如何用Tosca Structure軟件為車身減重

寂靜天花板

隨著全球汽車產業(yè)努力提高燃油效率、滿足日益嚴格的二氧化碳排放標準，汽車工程師正想方設法通過一切可能的途徑來減輕汽車重量。

總部位于瑞士的高性能汽車鑄件生產商和開發(fā)商Georg Fischer Automotive AG就是這么做的。作為每年消耗60多萬公噸鐵、鋁、鎂用于1億多鑄件的主要供應商，該公司正通過設計、材料和流程改進積極應對重量問題。

輕量化戰(zhàn)略的優(yōu)勢是顯而易見的，也符合公司的“可持續(xù)交通運輸”主旨。美國能源部報告指出，汽車重量減少10%，就能將燃料經(jīng)濟型提升6到8個百分點。用SIMULIA Tosca Structure開展設計減重對喬治費歇爾（GF Automotive）來說，底盤零部件開發(fā)的一個重要部分就是采用現(xiàn)代化仿真與優(yōu)化手段。該公司的工程師多年來一直采用計算機輔助工程（CAE）工具，大幅縮短了開發(fā)時間，并提高了產品質量。公司目前憑借優(yōu)化軟件包SIMULIA Tosca Structure的拓撲和形狀優(yōu)化模塊來減輕零部件重量，同時確保產品符合所需的負載要求。

減輕零部件重量需要在產品開發(fā)過程中采用整體方法，結合工程專業(yè)技術和計算機工作方法。FEDESIGN（2013年5月以來納入達索3DEXPERIENCE旗下的SIMULIA品牌）的Tosca™Structure是一款靈活的模塊化軟件系統(tǒng)，支持非參數(shù)結構優(yōu)化。采用的方法包括拓撲、形狀和起筋優(yōu)化，并結合業(yè)界標準的有限元分析求解器。喬治費歇爾（GF Automotive）在各種不同項目中采用該軟件，在設計中努力減輕汽車重量。

優(yōu)化轉向節(jié)：盡可能輕，但要確保安全在汽車懸掛系統(tǒng)中，轉向節(jié)連接車輪和其他懸掛組件。喬治費歇爾（GF Automotive）工程師為了減輕轉向節(jié)的重量，同時保證結構的強勁和安全，他們采用了Tosca™Structure軟件進行優(yōu)化。喬治費歇爾（GF Automotive）的前產品開發(fā)項目工程師Roman Brauner指出：“通過采用Tosca，我們能讓設計方案最符合承載要求，確保鐵鑄件和輕型金屬鑄件滿足輕量化和缺口應力不敏感。”成功開展大規(guī)模（系列）設計的關鍵起點就是先定義適當?shù)脑O計空間。對轉向節(jié)來說，這包括兼顧軸、輪和懸掛總成等動力學要求。零部件的產品規(guī)范隨后轉變?yōu)榉治鲋械牧W要求。Tosca Structure拓撲模塊是減重優(yōu)化的第一步。優(yōu)化后形成輕量堅固的概念設計，同時考慮到所有負載和過載情況，這對轉向節(jié)這種動態(tài)承載的組件而言至關重要。隨后用軟件的形狀優(yōu)化模塊通過修改零件表面幾何再額外減少100克重量。

對喬治費歇爾（GF Automotive）這樣高度依賴于鑄造技術的供應商來說，拓撲和形狀優(yōu)化十分適用于他們的生產方式，因為這種技術具有內在的設計自由度。鑄件的靈活性能實現(xiàn)經(jīng)優(yōu)化的輕量設計零部件的高效批量生產，而且確保高質量。

優(yōu)化工藝的好處很多。舉例來說，新設計理念能從Tosca™ Structure方便地引入CAD模型，幾乎無需額外的解讀。Tosca™ Structure的全面自動化優(yōu)化進程也能快速產生成果。就轉向節(jié)而言，軟件幫助工程師方便地獲得適合生產要求的設計方案，考慮到所有的關鍵生產流程和步驟，包括脫模方向和機械精整加工鉗夾點等都包含在優(yōu)化設置中。

選擇性地整合改進設計與適當?shù)牟牧弦约靶薷暮蟮纳a工藝能夠進一步產生價值。喬治費歇爾（GF Automotive）內部開發(fā)的新型鑄鐵SiboDur材料提供更好的失效、拉伸載荷和疲勞強度等屬性。有了這些屬性，更輕量化的優(yōu)化設計符合部件的所有安全要求。

Brauner指出：“除了鋁之外，創(chuàng)新型鑄鐵材料也是未來發(fā)展趨勢。無論如何，我們的目標是僅用所需的最少材料就滿足組件的安全要求。”

從優(yōu)化結果看初始重量為4.39公斤（9.7磅）的轉向節(jié)現(xiàn)在重量為2.98公斤（6.6磅），減輕了32%。由于每個底盤需要兩個零件，所以單車減重可達2.82公斤（6.2磅）。考慮到組件預計要裝在160萬輛車上，僅該組件使用壽命內就能減少1.26萬噸二氧化碳排放。新的輕量化轉向節(jié)自2012年開始大規(guī)模生產實施。大眾將其用于MQB平臺，如高爾夫七代和奧迪A3等車型。該設計還得到著名的ÖkoGlobe環(huán)保獎下的原材料、材料和工藝優(yōu)化門類獎，該獎表彰交通領域的可持續(xù)先驅性創(chuàng)新成果。

Georg Fischer Automotive AG隸屬Georg Fischer AG旗下，總部位于瑞士沙夫豪森，是深受汽車行業(yè)信賴的知名開發(fā)和批量生產合作伙伴。喬治費歇爾（GF Automotive）多年來一直為減重和輕量化開展研發(fā)設計，積極推進二氧化碳減排和高效油耗。采用Tosca Structure優(yōu)化軟件設計輕量化零部件，只是喬治費歇爾（GF Automotive）打造汽車行業(yè)更輕的未來的第一步。