如何用Tosca Structure軟件為車身減重

寂靜天花板

隨著全球汽車產業努力提高燃油效率、滿足日益嚴格的二氧化碳排放標準，汽車工程師正想方設法通過一切可能的途徑來減輕汽車重量。

總部位于瑞士的高性能汽車鑄件生產商和開發商Georg Fischer Automotive AG就是這么做的。作為每年消耗60多萬公噸鐵、鋁、鎂用于1億多鑄件的主要供應商，該公司正通過設計、材料和流程改進積極應對重量問題。

輕量化戰略的優勢是顯而易見的，也符合公司的“可持續交通運輸”主旨。美國能源部報告指出，汽車重量減少10%，就能將燃料經濟型提升6到8個百分點。用SIMULIA Tosca Structure開展設計減重對喬治費歇爾（GF Automotive）來說，底盤零部件開發的一個重要部分就是采用現代化仿真與優化手段。該公司的工程師多年來一直采用計算機輔助工程（CAE）工具，大幅縮短了開發時間，并提高了產品質量。公司目前憑借優化軟件包SIMULIA Tosca Structure的拓撲和形狀優化模塊來減輕零部件重量，同時確保產品符合所需的負載要求。

減輕零部件重量需要在產品開發過程中采用整體方法，結合工程專業技術和計算機工作方法。FEDESIGN（2013年5月以來納入達索3DEXPERIENCE旗下的SIMULIA品牌）的Tosca™Structure是一款靈活的模塊化軟件系統，支持非參數結構優化。采用的方法包括拓撲、形狀和起筋優化，并結合業界標準的有限元分析求解器。喬治費歇爾（GF Automotive）在各種不同項目中采用該軟件，在設計中努力減輕汽車重量。

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優化轉向節：盡可能輕，但要確保安全在汽車懸掛系統中，轉向節連接車輪和其他懸掛組件。喬治費歇爾（GF Automotive）工程師為了減輕轉向節的重量，同時保證結構的強勁和安全，他們采用了Tosca™Structure軟件進行優化。喬治費歇爾（GF Automotive）的前產品開發項目工程師Roman Brauner指出：“通過采用Tosca，我們能讓設計方案最符合承載要求，確保鐵鑄件和輕型金屬鑄件滿足輕量化和缺口應力不敏感。”成功開展大規模（系列）設計的關鍵起點就是先定義適當的設計空間。對轉向節來說，這包括兼顧軸、輪和懸掛總成等動力學要求。零部件的產品規范隨后轉變為分析中的力學要求。Tosca Structure拓撲模塊是減重優化的第一步。優化后形成輕量堅固的概念設計，同時考慮到所有負載和過載情況，這對轉向節這種動態承載的組件而言至關重要。隨后用軟件的形狀優化模塊通過修改零件表面幾何再額外減少100克重量。

對喬治費歇爾（GF Automotive）這樣高度依賴于鑄造技術的供應商來說，拓撲和形狀優化十分適用于他們的生產方式，因為這種技術具有內在的設計自由度。鑄件的靈活性能實現經優化的輕量設計零部件的高效批量生產，而且確保高質量。

優化工藝的好處很多。舉例來說，新設計理念能從Tosca™ Structure方便地引入CAD模型，幾乎無需額外的解讀。Tosca™ Structure的全面自動化優化進程也能快速產生成果。就轉向節而言，軟件幫助工程師方便地獲得適合生產要求的設計方案，考慮到所有的關鍵生產流程和步驟，包括脫模方向和機械精整加工鉗夾點等都包含在優化設置中。

選擇性地整合改進設計與適當的材料以及修改后的生產工藝能夠進一步產生價值。喬治費歇爾（GF Automotive）內部開發的新型鑄鐵SiboDur材料提供更好的失效、拉伸載荷和疲勞強度等屬性。有了這些屬性，更輕量化的優化設計符合部件的所有安全要求。

Brauner指出：“除了鋁之外，創新型鑄鐵材料也是未來發展趨勢。無論如何，我們的目標是僅用所需的最少材料就滿足組件的安全要求。”

從優化結果看初始重量為4.39公斤（9.7磅）的轉向節現在重量為2.98公斤（6.6磅），減輕了32%。由于每個底盤需要兩個零件，所以單車減重可達2.82公斤（6.2磅）。考慮到組件預計要裝在160萬輛車上，僅該組件使用壽命內就能減少1.26萬噸二氧化碳排放。新的輕量化轉向節自2012年開始大規模生產實施。大眾將其用于MQB平臺，如高爾夫七代和奧迪A3等車型。該設計還得到著名的ÖkoGlobe環保獎下的原材料、材料和工藝優化門類獎，該獎表彰交通領域的可持續先驅性創新成果。

Georg Fischer Automotive AG隸屬Georg Fischer AG旗下，總部位于瑞士沙夫豪森，是深受汽車行業信賴的知名開發和批量生產合作伙伴。喬治費歇爾（GF Automotive）多年來一直為減重和輕量化開展研發設計，積極推進二氧化碳減排和高效油耗。采用Tosca Structure優化軟件設計輕量化零部件，只是喬治費歇爾（GF Automotive）打造汽車行業更輕的未來的第一步。