优化设计在汽车行业的应用综述

[摘 要]近几年我国的汽车工业发展势头强劲，随着市场需求不断扩张，我国汽车工业的发展潜力也非常大。设计和制造能力的不断提升，对汽车轻量化，降低制造成本，和提高汽车质量方面有了新的要求。

[关键词]优化设计；动力性；安全性；燃油经济性；舒适性

中图分类号：F420 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）03-0379-01

正文：汽车设计开发过程中涉及很多内容，优化设计渗透到其中的方方面面。现在汽车行业中汽车数字化产品开发过程的重要技术手段是CAE技术。通过运用CAE技术，让电脑模拟实车情况，在很大程度上节省了人力，物力，这也是这项技术在优化领域如此盛行的原因。随着社会经济的发展，人们对汽车的性能有了更高要求，更多的是追求车的动力性，安全性，燃油经济性和舒适性。以下就此四个方面进行叙述。

1 动力性

汽车的动力性是指汽车在良好路面上直线行驶时由汽车受到的纵向外力决定的，所达到的平均行驶速度。随着人们生活水平的提高，人们在汽车基本性能追求的基础上，对汽车行驶速度有了更高要求。汽车的动力性与整车结构强度，发动机性能，汽车外形等有关。

1.1 汽车整车结构

通过对车身等总成结构分析，对车身所用材料进行选择以及为车身优化提供设计指导。通过对底盘或整车零件进行分析，以实现零件优化、轻量化、可靠性设计等。轻量化逐渐成为汽车结构的设计优化分析的设计目标，它通常以强度、刚度或频率等为约束条件，改变设计形状和尺寸，进行多方案比较，选出最优的设计方案。

1.2 发动机性能

发动机是整车的心脏，其工作环境尤为恶劣，因此对发动机自身的强度，刚度有极高的要求。汽油发动机工作时，其内部最高工作温度可达到2200k-2800k，所以发动机的冷却系统就极其重要。发动机冷却系统分为风冷和水冷，就水冷系统而言，在设计时，就需要先对发动机冷却液流动路径进行优化设计，使流经冷却管道的冷却液既能较快的带走能量又能保证发动机足够的强度和刚度。

1.3 汽车外形

汽车在行驶过程中受到的行驶阻力有滚动阻力，空气阻力，上坡阻力和加速阻力。汽外形主要影响的是空气阻力的大小。空气阻力又分为摩擦阻力和压力阻力，压力阻力在汽车直线行驶过程中大致占得比例为91%。压力阻力主要与汽车车身主体形状，车身表面突起物（如后视镜，门把手，引水槽，悬架导向杆等），冷却系统和车身通风时空气流经车体内部构成的阻力有关。无风条件下汽车运动的空气阻力（N）为

其中为空气阻力系数，A为迎风面积，为汽车行驶速度。由上式可知，空气阻力与和A值成正比。轿车A值变化不大，所以降低值是降低空气阻力的重要手段。降低值可以通过优化车身结构，如使发动机盖向前下倾，汽车后部采用舱背式或直背式结构，车身底部采用平整结构等来实现目标。

2 安全性

随着中国经济的发展，中国汽车保有量不断增加，同时每年交通事故率也随之上升，人们对汽车安全性也越来越重视。汽车产品性能的重要指标之一是汽车的碰撞安全性。汽车的碰撞试验已被国家法规明文规定并且要评定星级。对企业而言，实车试验成本是巨大的，现在借助计算机模拟试验，不仅减少了试验成本，还有效提高了车辆设计的安全性。汽车上现有的安全带和气囊的设计优化为驾乘人员及行人提供了更加安全的保障。现代汽车上的离合器踏板，加速踏板，制动踏板都是经过无数次试验，结合人机关系，不断优化，才有的固有模式。此外，踏板的形状，行程，安装位置也是在人机工程的基础上进行设计优化的。由于人在驾车时总会有各种小问题，针对这些问题，现在汽车上出现了很多高级应用，如自适应巡航控制系统（Adaptive Cruise Control），GPS导航系统，自动大灯感应系统，随动转向系统（Fly By Wire），无人驾驶系统和车载行驶记录仪等。就拿自适应巡航系统来说，它是一种智能化的自动控制系统，在车辆行驶过程中，安装在汽车前部的车距传感器（雷达）持续扫描车辆前方道路，同时轮速传感器车速信号。当与前车距离过小时，ACC控制单元会控制车辆制动，保证驾驶安全。这种系统是经过不断优化才在现在汽车上使用的。

3 燃油经济性

由于节约燃料，保护环境已成为全球关注的重大事件，汽车燃油经济性受到全世界人民的重视。燃油经济性好不仅可以降低汽车的使用成本，减少石油的消耗，节约能源，还能降低发动机产生的二氧化碳的排放量，起到防止地球变暖的作用。通过对发动机结构的优化，如活塞裙部的设计优化，活塞顶部材料的选择和活塞头部的结构设计等，达到使发动机热损失和耗油更少的目标。由盖托.乔治亚罗设计的大众高尔夫第一代就是在中东石油战争爆发后出现在人们视野里的燃油经济性较好的两厢式车型，并且这款车在停产之前已卖出600多万辆，这也说明，人们对燃油经济性的重视程度。现代汽车行业正在发生巨变，人们对燃油经济性的追求，使新能源车的发展有了广阔市场。越来越多的企业，越来越多的人加入到新能源开发的行业中。2015年，媒体报道中国已经成为了新能源汽车发展的第二大国，

4 舒适性

经济的飞速发展，汽车的批量化生产，使汽车进入寻常百姓家。人们已经不仅仅满足于汽车带来的速度与激情，除了上述的三点外，人们更加追求乘坐的舒适性。乘坐舒适性包括汽车行驶时的平顺性，行驶时的声噪情况，空调温度，出风口位置以及车内各物件与驾乘人员的人机关系等。首先，座椅是最直接的与驾乘人员接触的物件之一，座椅的优化设计在很大程度上影响了乘坐舒适性。其次，汽车行驶时，车辆与道路、空气发生摩擦，以及车辆各部件振动时产生很大的噪音，在制造汽车车门，车窗和顶篷以及其他设计所关心的结构时就必须对这些结构进行优化，在最大程度上减小噪音，实现车身内的声学设计并进行噪声控制。再次，人们对温度的感知是灵敏的，现代汽车的空调系统温控的精度上升，已经能实现0.5的温度控制，部分车已经实现了温度分区控制。最后，车内物件的位置也是通过人机关系不断进行优化才在最终装配时确定的位置。

本文章在撰写过程中，参考借鉴了很多论文，在此谨向他们表示衷心感谢。限于作者水平，本文章肯定存在很多不足和需要进一步改进之处，竭诚希望广大读者朋友们批评指正。

参考文献

[1] 余志生.汽车理论.北京：机械工业出版社，2009.

[2] 谭继阳，张代胜.汽车结构有限元分析.北京：清华大学出版社，2009.

[3] 任金东.汽车人机工程学.北京：北京大学出版社，2010.