如何用Tosca Structure软件为车身减重

寂静天花板

随着全球汽车产业努力提高燃油效率、满足日益严格的二氧化碳排放标准，汽车工程师正想方设法通过一切可能的途径来减轻汽车重量。

总部位于瑞士的高性能汽车铸件生产商和开发商Georg Fischer Automotive AG就是这么做的。作为每年消耗60多万公吨铁、铝、镁用于1亿多铸件的主要供应商，该公司正通过设计、材料和流程改进积极应对重量问题。
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轻量化战略的优势是显而易见的，也符合公司的“可持续交通运输”主旨。美国能源部报告指出，汽车重量减少10%，就能将燃料经济型提升6到8个百分点。用SIMULIA Tosca Structure开展设计减重对乔治费歇尔（GF Automotive）来说，底盘零部件开发的一个重要部分就是采用现代化仿真与优化手段。该公司的工程师多年来一直采用计算机辅助工程（CAE）工具，大幅缩短了开发时间，并提高了产品质量。公司目前凭借优化软件包SIMULIA Tosca Structure的拓扑和形状优化模块来减轻零部件重量，同时确保产品符合所需的负载要求。

减轻零部件重量需要在产品开发过程中采用整体方法，结合工程专业技术和计算机工作方法。FEDESIGN（2013年5月以来纳入达索3DEXPERIENCE旗下的SIMULIA品牌）的Tosca™Structure是一款灵活的模块化软件系统，支持非参数结构优化。采用的方法包括拓扑、形状和起筋优化，并结合业界标准的有限元分析求解器。乔治费歇尔（GF Automotive）在各种不同项目中采用该软件，在设计中努力减轻汽车重量。

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优化转向节：尽可能轻，但要确保安全在汽车悬挂系统中，转向节连接车轮和其他悬挂组件。乔治费歇尔（GF Automotive）工程师为了减轻转向节的重量，同时保证结构的强劲和安全，他们采用了Tosca™Structure软件进行优化。乔治费歇尔（GF Automotive）的前产品开发项目工程师Roman Brauner指出：“通过采用Tosca，我们能让设计方案最符合承载要求，确保铁铸件和轻型金属铸件满足轻量化和缺口应力不敏感。”成功开展大规模（系列）设计的关键起点就是先定义适当的设计空间。对转向节来说，这包括兼顾轴、轮和悬挂总成等动力学要求。零部件的产品规范随后转变为分析中的力学要求。Tosca Structure拓扑模块是减重优化的第一步。优化后形成轻量坚固的概念设计，同时考虑到所有负载和过载情况，这对转向节这种动态承载的组件而言至关重要。随后用软件的形状优化模块通过修改零件表面几何再额外减少100克重量。

对乔治费歇尔（GF Automotive）这样高度依赖于铸造技术的供应商来说，拓扑和形状优化十分适用于他们的生产方式，因为这种技术具有内在的设计自由度。铸件的灵活性能实现经优化的轻量设计零部件的高效批量生产，而且确保高质量。

优化工艺的好处很多。举例来说，新设计理念能从Tosca™ Structure方便地引入CAD模型，几乎无需额外的解读。Tosca™ Structure的全面自动化优化进程也能快速产生成果。就转向节而言，软件帮助工程师方便地获得适合生产要求的设计方案，考虑到所有的关键生产流程和步骤，包括脱模方向和机械精整加工钳夹点等都包含在优化设置中。

选择性地整合改进设计与适当的材料以及修改后的生产工艺能够进一步产生价值。乔治费歇尔（GF Automotive）内部开发的新型铸铁SiboDur材料提供更好的失效、拉伸载荷和疲劳强度等属性。有了这些属性，更轻量化的优化设计符合部件的所有安全要求。

Brauner指出：“除了铝之外，创新型铸铁材料也是未来发展趋势。无论如何，我们的目标是仅用所需的最少材料就满足组件的安全要求。”

从优化结果看初始重量为4.39公斤（9.7磅）的转向节现在重量为2.98公斤（6.6磅），减轻了32%。由于每个底盘需要两个零件，所以单车减重可达2.82公斤（6.2磅）。考虑到组件预计要装在160万辆车上，仅该组件使用寿命内就能减少1.26万吨二氧化碳排放。新的轻量化转向节自2012年开始大规模生产实施。大众将其用于MQB平台，如高尔夫七代和奥迪A3等车型。该设计还得到著名的ÖkoGlobe环保奖下的原材料、材料和工艺优化门类奖，该奖表彰交通领域的可持续先驱性创新成果。

Georg Fischer Automotive AG隶属Georg Fischer AG旗下，总部位于瑞士沙夫豪森，是深受汽车行业信赖的知名开发和批量生产合作伙伴。乔治费歇尔（GF Automotive）多年来一直为减重和轻量化开展研发设计，积极推进二氧化碳减排和高效油耗。采用Tosca Structure优化软件设计轻量化零部件，只是乔治费歇尔（GF Automotive）打造汽车行业更轻的未来的第一步。