數(shù)字化仿真分析技術(shù)助力汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)
在汽車(chē)領(lǐng)域，隨著政府對(duì)燃油經(jīng)濟(jì)性和二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)的法規(guī)（CAFE）的建立和用戶對(duì)低油耗汽車(chē)需求的不斷增長(zhǎng)，為了實(shí)現(xiàn)燃油經(jīng)濟(jì)性和滿足二氧化碳排放標(biāo)準(zhǔn)，各個(gè)主機(jī)廠出臺(tái)了各種不同的解決方案，而汽車(chē)輕量化技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生，并成為重要的解決方案。
以國(guó)產(chǎn)某車(chē)型進(jìn)行的輕量化減重后油耗、制動(dòng)性能及動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)結(jié)果表明：
（1）動(dòng)力經(jīng)濟(jì)性試驗(yàn)
減重100kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性提升7%，
加重100kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性下降11%，
加重200kg后，0-100km/h加速動(dòng)力性下降15%，
（2）常規(guī)制動(dòng)性能試驗(yàn)
整備質(zhì)量每降低100kg，低速時(shí)，制動(dòng)距離縮短2～7m ，整備質(zhì)量每降低 100kg，高速時(shí)，制動(dòng)距離縮短1～2m ；
（3）油耗試驗(yàn)
每減重100kg，油耗降低（0.1～0.29）L/100km ，降低率1.4%～4%。
隨著塑料制品新的成型工藝如Mucell，RTM，SMC的日益成熟，以及長(zhǎng)、短纖維材料和連續(xù)纖維符合材料的廣泛應(yīng)用，以塑代鋼及傳統(tǒng)塑料制品的進(jìn)一步輕量化必然為整車(chē)的輕量化帶來(lái)更大的優(yōu)化空間。并使其成為汽車(chē)輕量化技術(shù)主要的手段之一。
目前上多數(shù)轎車(chē)的塑料用量（整車(chē)塑料用量）已經(jīng)超過(guò)120千克/輛；部分歐洲高級(jí)轎車(chē)塑料使用量甚至達(dá)到250～450千克/輛。而民族品牌轎車(chē)的塑料用量普遍才80～100千克/輛，僅占汽車(chē)自重的5%～10%，仍處于較低水平。
汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)的典范，榮膺2014年紅點(diǎn)設(shè)計(jì)大獎(jiǎng)“至尊獎(jiǎng)”(best of the best)的創(chuàng)新純電動(dòng)汽車(chē)BMW i3其車(chē)重1250KG，比傳統(tǒng)電動(dòng)車(chē)輕250-350KG，如下圖所示BMW i3所采用的全碳纖維的座艙（LifeDrive 架構(gòu)）在保證其車(chē)體強(qiáng)度遠(yuǎn)大于同類(lèi)型的鋼鐵車(chē)身同時(shí)使得CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）的重量占到整個(gè)車(chē)身重量的49.41%，是其實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的關(guān)鍵。
隨著汽車(chē)輕量化技術(shù)的不斷深入以玻纖增強(qiáng)材料替代金屬材料作為車(chē)身結(jié)構(gòu)件已成為行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)，但是玻纖增強(qiáng)材料所特有的各向異性給產(chǎn)品設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)帶來(lái)了非常大的困難，如何準(zhǔn)確判斷玻纖在成型產(chǎn)品中的取向分布及由此引起的材料性能的各向異性是所有開(kāi)發(fā)人員必須面對(duì)的問(wèn)題。
基于客戶在輕量化方面的仿真需求，歐特克公司構(gòu)建了以Autodesk Mold?ow深 層次注塑成型分析為核心，結(jié)合Autodesk CFD先進(jìn)的流體及熱分析，Autodesk Simulation Mechanical + Autodesk Nastran專(zhuān)業(yè)的結(jié)構(gòu)及力學(xué)分析，Autodesk Helius PFA符合材料設(shè)計(jì)及驗(yàn)證分析的多工況和多物理場(chǎng)的聯(lián)合分析解決方案。特別是針對(duì)纖維填充塑料和復(fù)合材料，通過(guò) Helius PFA 及其AME接口，可輕松的將Mold?ow分析所獲得的塑料制品在成型過(guò)程中產(chǎn)生的殘余應(yīng)力以及材質(zhì)屬性轉(zhuǎn)入到結(jié)構(gòu)分析軟件中（同時(shí)支持Abaqus，Ansys）進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能驗(yàn)證。并創(chuàng)新性的實(shí)現(xiàn)了異步的工作流程，極大的提高了聯(lián)合仿真的分析效率。
利用Autodesk Mold?ow注塑成型分析獲得產(chǎn)品在成型后的材料的各向異性特性，通過(guò)與有限元軟件的接口，得到各向異性的力學(xué)模型，將大多數(shù)力學(xué)性能驗(yàn)證在設(shè)計(jì)階段解決。
長(zhǎng)安汽車(chē)通過(guò)歐特克的仿真分析解決方案，成功實(shí)現(xiàn)其某車(chē)型的前端模塊的全塑料輕量化設(shè)計(jì)。并通過(guò)產(chǎn)品結(jié)構(gòu)優(yōu)化、模具澆口位置優(yōu)化和成型工藝的優(yōu)化，產(chǎn)品重量由初設(shè)計(jì)的4.8kg降低為4.53kg（6%），產(chǎn)品成型后的大變形由1.82mm減小到1.66mm 變 為（9.6%），產(chǎn)品剛度提升了10%。
通過(guò)將材料的各向異性特性準(zhǔn)確的映射到結(jié)構(gòu)分析CAE模型中可提升計(jì)算結(jié)構(gòu)CAE的求解精度，提高驗(yàn)證可靠性；降低產(chǎn)品重量，節(jié)約材料成本；降低產(chǎn)品厚度，加快生產(chǎn)效率。
通過(guò)歐特克所提供的異步的仿真分析流程，優(yōu)化傳統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程，將產(chǎn)品力學(xué)問(wèn)題在設(shè)計(jì)階段解決。通過(guò)虛擬驗(yàn)證替代試驗(yàn)驗(yàn)證，縮短開(kāi)發(fā)周期，節(jié)約大量開(kāi)發(fā)成本，降低開(kāi)發(fā)風(fēng)險(xiǎn)。
同時(shí)歐特克還提供了基于強(qiáng)大的Nastran求解器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)功能，基于給定的約束和載荷工況，自動(dòng)獲得佳的產(chǎn)品幾何結(jié)構(gòu)真正實(shí)現(xiàn)了以仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的變革，將優(yōu)化設(shè)計(jì)貫穿整個(gè)設(shè)計(jì)過(guò)程。
總結(jié)
◆ CAE仿真分析技術(shù)是輕量化必備的設(shè)計(jì)利器；
◆聯(lián)合仿真技術(shù)（復(fù)合材料成型\結(jié)構(gòu)力學(xué)仿真整合）可有效推動(dòng)復(fù)合材料的低風(fēng)險(xiǎn)應(yīng)用；
◆多學(xué)科\多目標(biāo)的同步優(yōu)化工具是實(shí)現(xiàn)車(chē)身輕量化的有效的工具。
歐特克致力于提供基于同一數(shù)字模型的全面分析解決方案，為產(chǎn)品在設(shè)計(jì)初期實(shí)現(xiàn)佳化設(shè)計(jì)提供了有力的支持！
標(biāo)識(shí)如何為汽車(chē)工業(yè)保駕護(hù)航
造假不再只是消費(fèi)電子產(chǎn)品、藥品和時(shí)裝設(shè)計(jì)行業(yè)存在的問(wèn)題。造假商品已成為汽車(chē)工業(yè)的一個(gè)主要問(wèn)題，特別是在售后市場(chǎng)。汽車(chē)和卡車(chē)零配件市場(chǎng)已經(jīng)出現(xiàn)包括濾油器、空氣過(guò)濾器、車(chē)輪、火花塞、制動(dòng)盤(pán)、制動(dòng)墊甚至氣囊等重要內(nèi)部組件在內(nèi)的非法造假產(chǎn)品。由于未經(jīng)過(guò)原始設(shè)備制造商(OEM) 正品組件的制造流程、安全測(cè)試和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，這些偽造零件存在一些非常嚴(yán)重的安全和經(jīng)濟(jì)問(wèn)題。
根據(jù)衛(wèi)生組織(WHO)的報(bào)告，每年因有缺陷的偽造汽車(chē)零件死亡的人數(shù)達(dá) 36000人，受傷的人數(shù)達(dá)150萬(wàn)人 。此外，偽造零件還會(huì)損害汽車(chē)制造商的利潤(rùn)。美國(guó)商務(wù)部估計(jì)，越來(lái)越多的假冒偽劣零件導(dǎo)致汽車(chē)工業(yè)每年損失約120億美元的利潤(rùn)，同時(shí)損失20萬(wàn)個(gè)制造崗位 。后，有缺陷的零件和具有潛在危險(xiǎn)的零件會(huì)對(duì)汽車(chē)制造商具價(jià)值的資產(chǎn)——品牌聲譽(yù)造成不利影響。
國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)
為保護(hù)消費(fèi)者以及知識(shí)產(chǎn)權(quán)，各地已通過(guò)了多項(xiàng)安全和防偽立法。制造商可采取積極的步驟以改善情況。作為保護(hù)消費(fèi)者安全的一種附加措施，還制定了可追溯性標(biāo)準(zhǔn)檢驗(yàn)OEM零件的真?zhèn)危瑥亩鴾p少偽造組件。
普遍采用的標(biāo)準(zhǔn)是由國(guó)際公認(rèn)的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織(ISO) 制定的ISO/TS16949 標(biāo)準(zhǔn)，由該組織創(chuàng)建的標(biāo)準(zhǔn)在包括北美和歐盟在內(nèi)的164個(gè)/地區(qū)均被接受。該標(biāo)準(zhǔn)是與國(guó)際汽車(chē)特別工作組 (IATF) 共同制定的汽車(chē)工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，要求汽車(chē)設(shè)計(jì)商和制造商持有第三方驗(yàn)證的質(zhì)量管理認(rèn)證 。這其中包括可追溯性條款，要求制造商清晰標(biāo)識(shí)并記錄其產(chǎn)品。制造商可通過(guò)展示其符合 ISO/TS16949標(biāo)準(zhǔn)，而在那些供應(yīng)商要求ISO認(rèn)證的利潤(rùn)豐厚的市場(chǎng)和 / 地區(qū)贏得新業(yè)務(wù)。
提高可追溯性
在可追溯性方面，OEM及其組件供應(yīng)商可利用多種技術(shù)確保只有高質(zhì)量的零件才可用于汽車(chē)生產(chǎn)。直接零件標(biāo)識(shí)(DPM) 技術(shù)可直接在零件上噴印一維和二維條碼以標(biāo)識(shí)原始組件。DPM具有耐用性，標(biāo)識(shí)持久度與零件壽命一樣長(zhǎng)，并且不受任何環(huán)境條件的影響。針對(duì)多數(shù)的汽車(chē)零件制造材料，包括塑料、金屬、鋁、木材、皮革和玻璃等，有多種 DPM 方法可用。這些編碼可用于確認(rèn)在整個(gè)供應(yīng)鏈中使用的零件是否是正品，從而減少偽造產(chǎn)品的數(shù)量，確保在汽車(chē)制造和零件更換或修理領(lǐng)域只使用高質(zhì)量的零件。
DPM技術(shù)包括激光標(biāo)識(shí)、小字符噴印(CIJ)、點(diǎn)式打標(biāo)和電化學(xué)蝕刻。在確定所需的技術(shù)類(lèi)型時(shí)，重要的是要考慮要標(biāo)識(shí)的材料或材質(zhì)類(lèi)型。另一個(gè)需要考慮的關(guān)鍵因素是生產(chǎn)線本身。例如，該技術(shù)在自動(dòng)化程度很高的生產(chǎn)線上能夠良好運(yùn)行嗎？
激光標(biāo)識(shí)
◆激光標(biāo)識(shí)利用的是熱能而不是墨水在汽車(chē)零件上標(biāo)識(shí)編碼。這種方法被認(rèn)為是高度靈活的非接觸式標(biāo)識(shí)技術(shù)，非常適用于“難以標(biāo)識(shí)”的表面。例如，CO2激光打碼機(jī)可用于在玻璃和合成材料上標(biāo)識(shí)編碼，而固態(tài)激光打碼機(jī)更適用于鋁、銅、鈦、鐵、鋼、鎂和陶瓷等材料。激光技術(shù)可提供高耐磨性標(biāo)識(shí)，從而提高編碼的耐用性和持久性。激光標(biāo)識(shí)系統(tǒng)可自動(dòng)運(yùn)行，所需維護(hù)很少，支持快速打碼。打碼方法包括燒蝕、刻印、回火、漂白、內(nèi)層刻印和壓裂。
小字符噴印
◆小字符噴印(CIJ)技術(shù)是另一種非接觸式噴碼技術(shù)，它可以在多種材質(zhì)上噴碼，而不損壞或影響零件表面。CIJ技術(shù)通過(guò)噴頭向噴印目標(biāo)噴射一串墨滴，幾乎可在任何表面（平滑或不規(guī)則）噴印，可在組件的側(cè)面、頂部、底部或內(nèi)部噴碼。CIJ噴印技術(shù)通過(guò)指定正確的墨水可適用于各種表面，其初始投資成本一般低于激光標(biāo)識(shí)系統(tǒng)。這使得CIJ成為經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，適用于中低產(chǎn)量生產(chǎn)商的解決方案。然而，OEM應(yīng)記住，CIJ技術(shù)需要徹底清潔已標(biāo)識(shí)的產(chǎn)品以獲得清潔的編碼，可能增加生產(chǎn)流程步驟、時(shí)間和資源成本。另外，大多數(shù)噴碼可使用某些溶劑去除。
點(diǎn)式打標(biāo)
◆點(diǎn)式打標(biāo)技術(shù)使用縮進(jìn)銷(xiāo)為編碼中的每個(gè)點(diǎn)創(chuàng)建一個(gè)凹痕。進(jìn)行精確識(shí)別所需的對(duì)比度源自凹痕和產(chǎn)品表面反射出的光的差異。該技術(shù)適用于鋁、銅、鐵、鋼，需要較低的初始投資，可提供持久的標(biāo)識(shí)。點(diǎn)式打標(biāo)技術(shù)可確保高耐磨性，允許加大生產(chǎn)線的流動(dòng)性。然而，該技術(shù)并不適用于使用較薄或較脆弱材料制成的組件。
電化學(xué)蝕刻
◆電化學(xué)蝕刻通過(guò)電解去除材料表層，可在鋁、銅、鈦、鐵、鋼和鎂等材質(zhì)上提供高質(zhì)量標(biāo)識(shí)。該技術(shù)易于使用且價(jià)格低廉。該技術(shù)可提供高分辨率黑色蝕刻標(biāo)識(shí)，可用于軟金屬和全硬化金屬。然而，電化學(xué)蝕刻靈活性有限，因其只能用于金屬導(dǎo)電材料，且每個(gè)編碼都需要預(yù)先成型的模具。
事實(shí)是，偽造零件產(chǎn)業(yè)是一個(gè)大生意；這些零件一旦進(jìn)入汽車(chē)供應(yīng)鏈，就會(huì)建立一個(gè)不安全的消費(fèi)環(huán)境，造成汽車(chē)工業(yè)損失數(shù)十億的利潤(rùn)，以及損害來(lái)之不易的汽車(chē)品牌聲譽(yù)。造假非法，各國(guó)政府都在協(xié)同全力阻止交易中的偽造行為，汽車(chē)工業(yè)也有可利用現(xiàn)有制造流程，如DPM技術(shù)，來(lái)防止偽造。這套解決方案可驗(yàn)證正品OEM零件，減少汽車(chē)上偽造零件的安裝數(shù)量。嚴(yán)格的國(guó)際供應(yīng)鏈標(biāo)準(zhǔn)，如ISO/TS16949，要求組件在整個(gè)供應(yīng)鏈中具有可追溯性。有多種DPM方法可用于在范圍廣泛的材料上標(biāo)識(shí)一維或二維條碼，包括激光標(biāo)識(shí)、CIJ、點(diǎn)式打標(biāo)和電化學(xué)蝕刻，這些方法適用于任何現(xiàn)有生產(chǎn)線。這些編碼可在汽車(chē)供應(yīng)鏈的任何階段驗(yàn)證正品零件。這些標(biāo)識(shí)技術(shù)符合安全和質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，是汽車(chē)工業(yè)保護(hù)其利潤(rùn)、品牌聲譽(yù)以及公眾利益的一種非常好的方法。
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