问题39 汽车轻量化的实现途径有哪些？

汽车的轻量化是在保证汽车强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力利用率，减少燃料消耗，降低排气污染，对电动汽车有十分重要的意义。汽车轻量化可以从三个方面实现：轻量化结构、轻量化工艺和轻量化材料。

轻量化结构又称结构轻量化，主要借助大型计算机辅助工程（CAE）技术的快速发展，在CAD等二维软件中建立CAE的几何模型和物理模型，然后将几何模型导入Hypermesh等前处理软件中，进行CAE前处理，接着运用相关后处理软件生成所需要处理的温度、压力、位移、应力云图，针对云图显示结果进行有目标的优化，可以大大节省产能开发周期，节约成本。

汽车的结构轻量化可以通过三个途径来实现，即拓扑优化、形状优化和尺寸优化。拓扑优化是在结构设计的概念设计阶段引入的结构优化形式。形状优化和尺寸优化都是在结构布局已经决定的情况下进行。

拓扑优化方法是在一个给定的空间区域内，依据已知的外部载荷及支承等约束条件，寻找承受单载荷或多载荷的物体的最佳结构材料分配方案，从而使结构的刚度达到最大或使输出位移、应力等达到规定要求的一种结构设计方法。它是有限元分析和优化方法有机结合的新方法，如图2-41所示。拓扑优化设计自由度大，因此通常用于车身设计初期和概念设计阶段。

图2-41 拓扑优化设计原理

形状优化是指在结构的类型、材料、布局已定的前提下对结构的几何形状进行优化，例如对布局已定的桁架的节点位置进行优化，对连续体的边界形状进行优化，对实体结构内部开孔的尺寸、形状进行优化等，如图2-42所示。

图2-42 减振器上支架优化

尺寸优化是指在给定结构的类型、材料、布局和外形几何的前提下，优化各个组成构件的截面尺寸，使重量最轻。尺寸优化是最早发展起来、最容易实现的优化技术，目前比较成熟，很多商业有限元软件都有该模块，使用起来比较方便，可进行静力学及动力学问题优化。