随着汽车市场竞争越来越激烈，汽车企业在满足用户不断提高的对可靠性、安全性、NVH等性能指标要求的同时，还希望通过降低成本来创造利润，同时缩短开发周期以便抢得市场先机。
相对于中后期的结构优化，早期设计成本更低，设计自由度更高，CAE工程师一直在探索将CAE分析提前，改变对一个不理想模型状态进行优化的弊端，实现CAE驱动设计。
CAE的早期介入，综合考虑对产品有较大影响的结构设计，通过科学的分析计算，建立较为理想的设计模型，减少设计中后期因为性能提升而进行大量反复的修改，降低成本和缩短周期。
1 CAE概念设计优化模型
设计变量、目标和约束条件是优化设计的三要素。目标和约束条件属于设计响应，根据优化目的的不同有些时候可以互换。
CAE概念设计优化技术的主要思路也是怎样建立CAE的优化模型，确定设计变量、设计目标、约束条件。
根据优化三要素，汽车设计响应（约束条件和目标值）可根据实际问题快速提取，如白车身弯曲、扭转刚度、模态值、碰撞加速度峰值和等效加速、白车身质量等都可以作为设计响应，在CAE概念设计优化模型中，以整体质量为目标值的优化问题比较常见。CAE优化技术关键点是设置及选取设计变量，本文将介绍两种提取设计变量的方法，参数化建模法和网格变形过程录制法。
2 概念设计阶段优化流程
传统研发流程存在以下问题：
（1）概念设计方案主要依靠工程师的经验来确定。
（2）设计早期阶段缺少对产品性能有较大影响的结构设计方面的考虑。
（3）设计中后期进行大量反复的修改，带来成本和周期的问题。
随着研发的推进，零部件逐步开始进行开模、招标，设计自由度越来越小，优化更改方案的成本也越来越高，受到周期、成本、空间等限制，很多优化方案不能实施。研发成本模型如图1所示。
图1 研发成本模型
由图1可知，相对于中后期的结构优化，早期设计成本更低，设计自由度更高，概念设计阶段引入CAE性能评估优化，将CAE分析提前，改变对一个不理想模型状态进行优化的弊端，实现CAE驱动设计。概念阶段嵌入CAE优化技术的汽车研发流程如图2所示。
图2 概念阶段嵌入CAE优化技术的汽车优化流程
概念设计阶段的CAE优化分析主要从拓扑结构优化[4]和料厚优化角度进行分析，如图3所示。料厚优化主要是对产品进行减重，拓扑结构优化提升产品性能，通过拓扑结构优化和料厚优化的联合仿真，达到优化性能和减重的双重目的。
图3 概念优化分析流程
3 概念设计CAE优化分析实例
3.1参数化建模技术设置设计变量实例
利用参数化建模软件SFE concept将有限元模型或者全新的车身主断面结构转换成参数化模型，如图4所示。
图4 某车型的参数化模型
采用建模采取点—线—截面—接头和梁—自由曲面—白车身的方法建立参数化模型。参数化模型随参数变化而变化。白车身参数化模型由于线条简单，每次新变化的参数化模型均可自动生成有限元模型。通过对不同参数组合的结构优化，选取最佳参数组合。
3.2网格变形技术设置设计变量实例
利用网格变形软件DEP Morpher将参考车有限元模型的拉伸、投影和移位等morphing过程录制为参数。该参数由模块控制，该模块可控制不同分析类型的计算模型，也可控制不同规模（部件级、车身级、TB级、整车级）的分析模型的同一morphing部位，以此来实现多学科综合优化的功能。
图5 某车型的网格变形参数化模型
3.3以网格变形参数为变量的优化分析实例
3.3.1边界条件
（1）根据技术要求将拉伸、投影和移位等morphing过程录制为参数。
（2）基于老款车型白车身弯曲刚度、扭转刚度、模态值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度为约束。
（3）以白车身质量为目标进行优化分析。
3.3.2优化过程
（1）设置网格变形过程录制参数、料厚优化参数。
（2）根据灵敏度分析选择参与优化分析的参数。
（3）利用isight生成DOE矩阵，产生设计变量，利用DOE输出矩阵控制基础模型，得到优化分析模型进行计算，其分析结果在isight中通过分析响应面，选出最优结果。
3.4优化分析结果
正面碰撞分析结果对比，加速度第一峰值降低0.5m/s2，有效加速度降低0.7m/s2。
表1 计算结果对比
4 结论
通过概念阶段CAE优化分析，快速验证参数化设计变量、料厚设计变量的综合优化作用，在弯曲刚度、扭转刚度、模态基本不变，碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情况下，降低白车身质量，为设计工程师提供了设计方向。
CAE优化技术改变了工程师依靠经验设计，进行建模和CAE分析，把CAE作为一种验算的工作模式，通过CAE分析，科学地寻找最优化的设计方案，实现CAE驱动设计。
概念设计阶段的CAE优化分析确定的车身基本结构综合考虑了汽车可靠性、安全性、NVH等性能指标，减少了中后期大量反复的修改。降低成本给企业创造了利润，缩短开发周期为企业抢得市场先机。
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本文标题：CAE优化技术在汽车概念设计中的应用
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