在開(kāi)發(fā)過(guò)程中可實(shí)現(xiàn)多條件協(xié)同作用。

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