一個世紀以來,鋼一直是車體的主要材料.鋼材緊跟汽車工業(yè)發(fā)展的進步要求。改進的耐腐蝕性、更精致的機械屬性、高強度特性，以及先進的制造技術(shù).鋼材滿足生產(chǎn)制造工藝，使得鋼材占據(jù)普通道路車輛的主要材料的地位，目前鋼材約占車輛重量的六成。

不過，重量一直是汽車企業(yè)的首要關(guān)注的問題，因為重量與燃油效率息息相關(guān)。鋁、鎂和合成材料等越來越可能替代鋼材組件。雖然鋼材的可靠耐久性經(jīng)驗證，可能一段時間內(nèi)仍將擔(dān)當(dāng)車體的主要材料，但汽車生產(chǎn)商在促進鋼車身輕量化方面開始考慮如何做到幾近極限。為了充分了解并全面達到極限，汽車廠商開始采用先進的計算機輔助工程（CAE）工具來優(yōu)化設(shè)計，以合理成本滿足客戶的質(zhì)量要求，并應(yīng)對越來越嚴格的油耗要求、排放標準和碰撞測試要求。

馬自達汽車公司（日本廣島）汽車開發(fā)部和技術(shù)研究中心近期基于公司的CX-5車型開發(fā)了鋼車體結(jié)構(gòu)跨學(xué)科設(shè)計優(yōu)化方法（MDO）。

馬自達的技術(shù)專家Takehisa Kohira指出：“優(yōu)化技術(shù)對更高性能和輕量化這兩大要求之間實現(xiàn)平衡至關(guān)重要。”團隊的目標是探尋最輕型鋼部件有效組合（按金屬板厚度計算），實現(xiàn)剛度、NVH品質(zhì)、耐用性和抗撞擊性四方面目標要求，滿足CX-5的“禮帽式”結(jié)構(gòu)要求。團隊采用多種不同CAE工具，針對整車車身行為進行建模分析，這些分析工具包括Abaqus、LS-DYNA、Nastran等。Kohira指出：“CAE幫助我們改進設(shè)計，提高分析準確度，并減少所需的原型數(shù)量?！?a href="http://ywshengyu.cn/ABAQUS" target="_blank">Abaqus有限元分析（FEA）在車輛開發(fā)過程中評估強度、以及整車身組件耐用性和動力總成部件的熱應(yīng)力。

創(chuàng)建一個總體分析系統(tǒng)，首先優(yōu)化四大目標領(lǐng)域中每個領(lǐng)域的車身行為，再找到將所有最佳特性融合在一起的最終設(shè)計，確保盡可能的輕量化，這是一項復(fù)雜的分析極具挑戰(zhàn)。

在檢查目標行為中，剛度靜態(tài)和動態(tài)硬度主要涉及線性計算。而NVH分析則涉及復(fù)雜的多物理問題，需要考慮

多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化（MDO）流程圖展現(xiàn)出汽車設(shè)計中減重的復(fù)雜與挑戰(zhàn)，這會涉及到一系列關(guān)鍵的性能參數(shù)。

馬自達CX-5車身側(cè)面框架組裝部分的初步分析圖顯示針對一系列行為參數(shù)優(yōu)化性能后的重量減少（白色標簽）和重量增加（粉色標簽）情況。

框架元件的物理互動和整車震動?？棺矒粜陨婕暗脚鲎驳奈恢煤头较颍钦?、后面還是側(cè)面，這是非線性的，也是最復(fù)雜的。Kohira指出：“側(cè)面碰撞分析只涉及彎曲/屈曲層面的問題，可用近似模型預(yù)測。不過，正面和后面碰撞則涉及強非線性問題，牽扯到許多組件的屈曲和軸向擠壓，因此重量和性能的綜合平衡在這種分析中就極為復(fù)雜。

為使所有數(shù)據(jù)集中達到“最佳性能”車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，團隊采用了各種試驗設(shè)計（DOE）方法和近似模型，手動調(diào)節(jié)不同行為間的參數(shù)沖突與約束。車身的各種性能目標都被視為約束條件，設(shè)計變量為每個車身組件的材料厚度。Kohira指出：“我們的最終目標是盡可能減輕車重，但通過手動調(diào)整數(shù)據(jù)組織來實現(xiàn)這一目標需要花費極長的時間。”

于是團隊采用Isight 進行流程自動化和優(yōu)化設(shè)計探索。Kohira指出：“一旦我們使用Isight，就能利用DOE分析技術(shù)更加容易的分析最初設(shè)計的局限性，隨后就能更順利地做出工程決策。我們能更清晰地 看到設(shè)計空間，也能對結(jié)果獲得更好的可視化展示?！?/span>

Isight通過拖拉方式幫助工程師集成所有CAE軟件到工作流程中，Isight能自動運行權(quán)衡性能指標自動調(diào)整參數(shù)序列滿足約束。Kohira指出：“利用Isight，我們能確認、并數(shù)值驗證設(shè)計人員的創(chuàng)意，并能夠大幅提升設(shè)計者的設(shè)計正確性的信心。

Isight流程自動化和設(shè)計優(yōu)化軟件幫助馬自達在自動化工作流程中設(shè)置解決了MDO中挑戰(zhàn)，大幅減少了分析設(shè)置和運行時間。

將Isight 應(yīng) 用到 車身 優(yōu)化 問 題 有一 個有 趣 的 效 果，就是能根據(jù)整體結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)來對組件敏度進行分類。Kohira指出：“在優(yōu)化過程中，大多數(shù)情況下對性能響應(yīng) 較 低 的部 件 都能 變得更輕。另一方面，對 性 能影響較大的組件要變得更厚重。Isight多目標優(yōu)化幫助我們平衡相互矛盾的需求，同時也能減 輕整 體重量的需求?！?/span>

那么結(jié)果如何？團隊實現(xiàn)了重量比CX-5前期設(shè)計減輕3.4%的目標。多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化工作方法現(xiàn)在正應(yīng)用于馬自達的創(chuàng)馳藍天（SKYACTIV）車身技術(shù)開發(fā)項目中，將通過引擎和傳動技術(shù)改進以及輕量化的車身、底盤最終提高汽車燃油效率。

展望未來，馬自達團隊計劃對鋁、CFRP（碳纖維增強塑料）等其他材料也可采基于Isight自動化多學(xué)科多目標尋優(yōu)MDO系統(tǒng)。Kohira指出：“我們目前已將鋼車身設(shè)計細化到最大極限。未來設(shè)計除了鋼材之外還會涉及許多其他新材料，不過我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了基于Isight的應(yīng)對更高復(fù)雜性的技術(shù)解決方案?！?/span>