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大众汽车(VolksWagen):基于复合材料的汽车轻量化设计技术

2015/1/9    来源:Altair        
关键字:复合材料  轻量化  优化设计  
本文主要介绍了大众汽车研究中心与Altair公司产品咨询团队合作开展的一项研究,其核心目标是在传统的B-柱设计中引入复合材料材质,以期在合理的制造成本内,获得质量更轻,性能更好的B-柱设计方案。

项目介绍

    在汽车研发的领域,轻量化设计早已成为整车产品开发的主要潮流。轻量化设计,意味着更少的材料使用,更轻的车身重量,更少的CO2排放。归功于使用轻量化设计技术获得的新一代车身,汽车成本效率得到了大幅度的提升,同时车辆的可操控性也显著增强。通常,在这一领域,新材料的应用是创新设计的主要源泉。近些年来,使用铝制零部件取代传统的钢制零部件,为汽车企业节约了大量的材料。但是寻找质量更轻,性能更好的材料的研究始终没有停止。在最新的研究成果中,复合材料已经在汽车零部件轻量化设计中崭露头角。但是直到最近,复合材料的应用仍然局限于汽车的非承重零部件和非安全相关零部件。今天,越来越多的汽车厂商开始对复合材料在承重零部件上的应用的可行性进行探索。因为复合材料的固有特性与金属材料有很大不同,因此需要一套全新的产品开发流程。大众汽车研究中心近期开展了一项研究,其核心目标是在传统的B-柱设计中引入复合材料材质,以期在合理的制造成本内,获得质量更轻,性能更好的B-柱设计方案。这个项目是与Altair公司产品咨询团队(Altair ProductDesign)合作并运用HyperWorks软件完成的。

 图1 大众汽车办公大楼外景

图1 大众汽车办公大楼外景

关于大众

    总部位于德国沃尔夫斯堡的大众汽车是世界第三大汽车整车集团。目前,该集团雇员有40万人,每天生产汽车将近3万辆。大众汽车广销全球150多个国家。

解决方案

大众汽车复合材料优化设计

    大众汽车对复合材料在汽车承重零部件中的应用起始于某铝制B-柱结构。该部件使用额外的钢制及铝制零部件进行了加强。大众汽车和Altair ProductDesign的工程师对在该零部件上使用复合材料替代铝材料以获得质量更轻的设计方案展开了研究。为了对比验证新的设计方案与原有方案在质量及性能上的差别,工程师选择了一款已有的B-柱零部件(Audi A8,D3)作为基础设计。对于所选定的模型,工程师们基于其工程经验、产品性能数据以及CAD数据,作为其新产品设计的依据。基于以上的知识,工程师们开始探索是否可以在原有设计的基础上,设计出一款使用全复合材料制成的全新设计方案,并在产品性能、可加工性、重量和成本上与原始B-柱设计方案相比具有一定的竞争力。该工作的核心内容是定义出一套全新的、具有高可靠性和高效率的开发流程,可以用于各类复合材料零部件的研发工作,并可以通过仿真手段,对设计结果进行验证。原有铝制结构上的载荷工况被新的测试程序继承,针对B-柱结构,包括静态车顶挤压、座椅安全带固定装置实验以及IIHS侧面碰撞工况。

    在汽车承重零部件复合材料优化设计中,面临的挑战包括高度的非线性行为(大变形、接触、结构失效)以及大量的设计变量(拓扑结构、复合材料铺层数量、铺层角度等)。通常,需要使用非线性材料模型以获得精确的数值模拟结果。但是在复合材料优化设计中,设计变量的总量是非常惊人的,这导致如果同时使用严格的非线性材料模型,会导致求解时间过长,并导致工程师对已有设计方案进行更新并验算的周期变得无法接受。因此,工程师需要寻找某些替代的方法,以降低数值模拟问题的复杂程度。

    在设计的早期阶段,如果同时需要考虑大量的设计变量,那么可以选择较为简单的材料模型或直接使用线性材料模型,即可完成基本的分析。在设计的后期阶段,当通过筛选设计,设计变量的总量已经较少时,可以使用复杂的非线性材料模型,以期获得更为精确的数值模拟结果和B-柱性能数据。

战略发展产品研发策略

    基于以上考虑,大众汽车研究中心决定在B-柱结构优化设计中采用两步优化的策略:即概念设计阶段优化和细节设计阶段优化(图2)。在概念设计阶段,工程师们采用线性材料,首先对B-柱结构进行拓扑优化,以获取该零件基本性能的信息,并对传力路径以及复合材料铺层角度进行判断。此外,拓扑优化阶段的结果还可以为后续该结构加强肋的排布方案给出参考性意见。经过拓扑优化后,基本确定该B-柱材料空间分布形式及加强肋安装位置(上下连接点及结构中点处,图3)。

 图2 B-柱结构优化设计策略

图2 B-柱结构优化设计策略

责任编辑:吴星星
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