隨著汽車市場競爭越來越激烈，汽車企業在滿足用戶不斷提高的對可靠性、安全性、NVH等性能指標要求的同時，還希望通過降低成本來創造利潤，同時縮短開發周期以便搶得市場先機。
相對于中后期的結構優化，早期設計成本更低，設計自由度更高，CAE工程師一直在探索將CAE分析提前，改變對一個不理想模型狀態進行優化的弊端，實現CAE驅動設計。
CAE的早期介入，綜合考慮對產品有較大影響的結構設計，通過科學的分析計算，建立較為理想的設計模型，減少設計中后期因為性能提升而進行大量反復的修改，降低成本和縮短周期。
1 CAE概念設計優化模型
設計變量、目標和約束條件是優化設計的三要素。目標和約束條件屬于設計響應，根據優化目的的不同有些時候可以互換。
CAE概念設計優化技術的主要思路也是怎樣建立CAE的優化模型，確定設計變量、設計目標、約束條件。
根據優化三要素，汽車設計響應（約束條件和目標值）可根據實際問題快速提取，如白車身彎曲、扭轉剛度、模態值、碰撞加速度峰值和等效加速、白車身質量等都可以作為設計響應，在CAE概念設計優化模型中，以整體質量為目標值的優化問題比較常見。CAE優化技術關鍵點是設置及選取設計變量，本文將介紹兩種提取設計變量的方法，參數化建模法和網格變形過程錄制法。
2 概念設計階段優化流程
傳統研發流程存在以下問題：
（1）概念設計方案主要依靠工程師的經驗來確定。
（2）設計早期階段缺少對產品性能有較大影響的結構設計方面的考慮。
（3）設計中后期進行大量反復的修改，帶來成本和周期的問題。
隨著研發的推進，零部件逐步開始進行開模、招標，設計自由度越來越小，優化更改方案的成本也越來越高，受到周期、成本、空間等限制，很多優化方案不能實施。研發成本模型如圖1所示。
圖1 研發成本模型
由圖1可知，相對于中后期的結構優化，早期設計成本更低，設計自由度更高，概念設計階段引入CAE性能評估優化，將CAE分析提前，改變對一個不理想模型狀態進行優化的弊端，實現CAE驅動設計。概念階段嵌入CAE優化技術的汽車研發流程如圖2所示。
圖2 概念階段嵌入CAE優化技術的汽車優化流程
概念設計階段的CAE優化分析主要從拓撲結構優化[4]和料厚優化角度進行分析，如圖3所示。料厚優化主要是對產品進行減重，拓撲結構優化提升產品性能，通過拓撲結構優化和料厚優化的聯合仿真，達到優化性能和減重的雙重目的。
圖3 概念優化分析流程
3 概念設計CAE優化分析實例
3.1參數化建模技術設置設計變量實例
利用參數化建模軟件SFE concept將有限元模型或者全新的車身主斷面結構轉換成參數化模型，如圖4所示。
圖4 某車型的參數化模型
采用建模采取點—線—截面—接頭和梁—自由曲面—白車身的方法建立參數化模型。參數化模型隨參數變化而變化。白車身參數化模型由于線條簡單，每次新變化的參數化模型均可自動生成有限元模型。通過對不同參數組合的結構優化，選取最佳參數組合。
3.2網格變形技術設置設計變量實例
利用網格變形軟件DEP Morpher將參考車有限元模型的拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數。該參數由模塊控制，該模塊可控制不同分析類型的計算模型，也可控制不同規模（部件級、車身級、TB級、整車級）的分析模型的同一morphing部位，以此來實現多學科綜合優化的功能。
圖5 某車型的網格變形參數化模型
3.3以網格變形參數為變量的優化分析實例
3.3.1邊界條件
（1）根據技術要求將拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數。
（2）基于老款車型白車身彎曲剛度、扭轉剛度、模態值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度為約束。
（3）以白車身質量為目標進行優化分析。
3.3.2優化過程
（1）設置網格變形過程錄制參數、料厚優化參數。
（2）根據靈敏度分析選擇參與優化分析的參數。
（3）利用isight生成DOE矩陣，產生設計變量，利用DOE輸出矩陣控制基礎模型，得到優化分析模型進行計算，其分析結果在isight中通過分析響應面，選出最優結果。
3.4優化分析結果
正面碰撞分析結果對比，加速度第一峰值降低0.5m/s2，有效加速度降低0.7m/s2。
表1 計算結果對比
4 結論
通過概念階段CAE優化分析，快速驗證參數化設計變量、料厚設計變量的綜合優化作用，在彎曲剛度、扭轉剛度、模態基本不變，碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情況下，降低白車身質量，為設計工程師提供了設計方向。
CAE優化技術改變了工程師依靠經驗設計，進行建模和CAE分析，把CAE作為一種驗算的工作模式，通過CAE分析，科學地尋找最優化的設計方案，實現CAE驅動設計。
概念設計階段的CAE優化分析確定的車身基本結構綜合考慮了汽車可靠性、安全性、NVH等性能指標，減少了中后期大量反復的修改。降低成本給企業創造了利潤，縮短開發周期為企業搶得市場先機。
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本文標題：CAE優化技術在汽車概念設計中的應用
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