雖然在汽車輕量化的大趨勢下，多材料混合應用車身設計趨勢越來越明顯，但鋼材仍是車身的主要材料。一方面，鋼材具有優良的可加工性；另一方面，隨著汽車用鋼的高強度化，車用鋼板進一步減薄，實現了減重和高剛性的統一。近20年來，鋼鐵材料一直主導著車身用材的市場。在新的行業形勢下，鋼材的使用需要兼顧減重和安全性，適當的開發手段顯得尤為重要。

    仿真優化（例如數值優化numerical optimization）特別適合于研究開發概念和早期定義合適的設計方向。除了研究結構設計的傳統有限元模擬之外，數值優化使工程師能夠更好的平衡開發過程中的各個影響因素，從而明確輕量化潛力。多年來，數值優化已經成為汽車開發中一種成熟的方法，因為該還可以實現用盡可能少的材料達到負載優化的結構設計。但是目前仿真優化仍只是作為汽車產品開發的輔助工具。以國能電動汽車（NEVS）使用的，由Altair提供的C123方法（如圖1）為高強度鋼車身仿真優化提供了新思路。

    優化方法

    多年來，汽車行業在設計、開發和測試等各領域使用仿真技術。通過仿真設計和驗證，提前查找故障缺陷，并提出解決方案，進而縮短產品開發周期。然而，由于工程師在創建仿真模型時需要較長的時間，這無法與設計團隊的進度需求相匹配。因此，仿真技術僅在驗證過程中發揮作用。如果能模擬和優化被用作設計工具，并結合到車輛設計過程中的帕累托圖中（如圖2），將更加節省設計成本。可以在早期概念階段充分利用模擬的優化潛力，獲得更多的設計信息。一旦設計階段開始，許多因素將被確定，整體設計的重大變化要么無法實現要么太昂貴。

    C123優化設計方法

    為了應對這一根本性挑戰，Altair創建了C123開發方法，在開發早期為工程師提供了寶貴的見解。C123方法是一種非常靈活的方法，在白車身開發的三個階段進行優化，如圖3。C1階段構建空間模型，定義載荷路徑；C2階段添加各種梁、A/B柱等結構單元；C3階段基本與使用shell模型的傳統方法相同。為了快速模擬和優化殼模型，通常忽略基本設計決策不需要的細節。模擬驅動開發的目標是提供支持，展示正確的方向，評估設計備選方案，并在所有開發目標之間找到最佳平衡點。

    遵循該方法，可將共享平臺上的各車輛配置集成到數值設計過程中，無需再對每個變體進行細化。

    如圖4所示的C1階段可提供車輛基礎數據設置的參考。如可用的設計空間和所匹配的結構，以及各種車型（coupé，面包車，豪華轎車）需要的設計空間。C1階段的目標是確定最佳負載路徑。

    確定初步載荷路徑后，在第C2階段確定載荷路徑，進而確定諸如門檻、A/B柱等零件的截面數據，如圖5所示。該過程可以通過優化設計和試驗驗證兩方面來實現部件橫截面尺寸的優化。

    在第三階段（C3）中，將更多細節問題添加到模型中，采取多學科優化設計（MDO），如圖6。該階段對項目的最終實施和成本控制特別重要，相關設計決策需要建立在實際生產條件基礎上。如：鈑金的設計、鑄造工藝、成型工藝等。將包含前兩個階段的所有信息集成在一起，進一步優化研究，創建最終模型。

    綜上，該方法先基于設計目標車型要求創建結構空間設計，然后基于載荷路徑分析確定各自梁等部件的截面尺寸，最后將制造工藝等設計細節考慮進去做最終的優化確定。

    國能汽車基于C123設計優化

    國能汽車（NEVS）是國內知名高端電動車供應商，為客戶提供多樣化移動解決方案和可持續發展方案。國能汽車的C123設計優化流程如圖7，主要內容包含：

    開發基于電池托架、汽車車身和其他承載結構的結構平臺在概念階段指導和監控負載路徑，以便車輪整體結構及配置布置（如全景天窗、電機配置、車輛尺寸設置）通過良好的數據監控，在不同屬性（如重量，成本，性能等）結構可行性研究之間建立最佳平衡單個部分和車輛類型之間的模塊化設計。

    NEVS以SUV平臺為起點，與NEVS和Altair共同設計研究了不同種類的基礎變形。由于NEVS產品為電動車，電池架構的設計尤為重要。為了開發能確保可同時考慮所有車輛變化的平臺，他們執行多模型優化，允許工程師在設計時可同時考慮多個因素。

    如，在一項研究中，他們想要評估電池載體的某種變體對其他車輛結構的性能會產生什么后果。由于不同車輛的結構信息多樣，該評估需要考慮多種動態變化。特別是在碰撞模擬期間，電池托架也可以用作附加的載荷路徑，從而可以更好地解決不同載荷路徑之間的載荷分布。隨后，研究連接以找到電池載體的理想連接并達到最佳性能。

    小結

    使用C123開發方法，可實現仿真優化對NEVS概念設計的支持。通過系統地優化技術，工程師可設計多個備選方案，確定設計敏感因素，解決權衡問題。并運行假設情景，以獲得部分競爭因素（如性能，重量和成本）之間的最佳設平衡。新方法可讓設計人員快速評估設計變更對汽車組件帶來的影響，從而讓早期的概念設計更加成熟。

    與使用仿真來驗證單個組件相比，C123過程提供了一種仿真驅動設計的新方法。使用這種方法可在車輛開發的早期識別和跟進輕量設計最有利的發展方向。而且在開發過程中可實現多條件協同作用。

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責任編輯：王元

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