數字化仿真分析技術助力汽車輕量化設計
數字化仿真分析技術助力汽車輕量化設計
在汽車領域，隨著政府對燃油經濟性和二氧化碳排放標準的法規（CAFE）的建立和用戶對低油耗汽車需求的不斷增長，為了實現燃油經濟性和滿足二氧化碳排放標準，各個主機廠出臺了各種不同的解決方案，而汽車輕量化技術應運而生，并成為重要的解決方案。
以國產某車型進行的輕量化減重后油耗、制動性能及動力經濟性試驗結果表明：
（1）動力經濟性試驗
減重100kg后，0-100km/h加速動力性提升7%，
加重100kg后，0-100km/h加速動力性下降11%，
加重200kg后，0-100km/h加速動力性下降15%，
?。?）常規制動性能試驗
整備質量每降低100kg，低速時，制動距離縮短2～7m ，整備質量每降低 100kg，高速時，制動距離縮短1～2m ；
?。?）油耗試驗
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、短纖維材料和連續纖維符合材料的廣泛應用，以塑代鋼及傳統塑料制品的進一步輕量化必然為整車的輕量化帶來更大的優化空間。并使其成為汽車輕量化技術主要的手段之一。
目前上多數轎車的塑料用量（整車塑料用量）已經超過120千克/輛；部分歐洲高級轎車塑料使用量甚至達到250～450千克/輛。而民族品牌轎車的塑料用量普遍才80～100千克/輛，僅占汽車自重的5%～10%，仍處于較低水平。
汽車輕量化設計的典范，榮膺2014年紅點設計大獎“至尊獎”(best of the best)的創新純電動汽車BMW i3其車重1250KG，比傳統電動車輕250-350KG，如下圖所示BMW i3所采用的全碳纖維的座艙（LifeDrive 架構）在保證其車體強度遠大于同類型的鋼鐵車身同時使得CFRP（碳纖維增強塑料）的重量占到整個車身重量的49.41%，是其實現車身輕量化的關鍵。
隨著汽車輕量化技術的不斷深入以玻纖增強材料替代金屬材料作為車身結構件已成為行業發展趨勢，但是玻纖增強材料所特有的各向異性給產品設計和開發帶來了非常大的困難，如何準確判斷玻纖在成型產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發人員必須面對的問題。
基于客戶在輕量化方面的仿真需求，歐特克公司構建了以Autodesk Mold?ow深 層次注塑成型分析為核心，結合Autodesk CFD先進的流體及熱分析，Autodesk Simulation Mechanical + Autodesk Nastran專業的結構及力學分析，Autodesk Helius PFA符合材料設計及驗證分析的多工況和多物理場的聯合分析解決方案。特別是針對纖維填充塑料和復合材料，通過 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程中產生的殘余應力以及材質屬性轉入到結構分析軟件中（同時支持Abaqus，Ansys）進行進一步的結構優化和性能驗證。并創新性的實現了異步的工作流程，極大的提高了聯合仿真的分析效率。
利用Autodesk Mold?ow注塑成型分析獲得產品在成型后的材料的各向異性特性，通過與有限元軟件的接口，得到各向異性的力學模型，將大多數力學性能驗證在設計階段解決。
長安汽車通過歐特克的仿真分析解決方案，成功實現其某車型的前端模塊的全塑料輕量化設計。并通過產品結構優化、模具澆口位置優化和成型工藝的優化，產品重量由初設計的4.8kg降低為4.53kg（6%），產品成型后的大變形由1.82mm減小到1.66mm 變 為（9.6%），產品剛度提升了10%。
通過將材料的各向異性特性準確的映射到結構分析CAE模型中可提升計算結構CAE的求解精度，提高驗證可靠性；降低產品重量，節約材料成本；降低產品厚度，加快生產效率。
通過歐特克所提供的異步的仿真分析流程，優化傳統開發流程，將產品力學問題在設計階段解決。通過虛擬驗證替代試驗驗證，縮短開發周期，節約大量開發成本，降低開發風險。
同時歐特克還提供了基于強大的Nastran求解器的拓撲結構優化設計功能，基于給定的約束和載荷工況，自動獲得佳的產品幾何結構真正實現了以仿真驅動設計的變革，將優化設計貫穿整個設計過程。
總結
◆ CAE仿真分析技術是輕量化必備的設計利器；
◆聯合仿真技術（復合材料成型\結構力學仿真整合）可有效推動復合材料的低風險應用；
◆多學科\多目標的同步優化工具是實現車身輕量化的有效的工具。
歐特克致力于提供基于同一數字模型的全面分析解決方案，為產品在設計初期實現佳化設計提供了有力的支持！
標識如何為汽車工業保駕護航
造假不再只是消費電子產品、藥品和時裝設計行業存在的問題。造假商品已成為汽車工業的一個主要問題，特別是在售后市場。汽車和卡車零配件市場已經出現包括濾油器、空氣過濾器、車輪、火花塞、制動盤、制動墊甚至氣囊等重要內部組件在內的非法造假產品。由于未經過原始設備制造商(OEM) 正品組件的制造流程、安全測試和質量標準，這些偽造零件存在一些非常嚴重的安全和經濟問題。
根據衛生組織(WHO)的報告，每年因有缺陷的偽造汽車零件死亡的人數達 36000人，受傷的人數達150萬人 。此外，偽造零件還會損害汽車制造商的利潤。美國商務部估計，越來越多的假冒偽劣零件導致汽車工業每年損失約120億美元的利潤，同時損失20萬個制造崗位 。后，有缺陷的零件和具有潛在危險的零件會對汽車制造商具價值的資產——品牌聲譽造成不利影響。
國際標準
為保護消費者以及知識產權，各地已通過了多項安全和防偽立法。制造商可采取積極的步驟以改善情況。作為保護消費者安全的一種附加措施，還制定了可追溯性標準檢驗OEM零件的真偽，從而減少偽造組件。
普遍采用的標準是由國際公認的國際標準化組織(ISO) 制定的ISO/TS16949 標準，由該組織創建的標準在包括北美和歐盟在內的164個/地區均被接受。該標準是與國際汽車特別工作組 (IATF) 共同制定的汽車工業標準，要求汽車設計商和制造商持有第三方驗證的質量管理認證 。這其中包括可追溯性條款，要求制造商清晰標識并記錄其產品。制造商可通過展示其符合 ISO/TS16949標準，而在那些供應商要求ISO認證的利潤豐厚的市場和 / 地區贏得新業務。
提高可追溯性
在可追溯性方面，OEM及其組件供應商可利用多種技術確保只有高質量的零件才可用于汽車生產。直接零件標識(DPM) 技術可直接在零件上噴印一維和二維條碼以標識原始組件。DPM具有耐用性，標識持久度與零件壽命一樣長，并且不受任何環境條件的影響。針對多數的汽車零件制造材料，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在整個供應鏈中使用的零件是否是正品，從而減少偽造產品的數量，確保在汽車制造和零件更換或修理領域只使用高質量的零件。
DPM技術包括激光標識、小字符噴印(CIJ)、點式打標和電化學蝕刻。在確定所需的技術類型時，重要的是要考慮要標識的材料或材質類型。另一個需要考慮的關鍵因素是生產線本身。例如，該技術在自動化程度很高的生產線上能夠良好運行嗎？
激光標識
◆激光標識利用的是熱能而不是墨水在汽車零件上標識編碼。這種方法被認為是高度靈活的非接觸式標識技術，非常適用于“難以標識”的表面。例如，CO2激光打碼機可用于在玻璃和合成材料上標識編碼，而固態激光打碼機更適用于鋁、銅、鈦、鐵、鋼、鎂和陶瓷等材料。激光技術可提供高耐磨性標識，從而提高編碼的耐用性和持久性。激光標識系統可自動運行，所需維護很少，支持快速打碼。打碼方法包括燒蝕、刻印、回火、漂白、內層刻印和壓裂。
小字符噴印
◆小字符噴印(CIJ)技術是另一種非接觸式噴碼技術，它可以在多種材質上噴碼，而不損壞或影響零件表面。CIJ技術通過噴頭向噴印目標噴射一串墨滴，幾乎可在任何表面（平滑或不規則）噴印，可在組件的側面、頂部、底部或內部噴碼。CIJ噴印技術通過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識系統。這使得CIJ成為經濟實惠，適用于中低產量生產商的解決方案。然而，OEM應記住，CIJ技術需要徹底清潔已標識的產品以獲得清潔的編碼，可能增加生產流程步驟、時間和資源成本。另外，大多數噴碼可使用某些溶劑去除。
點式打標
◆點式打標技術使用縮進銷為編碼中的每個點創建一個凹痕。進行精確識別所需的對比度源自凹痕和產品表面反射出的光的差異。該技術適用于鋁、銅、鐵、鋼，需要較低的初始投資，可提供持久的標識。點式打標技術可確保高耐磨性，允許加大生產線的流動性。然而，該技術并不適用于使用較薄或較脆弱材料制成的組件。
電化學蝕刻
◆電化學蝕刻通過電解去除材料表層，可在鋁、銅、鈦、鐵、鋼和鎂等材質上提供高質量標識。該技術易于使用且價格低廉。該技術可提供高分辨率黑色蝕刻標識，可用于軟金屬和全硬化金屬。然而，電化學蝕刻靈活性有限，因其只能用于金屬導電材料，且每個編碼都需要預先成型的模具。
事實是，偽造零件產業是一個大生意；這些零件一旦進入汽車供應鏈，就會建立一個不安全的消費環境，造成汽車工業損失數十億的利潤，以及損害來之不易的汽車品牌聲譽。造假非法，各國政府都在協同全力阻止交易中的偽造行為，汽車工業也有可利用現有制造流程，如DPM技術，來防止偽造。這套解決方案可驗證正品OEM零件，減少汽車上偽造零件的安裝數量。嚴格的國際供應鏈標準，如ISO/TS16949，要求組件在整個供應鏈中具有可追溯性。有多種DPM方法可用于在范圍廣泛的材料上標識一維或二維條碼，包括激光標識、CIJ、點式打標和電化學蝕刻，這些方法適用于任何現有生產線。這些編碼可在汽車供應鏈的任何階段驗證正品零件。這些標識技術符合安全和質量標準，是汽車工業保護其利潤、品牌聲譽以及公眾利益的一種非常好的方法。
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