基于有限元分析的汽车零部件轻量化设计

汽车轻量化设计研究

企业产业发展的主要方向就是汽车轻量化，也是一个汽车厂商是否拥有先进技术的主要标志。我国汽车制造业很早已经把轻量化作为发展课题，如今面对逐渐提高的环保要求以及不断上涨的原材料价格，积极发展汽车灯具轻量化已经显得至关重要。文章主要分析了汽车轻量化设计的现状和意义，汽车灯具轻量化设计应用，汽车轻量化技术的应用前景。

标签：汽车轻量化；设计；发展

1 汽车轻量化设计的现状和意义

在世界经济领域与人们现实生活中企业的地位毋庸置疑，其发展的重要方向是舒适、安全、低成本、节能和智能化等，随着不断提高的社会文明程度以及日益紧张的不可再生资源，最大程度降低材料用量以及控制尾气污染，这些都是汽车行业需要面对的挑战。相关资料表示，每次减少10%的汽车质量，可以节省6-8%的油耗。世界主要汽车生产国都在严格执行排放标准。我国北京也把汽车尾气排放强制执行欧洲三级标准。

控制节省车体质量，也就是轻量化设计这一主要问题，不仅可以减少材料消耗，还可以降低排放尾气量，这已经成为全球汽车行业的共识，已经得到了巨大的成绩。同时加入WTO以后，对轻量化设计的大量应用，提高了我国汽车综合水平，成功接轨于世界标准，对于提升我国汽车行业国际竞争起到重要作用。

2 汽车灯具轻量化设计应用

2.1 替代材料

20世纪80年代，由于能源危机造成的影响，日本提出了汽车轻量化设计，设计出对能耗与原材料有效节省的新车型。汽车灯具选择注塑材料制作，提出了与灯具大型注塑件相适合的制造技术，有效节省了手工操作所需的成本，进一步提升了企业灯具轻量化设计水平。车灯具体能够划分为前照灯、后车灯、转向灯、雾灯等。PC由于具有较强的抗冲击能力要相当于250倍的无机玻璃，相当于30倍的聚甲基丙烯酸甲酯板材，最早代替剥离在前灯外罩中应用，由于利用PC制作外罩，造成灯体利用改性聚丙烯，灯罩与灯体一般利用粘胶粘接式进行装配。此外，车灯造型中装饰功能是主要部分，PC拥有极好的光学与着色性能，可以制作车内装饰条对车灯进行点缀和装饰。一般利用透明有色的PC制作装饰条，可以选择辅助喷底漆突出其颜色，也可以同构镀铝方式对金属色积极改变和装饰；装饰圈通常利用镀铝方式改变金属色在照明灯外实施包嵌；灯具中反射镜是主要的零部件，从前都是利用压铸件镀铝进行制作，目前全部应用PC注塑镀铝，降低了质量，也对工艺进行了简化。灯具中一般是没有办法改变灯泡的发光颜色的，而指示灯全部是发出颜色的灯光，因此，利用内配光镜的颜色对整灯光颜色进行调整，通常有色透明PC的颜色包括红、黄、绿和蓝。

汽车结构的常规有限元分析

唐述斌

本文介绍了与产品研发同步的5个有限元分析阶段，阐述了有限元模型建立过程中应注意的问题，简单介绍了汽车产品的4种常规分析方法，建立汽车设计标准的方法，以及3个强度分析范例。范例1说明了有限元分析应注意的内容，范例2和3介绍了“应力幅值法”在解决汽车车轮轮辐开裂和汽车发动机汽缸体水套底板开裂问题的应用。

汽车是艺术和技术的结合。一辆好车的主要特点是造型美观、有时代感、结构设计合理、轻量化、材料利用率高，车辆性能先进并且满足国家法规、标准和环保的要求，质量可靠、保养方便、低成本、用户满意、满足市场需求等。在竞争日益激烈的汽车市场，汽车性价比已经成为市场竞争的焦点。采用有限元的常规分析技术，用计算机辅助设计代替经验设计，预测结构性能、实现结构优化，提高产品研发水平、降低产品成本，加快新产品上市。

1. 与产品研发同步的5个有限元分析阶段

在汽车产品研发流程中，一般有如下5个同步的有限元分析阶段：

第0阶段：对样车进行试验和分析；

第1阶段：概念设计阶段的分析；

第2阶段：详细设计阶段的分析；

第3阶段：确认设计阶段的分析；

第4阶段：产品批量生产后改进设计的分析。

有限元分析在产品研发的不同阶段有不同的分析目的和分析内容。有限元分析和试验分析是互相结合和验证的。在详细设计阶段，有些汽车公司对白车身和成品车车身都进行有限元分析，有些汽车公司只对白车身进行有限元分析。

2. 有限元分析的关键环节――建立合理的有限元模型

有限元模型的建立是有限元分析的关键环节。通过力学分析，把实际工程问题简化为有限元分析的问题，提出建立有限元模型的具体意见和方法，确定载荷和位移边界条件，使得有限元分析有较好的模拟（仿真）效果。

前处理自动生成的网格可能存在问题。建立有限元模型的好坏直接影响计算结果的误差和分析结论的正确性。在结构的几何图形上，划分有限元网格是建立有限元模型的主要内容之一。在用有限元分析的前处理自动生成网格时，特别是用常应变单元自动生成有限元网格时要非常注意，有可能存在问题，应引起注意，必要时加以改进。要想用有限元分析前处理自动生成出好的有限元网格也要付出辛勤地劳动。即使在方案比较的情况下，应力和变形的分布规律也不能离谱，计算结果的误差也应在给定的范围之内，建立好的有限元模型与分析经验有关。

基于ANSYS的汽车铝合金轮毂轻量化设计

作者：方宝涛 徐丹

来源：《时代汽车》2023年第21期

摘 要：针对汽车轻量化的需求，以某款轿车的铝合金轮毂为研究对象，利用ANSYS软件进行参数化建模和有限元分析，计算并分析了不同轮辐数量和轮辐厚度对轮毂最大变形量和等效应力的影响，并从中选出满足使用要求的轻量化优化方案，对后续轻量化设计工作具有实用意义和借鉴作用。

关键词：ANSYS 铝合金轮毂 轮辐 轻量化

1 引言

汽车轮毂是支撑轮胎，缓冲外界冲击，实现轮胎与路面的接触，保证车辆的行驶性能的圆柱形金属部件。汽车在行驶中，车轮与地面的相互作用力，以及使汽车运动的力矩都是通过轮毂来实现的。因此轮毂的强度大小是汽车稳定、可靠运行的重要因素[1]。

轻量化趋势是未来汽车的必然选择，而研究汽车轮毂的轻量化设计，也必须考虑到其机械性能能否满足要求[2]。如闫龙龙[3]通过减小轮毂尺寸、使用轻质材料、采用计算机进行结构设计等方式实现了轮毂的轻量化。武海滨等[4]结合铝合金材料特性，利用有限元分析技术，计算出轮辐的最佳厚度和两个轮辐之间的最佳角度范围，减轻了轮毂的重量。王俊峰等[5]探讨了碳纤维材料在汽车轻量化设计中的应用。本文以某款轿车的铝合金轮毂进行研究，利用有限元分析软件ANSYS建构了铝合金轮毂模型，计算出不同轮辐数量和厚度条件下的应力分布，通过强度分析，围绕铝合金轮毂的结构和工艺等方面展开轻量化设计。

2 汽车轮毂简介

轮毂主要由轮辋、轮辐、偏距、轮缘与槽底构成。轮辋与轮胎装配相配合，支撑轮胎的车轮部分；轮辐与车轴轮毂实施安装连接，支撑轮辋的车轮部分。轮毂组成部分如图1所示。 目前市场上的汽车轮毂主要分为3种：钢制轮毂、铝合金轮毂以及镁合金轮毂。钢制轮毂在市场上已不多见，大部分适应用于卡车或必须承载重量较大的车辆所使用，优点是结构强度高与耐冲击性良好，但缺点是重量重；铝合金轮毂以铝合金为基本材料，并适当加入各种金属元素，如：锰、镁、铬等元素，铝合金轮圈除了在造型上更加多变外，还具有形性好、质量轻，具有可回收等一系列优点，对减轻车身重量、节能减排都有着很大的影响；镁合金轮毂在汽车上的使用并非最近才出现的，是近几年来汽车市场上较为少见的产品，碳纤维轮圈具有高强度低重量的物理特性，同等体积的碳纤维强度为钢制轮毂10倍，重量却仅有钢制轮毂的1/4，但制造成本也比传统工艺高许多，且目前无法量产化，因此目前只有顶级轿车或跑车才会使用。就目前来看，主流的还是铝合金轮毂。

某轿车后排座椅骨架CAE分析及轻量化设计

随着现代科技的快速发展，汽车作为一个重要的交通工具，不断地在各个方面得到了升级和完善。其中，座椅骨架作为一项关键的结构部件，其性能和质量直接关系到乘坐者的安全和舒适性。本文将针对某轿车的后排座椅骨架进行CAE分析和轻量化设计。

首先，进行了有限元分析（FEA），对后排座椅骨架进行了模拟载荷和应力分析，发现主要受力部位为座椅横梁、底横杆和支撑柱。经过计算和优化，设计出了一种新的轻量化骨架结构——采用高强度铝合金材料，配合特殊的构造，将骨架重量成功减少30%以上。

针对新的骨架结构，进行了数值模拟，发现其强度和刚度性能均达到了设计目标。同时，在这种轻量化设计的结构下，座椅的舒适性和稳定性也得到了提升。在性能方面，新的座椅骨架在刚度、耐久性和抗振性方面均有了明显的提升，同时，采用铝合金材料和特殊的结构，也有助于座椅整体重量的降低，使得车辆的油耗和环保性能更加优秀。

此外，新的座椅骨架还具有其他优点，例如加工成本低、易于维修和更换、可适应多种型号的轿车等等。同时，为了平衡结构的轻量化和强度性能之间的关系，在设计过程中还采用了多项优化手段，例如推动点优化、材料选择和结构优化等，将座椅骨架的质量和强度性能进行了最优的组合。

综上所述，对某轿车的后排座椅骨架进行了CAE分析和轻量化设计。新的结构采用高强度铝合金材料，经过数值模拟优化，将骨架重量减少了30%以上，同时其强度、舒适性和可靠性能均得到了提升。通过优化设计和多种优化手段的应用，使得结构的轻量化和强度性能之间达到了最佳的平衡，为轿车的性能和质量带来了进一步的提升。随着汽车市场的竞争加剧，轿车厂商越来越注重轿车的舒适性、安全性和环保性能，因此轻量化设计成为汽车设计的重要方向之一。在这个背景下，轿车座椅骨架的轻量化设计也越来越受到关注。在本篇文章中，我们将介绍座椅骨架的轻量化设计和其对轿车整体性能的影响。

座椅骨架是座椅的支撑结构，通常由金属材料制成。在传统设计中，座椅骨架材料主要采用钢材，其优点是可靠、耐久、抗冲击等。但是，钢材重量较大，因此很难满足轿车轻量化设计的要求。在这个背景下，铝合金等轻量材料的应用越来越受到人们的关注，目前已经在很多轿车座椅中得到了应用。