一個(gè)世紀(jì)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(jìn)步要求。改進(jìn)的耐腐蝕性、更精致的機(jī)械屬性、高強(qiáng)度特性，以及先進(jìn)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?yàn)橹亓颗c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(yàn)證，可能一段時(shí)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(jìn)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(dá)到極限，汽車廠商開始采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程（CAE）工具來優(yōu)化設(shè)計(jì)，以合理成本滿足客戶的質(zhì)量要求，并應(yīng)對越來越嚴(yán)格的油耗要求、排放標(biāo)準(zhǔn)和碰撞測試要求。

馬自達(dá)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(jì)優(yōu)化方法（MDO）。

馬自達(dá)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(shí)現(xiàn)平衡至關(guān)重要。”團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是探尋最輕型鋼部件有效組合（按金屬板厚度計(jì)算），實(shí)現(xiàn)剛度、NVH品質(zhì)、耐用性和抗撞擊性四方面目標(biāo)要求，滿足CX-5的“禮帽式”結(jié)構(gòu)要求。團(tuán)隊(duì)采用多種不同CAE工具，針對整車車身行為進(jìn)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(jìn)設(shè)計(jì)，提高分析準(zhǔn)確度，并減少所需的原型數(shù)量?！?a href="http://xuebiqun.cn/ABAQUS" target="_blank">Abaqus有限元分析（FEA）在車輛開發(fā)過程中評估強(qiáng)度、以及整車身組件耐用性和動(dòng)力總成部件的熱應(yīng)力。

創(chuàng)建一個(gè)總體分析系統(tǒng)，首先優(yōu)化四大目標(biāo)領(lǐng)域中每個(gè)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(jì)，確保盡可能的輕量化，這是一項(xiàng)復(fù)雜的分析極具挑戰(zhàn)。

在檢查目標(biāo)行為中，剛度靜態(tài)和動(dòng)態(tài)硬度主要涉及線性計(jì)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(jì)優(yōu)化（MDO）流程圖展現(xiàn)出汽車設(shè)計(jì)中減重的復(fù)雜與挑戰(zhàn)，這會(huì)涉及到一系列關(guān)鍵的性能參數(shù)。

馬自達(dá)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(biāo)簽）和重量增加（粉色標(biāo)簽）情況。

框架元件的物理互動(dòng)和整車震動(dòng)?？棺矒粜陨婕暗脚鲎驳奈恢煤头较?，是正面、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(qiáng)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(dá)到“最佳性能”車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，團(tuán)隊(duì)采用了各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）方法和近似模型，手動(dòng)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(biāo)都被視為約束條件，設(shè)計(jì)變量為每個(gè)車身組件的材料厚度。Kohira指出：“我們的最終目標(biāo)是盡可能減輕車重，但通過手動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)組織來實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要花費(fèi)極長的時(shí)間?！?/span>

于是團(tuán)隊(duì)采用Isight 進(jìn)行流程自動(dòng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(dòng)運(yùn)行權(quán)衡性能指標(biāo)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)序列滿足約束。Kohira指出：“利用Isight，我們能確認(rèn)、并數(shù)值驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意，并能夠大幅提升設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)正確性的信心。

Isight流程自動(dòng)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件幫助馬自達(dá)在自動(dòng)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(yùn)行時(shí)間。

將Isight 應(yīng) 用到 車身 優(yōu)化 問 題 有一 個(gè)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(jìn)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(biāo)優(yōu)化幫助我們平衡相互矛盾的需求，同時(shí)也能減 輕整 體重量的需求?！?/span>

那么結(jié)果如何？團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了重量比CX-5前期設(shè)計(jì)減輕3.4%的目標(biāo)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工作方法現(xiàn)在正應(yīng)用于馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天（SKYACTIV）車身技術(shù)開發(fā)項(xiàng)目中，將通過引擎和傳動(dòng)技術(shù)改進(jìn)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(dá)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對鋁、CFRP（碳纖維增強(qiáng)塑料）等其他材料也可采基于Isight自動(dòng)化多學(xué)科多目標(biāo)尋優(yōu)MDO系統(tǒng)。Kohira指出：“我們目前已將鋼車身設(shè)計(jì)細(xì)化到最大極限。未來設(shè)計(jì)除了鋼材之外還會(huì)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。”