引言：基于汽车能源问题、污染问题、拥堵问题、安全问题的日渐加剧，开发“节能与新能源汽车”已经成为汽车工业转型升级的客观要求与必然趋势。在此背景下，汽车轻量化设计与制造的重要性愈发凸显。而在汽车轻量化设计中，数字化仿真分析技术的应用可有效缩短研发，提升轻量化汽车设计与制造质量，使汽车制造企业占据市场先机。对此，有必要加强对数字化仿真分析技术与汽车轻量化设计的研究，为汽车工业优化发展提供有益指导。
1汽车轻量化与数字化仿真分析技术的基本认识
1.1汽车轻量化
汽车轻量化（Lightweight of Automobile）主要是指在保证汽车综合性能（强度、稳定性、安全性等）指标达标的基础上，通过现代设计方法、先进科学技术等应用，实现汽车整体质量有效降低与汽车动力性、安全性、环保性等综合性能的科学提升。因此，汽车轻量化设计属于汽车产品优化设计，注重从多层面、多角度、全方位（如结构、材料、技术等）进行汽车产品改进、完善与强化，实现汽车产设计与制造综合效益（社会效益、经济效益、环保效益等）的提升。随着近些年汽车工业负面影响的不断加剧（资源消耗、环境污染、交通安全、城市拥堵、生态破坏等）汽车行业转型升级迫在眉睫[1]。轻量化成为汽车产品设计与制造的主流趋势，是解决汽车工业负面影响，实现可持续竞争发展的重要手段。
1.2数字化仿真分析技术
数字化仿真分析技术是基于信息技术、计算机网络技术、人工智能技术、传感技术等结合应用下形成的一种以数字化形式进行物理对象拷贝，并对其在现实环境中的行为进行虚拟仿真的技术。将该技术应用到制造型企业可有效提升制造企业新产品研发质量与制造效率，有效解决制造企业产品设计与制造的时间问题、资源问题、成本问题，推动制造企业产品设计与制造自动化、智能化发展。
通常情况下，产品设计与制造过程中，可将数字化仿真分析技术应用细分为以下几种类型：（1）产品仿真分析，即对研发与制造产品（包括结构、电路、软件系统、功能等）进行模拟，通过虚拟环境试验对产品实际情况具有一定了解；（2）生产流程仿真分析，即以生产流程优化为目的，通过工厂仿真、生产线仿真等及时发展与处理生产过程中存在的问题，提升产品生产加工质量、安全与效率；（3）设备状态仿真分析，即根据设备参数构建设备模型，依托系统控制掌握设备运行情况，实现设备预防性维护，降低设备生产故障[2]。
2数字化仿真分析技术应用于汽车轻量化设计作用分析
2.1缩短轻量化汽车产品研发周期
在汽车轻量化设计与制造过程中，新产品研发周期的长短与汽车产品市场竞争力的高低存在密切关联性。因此，在保证轻量化汽车产品基本性能指标（安全性、稳定性、舒适性、环保性等）达标的基础上，加快新产品研发上市周期至关重要。而将数字化仿真分析技术应用于汽车轻量化设计与制造过程中，可有效缩短新产品研发上市周期，抢占市场先机，增强汽车产品市场竞争力。例如，在汽车轻量化产品项目研发前期，利用数字化仿真分析软件进行项目可行性（设计可行性、制造可行性）探讨，可有效提升汽车轻量化产品设计与制造成功率；在汽车轻量化产品设计阶段，运用仿真分析软件可生成3D图纸，构建三维立体模型，便于设计人员根据产品研发需求从多角度对产品进行观测、分析，进行设计优化；在汽车轻量化制造阶段，运用数字化仿真分析技术能够进行生产线模拟，从而为汽车制造企业制造方案编制、制造手段落实提供依据，以降低制造风险，减少后期调整行为的产生。
2.2满足轻量化汽车特色设计需求
在汽车轻量化设计过程中运用数字化仿真分析技术能够设计理念、设计思路、设计方案以具体化、形象化、明确化方式呈现给客户。一方面便于客户了解设计意图，掌握设计目的；另一方面，能够根据客户需求与意见进行设计方案有针对性修改。且相对于传统设计而言，基于数字化仿真分析技术应用下的设计方案修改能够“动一发而牵全身”，无需逐一修改细节、重新制作模具，简化设计操作的同时，节约样品制造成本。
2.3及时发现汽车轻量化设计问题
由于汽车轻量化设计是一项综合且复杂的工程，其涉及到的内容、工具、技术相对较多。受设计知识、设计经验、设计环境条件等因素影响不可避免存在一定的设计问题。而数字化仿真分析技术的科学运用，则可帮助设计人员在设计阶段及时发展产量质量问题，进行设计方案的调整与优化。例如，依托Mentor Graphics软件能够对汽车轻量化设计中的电子电路进行模拟分析，将电子电路设计可能存在的质量问题进行具体呈现，便于设计人员根据设计与制造要求进行电子电路改进，降低电路风险；依托Simcenter软件能够对汽车轻量化设计中的结构优化设计进行模拟分析，验证产品结构强度、结构安全性、结构散热性等性能，以促进轻量化设计性能强化作用的有效发挥[3]。
2.4让轻量化汽车生产效率最大化
传统汽车制造企业在进行汽车及其零部件研发过程中，普遍存在研发周期长、设计与制造管理粗放、产品生产效率低、设计协调性差等问题，不利于汽车制造企业综合实力的提升。而将数字化仿真分析技术应用到汽车轻量化设计与制造过程中，能够将精益化理念渗透汽车产品设计与制造中，打造汽车轻量化智能工厂，从而解决上述问题，提升汽车轻量化设计与制造质量，让生产效益最大化。以汽车轻量化车身设计与制造为例，结合车身设计与制造实际，利用数字化仿真分析技术对生产过程（包括生产节拍、物料运输等）进行仿真，从而能够有效确定核心制造装备故障发生率、设备与人力资源配备数量、工作人员最优位置、汽车车身生产线瓶颈、生产线工序负荷、冲压生产线生产能力、焊接生产线各部分车身变化等。进而为产线控制、资源优化配置等工作开展提供依据，在保证汽车轻量化车身设计与制造质量的同时，提升车身生产效率。
3数字化仿真分析技术助力汽车轻量化设计的实践分析
从当前汽车轻量化设计发展现状来看，汽车结构优化、轻型材料运用、先进制造技术应用是汽车工业领域实现汽车轻量化的重要手段。随着汽车工业机械化、信息化、自动化、智能化建设进程的不断推进，数字化仿真分析技术逐渐渗透到汽车轻量化设计各层面中，并为其创新与发展提供了助力。
3.1轻型材料使用中的表现
在汽车轻量化设计与制造过程中，轻量化材料科学运用是较为常见的一种设轻量化实现路径。目前，汽车轻量化设计与制造中高强度钢材料、铝合金材料、镁合金材料、复合材料、高品质特殊钢、工程塑料、精细陶瓷等是应用较为广泛的轻型材料。就高强度钢材料而言，由于材料强度（屈服强度、抗拉强度）相对较大，能够在应用过程中减轻汽车自身重量，达到汽车轻量化设计目标。但高强度钢材料在使用过程中，受其自身强度影响焊接难度、成型难度相对较大，如果加工工艺控制不好，极易出现性能损坏问题。而应用数字化仿真分析技术，则能够对高强度钢材料力学性能、焊接工艺、冲压线自动化生产工艺等进行仿分析，从而及时发现设计与制造问题，解决高强度钢材料使用过程中存在的性能控制问题、焊接问题、成型问题。
随着汽车轻量化理论与实践研究的不断深入，玻纤增强工程塑料、复合材料等新型材料逐渐取代金属材料被广泛应用于汽车轻量化设计与制造中，成为汽车车身重要组成构件。由于玻纤增强工程塑料存在各向异性（部分或全部化学性质、物理性质会随着方向改变而发生变化，从而在不同方向上表现出不同性质）特征，因此为汽车轻量化设计与制造提供了难度。对此，在产品研发过程中如何准确掌握成型产品中玻纤增强工程塑料的取向分布，降低各向异性对产品生产存在的影响，成为相关工作人员关注与研究的重点问题。而数字化仿真分析技术的科学运用，则可有效解决上述问题。例如，欧特克软件有限公司构建的Autodesk Moldow注塑成型仿真分析解决方案，将Autodesk CFD（流体流动和热仿真、高级实体运动仿真）与Autodesk Simulation Mechanical（机械模拟，包括线性与非线性结构静力分析、震动模拟、机械运动模拟、稳态热传分析等）、Autodesk Helius PFA（复合材料仿真）、Autodesk Nastran（CAD嵌入式有限元分析软件，汽车结构及力学分析）软件进行有机结合，具备多样化仿真分析功能[4]。在该仿真分析解决方案运用下，能够对玻纤增强工程塑料、复合材料流体力学与热性能分析结果运用到结构优化分析中，从而对成型产品结结构性能进行科学、全面验证，解决轻型材料在汽车轻量化设计中的使用问题。
3.2结构优化设计中的表现
结构优化设计是汽车制造企业产品研发过程中不断探索与追求的目标。通常情况下，结构优化设计主要表现为“汽车零部件”结构优化设计与“汽车系统结”构优化设计；结构优化设计所应用的方法主要有“形态优化法”、“尺寸优化法”、“拓扑结构优化法”等；结构优化设计最终目的在于满足汽车强度、刚度、安全性等基本需求外，实现汽车零部件小型化、薄壁化与汽车车身结构简单化、轻量化发展。而在汽车结构优化设计过程中，要想有效提升汽车各要素之间的协调性，解决汽车零部件之间、汽车零部件与整车之间等存在的矛盾，可利用数字化仿真分析技术辅助结构设计，提升结构优化设计科学性、有效性。
以白车身结构优化设计为例，数字化仿真分析技术应用主要体现在以下几方面：（1）设计人员利用CAD（Computer Aided Design，计算机辅助设计）技术与CAE（Computer Aided Engineering，计算机辅助工程）技术构建概念车结构数字模型，实现车外空气动力学仿真分析，从而获取与汽车车身外形设计相关的参数（如空气阻路、尾流等），为车身外形设计提供信息参考依据。（2）利用CATIA软件、Hyper Mesh软件等构建白车身CAE有限元模型（包括前/后防撞梁、前/后地板、发动机舱、后围裙板、行李箱搁板、左/右侧围顶盖等模块），并在此基础上，综合分析汽车安全性、经济性、舒适性等要求，将白车身制造材料参数匹配到CAE有限元模型中形成相对完整的CAE模型。依托仿真分析软件对影响汽车设计与制造品质的因素（车身扭转刚度、车身弯曲刚度等）进行仿真分析，实现白车身刚度边界条件的科学确定，保证车身刚度设计符合白车身结构优化设计需求。（3）利用Opti Struct软件围绕汽车正面碰撞、侧面碰撞、后面碰撞等工况对白车身结构传力路径进行模拟分析，实现白车身拓扑结构优化设计。（4）由于汽车车身构成零件属性（材料、表面积、尺寸、厚度等）对车身结构性能（刚度性能、振动频率特征）等存在较大影响。因此，在结构优化设计过程中，车身结构性质不可避免会随着设计变量调整发生改变。对此，可通过车身结构灵敏度仿真分析获取零件灵敏度参数探寻各零部件对白车身结构性能的影响，为多目标最优化设计提供信息依据。
3.3制造技术使用中的表现
汽车零部件成型技术、汽车结构连接技术等是保障汽车轻量化设计有效实现的核心技术。例如，根据汽车车身不同区域受力情况，科学应用变截面薄板技术能够减少材料使用的同时，提升零部件性能，达到汽车轻量化设计目标。而在各制造技术应用过程中，为提升技术应用科学性、有效性，可依托数字化仿真分析技术进行工艺流程仿真。例如，依托3D软件、CAD软件、CAE软件、CAPP软件等对车身结构布局、轻量化生产工艺布局仿真分析，确定汽车零部件安装位置、汽车生产工序平衡时间等，进行生产优化。
结论：总而言之，汽车轻量化是解决汽车四大公害的重要举措。推进汽车轻量化发展进程，提升汽车轻量化设计与制造能力已经成为新时期汽车制造企业创新发展的必然诉求。对此，我们应树立科学创新意识，掌握数字化分析技术在制造型企业产品设计中的应用意义，从而能够科学应用数字化仿真分析技术助力汽车轻量化设计，提升我国汽车工业轻量化汽车研发与生产能力。
参考文献：
[1]汤伟.基于CAE的轻量化车身连接试验平台关键技术探析[J].机电信息,2019(32):105+107.
[2]邵康文,崔佳宁,刘原,等.数字化仿真技术在研发制造型企业中的应用[J].工程建设与设计,2019(20):268-270.
[3]李侃敏.汽车座椅轻量化结构设计及成形工艺优化的探讨[J].时代汽车,2019(01):105-106.
[4]张甘露.数字化仿真技术优化生产率应用研究[J].科学技术创新,2019(17):79-81.
