节能减排 | 仿真驱动轻量化设计
重量一直是汽车企业的首要关注的问题，因为重量与燃油效率息息相关。铝、镁和合成材料等越来越可能替代钢材组件。为了充分了解并全面达到极限，汽车厂商开始采用先进的计算机辅助工程(CAE)工具来优化设计，以合理成本满足客户的质量要求，并应对越来越严格的油耗要求、排放标准和碰撞测试要求。
马自达汽车公司(日本广岛)汽车开发部和技术研究中心 近期基于公司的
CX-5(参数|图片)车型开发了钢车体结构跨学科设计优化方法。马自达的技术专家Takehisa Kohira指出:“优化技术对更高性能和轻量化这两大要求之间实现平衡至关重要。”
▲图1：多学科设计优化流程图
上图展现出汽车设计中减重的复杂与挑战，这会涉及到一系列关键的性能参数。
▲图2：马自达CX-5车身侧面框架组装部分的初步分析图
上图显示针对一系列行为参数优化性能后的重量减少(白色标签)和重量增加(粉色标签)情况。
那么结果如何？团队实现了重量减轻3.4%的目标。多学科设计优化工作方法现在正应用于马自达的创驰蓝天(SKYACTIV)车身技术开发项目中，将通过引擎和传动技术改进以及轻量化的车身、底 盘最终提高汽车燃油效率。
展望未来，马自达团队计划对铝、CFRP（碳纤维增强塑料）等其他材料也可采基于达索系统自动化多学科多目标寻优MDO系统。Kohira指出:“我们目前已将钢车身设计细化到最大极限。未来设计除了钢材之外还会涉及许多其他新材料，不过我们现在已经拥有了基于达索系统解决方案以应对更高复杂性的问题。”
01丨Georg Fischer Automotive
采用仿真驱动轻量化设计，提高燃油效率
随着全球汽车产业努力提高燃油效率、满足日益严格的二氧化碳排放标准，汽车工程师正想方设法通过一切可能的途径来减轻汽车重量。
总部位于瑞士的高性能汽车铸件生产商和开发商 Georg Fischer Automotive AG就是这么做的。作为每年消耗60多万公吨铁、铝、镁用于1亿多铸件的主要供应商，该公司正通过设计、材料和流程改进积极应对重量问题。
轻量化战略的优势是显而易见的，也符合公司的“可持续交通运输”主旨。美国能源部报告指出，汽车重量减少10%，就能将燃料经济型提升6到8个百分点。
02丨优化转向节：
尽可能轻，但要确保安全
在汽车悬挂系统中，转向节连接车轮和其他悬挂组件（图4）。GF Automotive工程师为了减轻转向节的重量，同时保证结构的强劲和安全，拓扑优化是减重优化的第一步。优化后形成轻量坚固的概念设计，同时考虑到所有负载和过载情况，这对转向节这种动态承载的组件而言至关重要。随后用软件的形状优化模块通过修改零件表面几何再额外减少100克重量。
▲图3：GF Automotive优化转向节(左)和在车轮悬挂系统中的位置(右)
▲图4：优化转向节。优化设计能减重32%。
03丨兼顾批量生产的
可制造性和材料选择
对GF Automotive这样高度依赖于铸造技术的供应商来说，拓扑和形状优化十分适用于他们的生产方式，因为这种技术具有内在的设计自由度。铸件的灵活性能实现经优化的轻量设计零部件的高效批量生产，而且确保高质量。
04丨部件减重32%，
降低了二氧化碳，并赢得了奖项
从优化结果看（图5），初始重量为4.39公斤（9.7磅）的转向节现在重量为2.98公斤（6.6磅），减轻了32%。由于每个底盘需要两个零件，所以单车减重可达2.82公斤（6.2磅）。考虑到组件预计要装在160万辆车上，仅该组件使用寿命内就能减少1.26万吨二氧化碳排放。
