优化设计在汽车中的应用
长安大学汽车学院
车辆工程三班
摘要
20世纪90年代以来，汽车行业的竞争已从单一的性能竞争转向性能、环保、节能等多元综合竞争。

安全、舒适、节能环保是二十一世纪汽车工程领域具有重大意义的研究热点。

随着国内汽车研发水平的提升，优化设计已经逐步应用到整车开发过程当中。

本文结合在整车开发中的优化设计经验，对几种不同的优化设计方法进行简单介绍，从而使大家对优化设计有更直观的认识。

关键词
汽车优化设计实践
目录
一、摘要 (1)
二、现代最优化设计简介 (3)
三、优化设计在汽车设计中的应用 (4)
四、CAE在汽车冲压件生产工艺中的优化应用 (5)
五、优化设计在汽车零部件轻量化中的应用 (6)
六、总结 (6)
一、现代最优化设计简介
1.1最优化设计概念及最优值
最优化设计是在现代计算机广泛应用的基础上发展起来的一项新技术，是根据最优化原理和方法，综合各方面的因索，以人机配合方式或用自动探索的方式，在计算机上进行的半自动或自动设计，以选出在现有工
程条件下的最好设计方案的一种现代设计方法实践证明，最优化设计是保证产品具有优良的性能，减轻自重或体积，降低工程造价的一种有效设计方法，同时也可使设计者从大量繁琐和重复的计算工作中解脱出来，使
之有更多的精力从事创造性的设计，并大大提高设计效率。

最优化设计方法己陆续应用到建筑结构、化工、冶金、铁路、航空、造船、机床、汽车、自动控制系统、电力系统以及电机、电器等工程设计领域，并取得了显著效果。

设计上的“最优值”是指在一定条件(各种设计因素)影响下所能得到的最佳设计值。

最优值是一个相对的概念。

它不同于数学上的极值，但有很多情况下可以用最大值或最小值来表示。

概括起来，最优化设计工作包
括以下两部分内容：（1）将设计问题的物理模型转变为数学模型。

建立
数学模型时要选取设计变量，列出目标函数，给出约束条件。

目标函数是设计问题所要求的最优指标与设计变量之间的函数关系式；（2）采用适当的最优化方法，求解数学模型。

可归结为在给定的条件(例如约束条件)下求目标函数的极值或最优值问题。

1.2设计方法的分类
在工程优化原理和方法的应用领域，主要是优化设计、优化试验和优化控制三个方面。

根据优化问题的不同特征，可有不同的分类方法。

（1）按有无约束分：无约束优化问题和有约束优化问题；
（2）按设计变量的性质分：连续变量、离散变量和带参变量；
（3）按问题的物理结构分：优化控制问题和非优化控制问题；
（4）按模型所包含方程式的特性分：线性规划、非线性规划、二次规划和几何规划等。

（5）按变量的确定性性质分：确定性规划和随机规划。

总之，优化设计作作为一种使用可靠的方法在工程上已经占据了十分重要的地位，起在机械工业领域、数学建模、作为CAD/CAM中资源库的应用十分重要。

二、优化设计在汽车设计中的应用
2.1车架结构优化设计
车架的作用是承受载荷，包括汽车自身零部件的重量和行驶时所受的冲击、扭曲、惯性力等。

根据纵梁的结构特点,车架可以分为周边式、X型式、梯形、脊梁式和综合式几种。

其中梯型车架又称为边梁式车架,是比较常用的一种车架。

本文即以边梁式车架的客车结构为模型。

车架的纵梁结构一方面要保证车架的功能,另一方面还要满足整车总体布局的要求,同时要求形状简单。

纵梁的形状有上翼面是平直的和弯曲的两种:上翼面平直式的车厢地板平整纵梁制造方便;翼面弯曲式纵梁部分区段降低,地板相应高度降低,车辆的稳定性增强。

车架在使用中会受到负载弯曲(Vertical bending)，发生非水平扭动(longitudinal torsion)、横向弯曲(lateral bending)、水平菱形扭动(horizontal lozenging)，为在确保车架结构稳固的情况下提高车辆的平稳性和路面适应性，设计的时候应尽量达到最优平衡，必须的应用优化设计，其对车架设计与制造的重要性不言而喻。

在对大客车车架进行优化设计时，首先应确定设计变量。

由于车架一般是槽型的,矩形的或者工字形的,优化目的是要减轻车架的质量,所以选择钢的截面形状参数(截面长度、宽度和钢的厚度) 来作为设计变量。

其次是确定目标函数，优化的目的是尽量减少客车底架的质量, 所以对于槽型钢目标函数F =LρT ( H + 2 B) ,对于矩形钢F = LρT (2 H + 2 B) 。

其他的还包括状态变量的确定，即优化过程中的车架结构响应,如应力、变形和车架的最大应力要小于许用应力。

2.2发动机优化设计
发动机设计以结构、热力、燃烧、强度、振动、流体、传热等多个学科为基础，可变因素多，随机性大，是一个可变互耦系统的优化问题。

为了降低汽车的耗油量和废气排放,我们一般采用优化匹配动力传动系统。

因为汽车的动性燃油经济性和排放特性的好坏在很大程度上取决于发动
机的性能和传动系形式参数的选择。

利用计算机对汽车动力传动系统进行模拟仿真计算,通过对汽车动力传动系参数的优选,从而达到改善汽车的燃油经济性、动力性和尾气排放。

发动机结构优化主要是优化关键零部件的形状以改善发动机性能。

有人提出了一种将动态分析与结构形状优化设计相结合的新方法：阐述了CAD/CFD 技术在汽车发动机设计开发中的重要性，给出了 CAD/CFD 技术在电喷汽油机气歧管设计和柴油机螺旋气道设计的应用效果；将边界元法与罚函数优化方法相结合，研究了承受拉、压交变载荷的发动机连杆的形状优化；基于一种高效的有限元方法对三维复杂形状连杆进行优化设计；基于有限元分析和优化技术，对发动机曲轴的结构进行了优化等。

发动机的燃烧过程同样是优化的重要方面。

目前主要是从喷射系统、进气管系、燃烧室形状等几方面对其进行优化设计。

在发动机燃烧喷射系统方面，借助于先进电子控制技术，能准确地调节燃油供给，优化喷油定时和喷油次数，控制气缸内的混合状态、燃烧室内的燃油分布，降低排放污染。

三、CAE在汽车冲压件生产工艺中的优化应用
冲压件在最初设计阶段采用CAD和CAE相结合技术, 根据CAE的成本计算结果,调整几何形状,使冲压件展开后的外轮廓面积最小, 结合
FormingSuite 、Costoptimizer 优化软件包,对汽车冲压件的仿真工艺设计过程进行分析,通过降低材料等级、厚度和增大冲压件设计的圆角半径
及修剪冲压件的边缘各项措施, 达到降低材料成本的目的。

在钣金冲压件和工艺设计阶段, 对于已有的冲压件,不能预知坯料的几何形状，可结合
拉延件产生起皱状况, 通过快速冲压CAE 分析, 找到合理的拉延成形条
件,加速冲压件开发进度。

结合有限元软件,通过计算机模拟、分析冲压件的冲压可行性,设计阶段利用各种降低成本的措施,达到了大大降低生产成本的目的, 分析结果
指导制定合理的冲压工艺。

对于汽车零件, 若表面质量要求不高, 起皱部位无需严格控制; 若冲压件对表面质量要求较高时,则可通过适当增大压
边力、添加拉延筋等工艺措施消除起皱,满足控制冲压件外观质量的要求。

以有限元法为基础的冲压成形过程中计算机仿真技术或数值模拟技术,为模具设计、冲压过程设计与工艺参数优化提供了科学的新途径, 将
是解决复杂冲压过程设计和模具设计的最有效手段。

四、优化设计在汽车零部件轻量化中的应用
汽车轻量化已成为整车企业适应市场发展趋势的必然要求。

目前，对于现有车型的轻量化，主要方法是从零部件轻量化做起．逐步积累。

最终满足整车轻量化的目标。

对零件实现轻量化时主要借助CAE方法重新对其结构进行优化设计，以分析校核——优化分析设计——再次分析校核的“循环式”方法减轻零件的重量并提高强度。

五、总结
本文对汽车行业中的运用优化设计的部分内容作了简单介绍，未来优化设计的应用将会越来越广泛，为人们的生活带来更大的改变，促进科技与生
产的发展。

参考文献
1、刘齐茂,汽车车架的结构优化设计,机械设计与制造,第4期，2005
年
2、戈平、刘惟信,汽车发动机与传动系的匹配分析和优化设计,·设
计．计算．研究．，2009年
3、柴山、王健，结构强度分析、结构优化设计方法在汽车设计中的应
用，山东工程学院学报，1999年
4、秦家爱，仲梁维,CAE在汽车冲压件生产工艺中的优化应用,模具工
业,第35卷第 7期，2009年
5、蔡锋，张亮亮，刘旌扬,优化设计在汽车零部件轻量化中的应用,·设
计．计算．研究．, 2010年。