汽车轻量化的前世今生：为什么或将改变未来格局？

继《失控》预言汽车将做为“第四空间”成为人类的移动“工具”之后，凯文凯利又在最近的新书《必然》中论及汽车轻量化这一趋势。诚然，书中并未就轻量化的细节进行论述，但这与信息产业的发展也同样有着密切的联系，说到这是不是有些不太靠谱？

 

回到年初中国电动汽车百人会论坛上，科学技术部部长万钢再次谈到世界汽车的三个方向：电动化、智能化、轻量化，现场媒体提问十有八九离不开“智能”、“新能源”，但面对“轻量化”就如同异次元空间一般说不清个究竟，材料、工艺、结构？谁更重要？目前比较热门的话题比如宝马“碳纤维”、凯迪拉克“复合材料”等等，这些实际还是属于材料学范畴，但哪里要使用这些材料，哪里需要做些精简，哪里需要加强，这些都是汽车工程学需要解决的结构性问题，结构需求第一、材料第二，这点毋庸置疑，而在今天的汽车开发流程中，前端的塑模、拓扑决定了所有，但说起上世纪60年代发展至今的CAD/CAE技术对大多国内汽车人而言始终是个迷团。

　　

 

实际上，20世纪60年代初，最早使用这种技术的便是大名鼎鼎的美国国家宇航局（NASA），其开发的NASTRAN有限元分析系统为随后的阿波罗登月计划提供了有利的技术支持，这也成为世界上首个为轻量化服务的“动态虚拟分析软件”，并由此发展出首批CAE领域的技术公司，并在之后的几十年获得了广泛的应用。

　　

但即使如此，由于受制于计算机发展水平，后来大多数汽车公司的虚拟动态测试往往更多只能应用于产品开发后期，样机测试依旧大行其道。就如曾经提到的“台架试验”——构建和装配样机试验，这一过程通常要占用大量的工程时间且花费巨额费用，另外，由于仅能在开发进程相当晚的后期才能提供物理样机，那时已经存在的潜在问题需要在各个方面进行长时间且昂贵的测试才能解决。基于这些缺点，通用汽车早在21世纪初就开始应用具备一定精度的模拟系统，这样在制造出物理样机之前就可以识别出问题。

　　

 

过去10多年来，随着计算机技术及应用的迅速发展，特别是大规模、超大规模集成电路和微型计算机的出现，北美越来越多的机械、航空等领域的制造公司将这些技术应用于产品开发上，而通用汽车位于密歇根洲沃伦实验中心就有一处静谧之地，共有两座三层高的机房布满大大小小的集成电路以及服务器，为其工程团队提供全方位的试验服务，近年通用汽车接连开发出包括“LMS多体仿真软件”在内的众多研究成果更为虚拟动态技术寻找出更多应用可能。

　　

“物理试验一直以来是验证虚拟动态精确性必不可少的工作，特别在开发新型轻量化汽车设计时，如今通用的虚拟动态技术可以在更早期的设计阶段就鉴别出问题，并且能评估新设计与已有设计之间的性能差异，这样节省了大量时间并能大幅降低成本。通过这种方式更能在开发早期获得更深入的见解，使工程师能够在新设计中消除所有主要的薄弱点，从而减少物理试验次数”数年前来自通用汽车公司的CAE工程师Chandra Shah就曾发表过这一段讲话。而数周前，Shah的同事，Lance Johnstone先生谦虚的将这套技术定义为“车身优化技术”并首次向国内记者展示了雪佛兰迈锐宝XL是如何通过CAE/MDO技术实现将近120公斤的“瘦身”效果。

　　

 

值得注意的是，Johnstone先生在这次讲演中多次强调了迈锐宝XL在车身安全、刚度、静音、空间均丝毫不打折扣甚至有所提升的前提下能实现120KG的减重。而这样的减重成绩带来的最直接利好便是仅6.0L的百公里综合油耗，除此以外，车辆的运动性能也进一步提升，加速及制动成绩更佳。特别是对底盘的优化，还带来了灵敏的操控特征，通过转向灵活性提高，车辆响应性改善（偏航惯性减轻）。

 

在这次讲演中，一套完整的CAE/MDO模态分析讲稿也是第一次在公开场合与媒体分享，而以往我们常常听说某款车历经几十万、几百万公里的实路测时等介绍却并未出现在背景素材中，或许那些路测里程作为“亮点”已成为历史。对通用来说，如今的产品开发过程非常明确，即，在设计阶段通过“电脑模拟+人脑改进”的方式发现并解决潜在问题。路测，从某种意义上来说，是对这样的“电脑+人脑”组合的成果“检验”，只是测试车辆可靠性的一项常规的必备工作。而信息产业发展至今日我们日常生活以及汽车领域的影响也由此可见一斑。