基于靈敏度方法的白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升研究

王小留

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804）

前言

隨著汽車的發(fā)展，汽車已經(jīng)不僅僅是一個(gè)代步工具，人們對(duì)汽車的性能以及安全舒適性提出越來(lái)越高的要求。白車身扭轉(zhuǎn)剛度是整車剛度的基礎(chǔ)，其對(duì)整車的 NVH性能，碰撞安全性能都有著直接的關(guān)系。整車剛度不足，會(huì)導(dǎo)致整車的模態(tài)頻率偏低，從而會(huì)導(dǎo)致汽車在行駛過程中容易因外界的低頻激勵(lì)引起共振，產(chǎn)生大幅度的振動(dòng)與噪音。整車剛度不足也會(huì)導(dǎo)致汽車在行駛過程中產(chǎn)生大的變形，所以提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)整車性能具有重要意義。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度的高低主要受車身結(jié)構(gòu)、型腔斷面和材料厚度的影響。一般情況下，優(yōu)先通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面來(lái)提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。而往往車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面受造型風(fēng)格，人機(jī)布置等限制，有時(shí)某些車型在造型風(fēng)格和人機(jī)布置上會(huì)嚴(yán)重限制車身結(jié)構(gòu)形式和型腔斷面的大小，這些車型往往在優(yōu)化完車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面的情況下，白車身扭轉(zhuǎn)剛度往往難以滿足整車的性能要求，這時(shí)需要通過采用新材料新工藝或通過合理增加材料厚度的方式來(lái)提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，本文主要介紹后者，即通過重量靈敏度分析的方法，合理分配和改變材料料厚來(lái)高效提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。

1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度仿真方法

白車身扭轉(zhuǎn)剛度仿真方法是通過約束白車身的后端，下圖1所示，在白車身前端的減震塔處施加扭轉(zhuǎn)載荷進(jìn)行評(píng)估。不同的地方在于，不同的企業(yè)在約束加載位置和測(cè)試所包含的零件上略有不同。

圖1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度約束和加載示意圖

2 重量靈敏度分析法

靈敏度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：高靈敏板件、低靈敏板件和負(fù)靈敏板件。適當(dāng)加厚高靈敏板件、減薄不靈敏板件和負(fù)靈敏板件，可以實(shí)現(xiàn)白車身的性能改進(jìn)和輕量化設(shè)計(jì)（1）。

靈敏度分析是通過計(jì)算機(jī)批量求解，通過批量設(shè)置每個(gè)零件厚度變化，求解每個(gè)零件厚度變化帶來(lái)的車身性能變化。車身性能指標(biāo)有模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等，本文中車身性能只討論白車身扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)白車身模型中零件厚度為 T（單位：mm）時(shí)的白車身扭轉(zhuǎn)剛度為KT（單位：Nm/°），在軟件中設(shè)置零件厚度變化量△T（單位：mm），算出白車身模型中零件厚度為（T+△T）時(shí)對(duì)應(yīng)的白車身扭轉(zhuǎn)剛度（KT+△KT），把白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT與零件厚度變化量△T之比定義為厚度靈敏度的話，那么厚度靈敏度表示單位厚度變化引起的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量。如果用零件的厚度靈敏度來(lái)衡量零件對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)的話，該值很容易受到零件大小的影響，大的零件由于覆蓋的面積廣，零件質(zhì)量大，料厚改變時(shí)往往對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度值影響很大，但同時(shí)也會(huì)增加很多重量。為了排除零件大小的影響，更加合理的評(píng)估零件對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)，引入重量靈敏度的定義：即在零件CAD模型中算出零件厚度變化量△T所引起的零件重量的變化量△M（單位：Kg），把白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT與零件重量的變化量△M 之比△KT/△M定義為重量靈敏度，它表示單位重量變化引起的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量，用KT'表示。某個(gè)零件的重量靈敏度KT'的值越大，說明在增加同等重量的前提下，該件對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升貢獻(xiàn)值越大。在車身結(jié)構(gòu)一定的情況下，如果要通過合理分配零件料厚來(lái)提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，那么分配零件料厚的原則是對(duì)重量靈敏度 KT'值高的零件進(jìn)行加厚，對(duì)重量靈敏度 KT'值低的零件進(jìn)行減薄。通過重量靈敏度分析的方法可以指導(dǎo)白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升的設(shè)計(jì)和白車身的輕量化設(shè)計(jì)。

3 某車型設(shè)計(jì)分析

下圖2為某車型后部區(qū)域結(jié)構(gòu)，因設(shè)計(jì)需要，沒有衣帽架處環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且由于受造型和布置限制，導(dǎo)致尾門洞上部區(qū)域型腔斷面被壓縮到極限狀態(tài)，當(dāng)車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面優(yōu)化結(jié)束后，該車型的白車身扭轉(zhuǎn)剛度為17640 Nm/°，仍然不滿足項(xiàng)目上定義的目標(biāo)要求18500 Nm/°?；谶@個(gè)現(xiàn)狀，結(jié)合重量靈敏度分析，考慮通過合理分配零件材料厚度以達(dá)到合理提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度的目的。

圖2 某車型斷面受限示意圖

在車身結(jié)構(gòu)和型腔優(yōu)化結(jié)束后的白車身模型中，批量設(shè)置每個(gè)零件（僅設(shè)置上車身的零件，下車身的零件為架構(gòu)沿用件）的厚度變化量△T為 0.1mm，求解出每個(gè)零件厚度變化 0.1mm時(shí)所帶來(lái)的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量△KT，再算出每個(gè)零件厚度變化量0.1mm所對(duì)應(yīng)的重量變化量△M，根據(jù)重量靈敏度的定義 KT'=△KT/△M，從而能得到每個(gè)零件在當(dāng)前料厚下重量靈敏度，重量靈敏度值排名前十的零件如下圖3所示，從零件分布可以看出重量靈敏度值高的零件都分布在尾門洞區(qū)域，提升尾門洞區(qū)域的這些零件料厚可以有效提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。

圖3 某車型重量靈敏度值排名前十的零件示意圖

表1 重量靈敏度值信息表

對(duì)重量靈敏度排名前十的零件進(jìn)行編號(hào)，分別命名為 1號(hào)零件、2號(hào)零件、3號(hào)零件……10號(hào)零件，表1是這10個(gè)零件的料厚增加0.1mm時(shí)對(duì)應(yīng)的重量變化量△M，白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT，及其對(duì)應(yīng)的重量靈敏度KT'值。

從上表可以看出，如果對(duì)排名前十的零件都進(jìn)行增厚，每個(gè)零件都增厚 0.1mm的話，那么整個(gè)白車身將增重0.727kg*2（左右對(duì)稱件），而白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升 220 Nm/°*2，仍然沒有達(dá)到該車型對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的要求 18500 Nm/°。通過這種簡(jiǎn)單直接加厚的方法，雖然白車身扭轉(zhuǎn)剛度得到相對(duì)明顯的提升，但是增加的重量是不是最少，也就是這種方法是不是相對(duì)合理，需要繼續(xù)探討。根據(jù)重量靈敏度的定義，給零件分配料厚的原則是對(duì)重量靈敏度 KT＇值高的零件進(jìn)行加厚，顯然如果零件的重量靈敏度值隨著料厚變化不變的話，那么只需對(duì)1號(hào)增重2kg，就能把白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到18500 Nm/°，如果零件的重量靈敏度值隨著料厚變化而會(huì)發(fā)生變化的話，那么每次零件增厚后，則需要重新尋找重量靈敏度值最高的零件，并對(duì)其加厚，以此類推，直到把白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到目標(biāo)值。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了弄清楚重量靈敏度KT'與零件料厚T之間的關(guān)系，當(dāng)某個(gè)零件自身料厚增厚后，一方面要研究該零件自身的重量靈敏度的變化，另一方要研究該零件增厚后對(duì)周邊零件的重量靈敏度的影響。我們選取重量靈敏度排名前四的零件進(jìn)行增厚，如果每對(duì)一個(gè)零件增厚0.1mm就計(jì)算一次重量靈敏度的話，四個(gè)零件每個(gè)零件都增厚0.6mm，那么計(jì)算機(jī)將要進(jìn)行24次的批量計(jì)算，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減少計(jì)算次數(shù)，對(duì)重量靈敏度排名前四的零件同時(shí)增厚 0.1mm，研究這四個(gè)件增厚后自身的重量靈敏度的變化以及這四個(gè)件增厚后對(duì)其余六個(gè)未增厚零件的重量靈敏度的影響，為了重點(diǎn)研究重量靈敏度值高的零件，同時(shí)規(guī)定，當(dāng)某個(gè)零件的重量靈敏度值低于250 Nm/（°*Kg）時(shí)，則該件在下一輪的計(jì)算中不進(jìn)行加厚。計(jì)算得出的重量靈敏度KT'及其對(duì)應(yīng)的料厚見表2。

表2 重量靈敏度KT＇及其對(duì)應(yīng)的料厚

5 重量靈敏度與零件料厚的關(guān)系

從表2中我們先分析未加厚的5-10號(hào)零件的重量靈敏度的變化情況，從表中不難看出當(dāng)其余四個(gè)零件的料厚在增加時(shí)，該六個(gè)件的重量靈敏度基本保持不變，其變化規(guī)律如表3，總結(jié)出規(guī)律為：當(dāng)某一零件料厚 T保持不變時(shí)，隨著周邊零件料厚的增加，其重量靈敏度 KT'基本維持不變，也就是周邊零件料厚T變化對(duì)其重量靈敏度KT'影響很小。

表3 5-6號(hào)零件重量靈敏度變化曲線

再分析四個(gè)增厚零件重量靈敏度的變化情況，可以看出4號(hào)零件當(dāng)料厚只提升了0.1mm，其重量靈敏度急劇下降，其值就低于 250 Nm/（°*Kg），3號(hào)件料厚從 1.0mm 加到1.3mm時(shí)其重量靈敏度值也低于250 Nm/（°*Kg）。該四個(gè)件的變化規(guī)律如下表4所示，總結(jié)規(guī)律為：隨著零件自身料厚的增加，其重量靈敏度KT＇呈逐漸變小的趨勢(shì)，且基本呈線性變化，不同的零件其變化的趨勢(shì)略有不同。

表4 1-4號(hào)零件重量靈敏度變化曲線

6 設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)第5節(jié)得到的重量靈敏度和料厚的關(guān)系我們知道，在車身結(jié)構(gòu)不變的情況下，重量靈敏度 KT'與其他周邊零件料厚變化基本無(wú)關(guān)，只與其自身料厚T變化相關(guān)，并基本成線性關(guān)系。根據(jù)這個(gè)規(guī)律我們前后只需選取兩組不同料厚的組合，批量計(jì)算2次零件的重量靈敏度，然后可以采用差值法推算出中間各個(gè)料厚的重量靈敏度值。為便于理解，我們舉個(gè)例子加以說明，我們選取1-6號(hào)零件用差值法算每個(gè)料厚的重量靈敏度值，具體步驟如下：

第一步：計(jì)算出1-6號(hào)零件當(dāng)前料厚下的重量靈敏度KT'值，料厚T和重量靈敏度KT'見表5中的“Case1”列；

第二步：計(jì)算出1-6號(hào)零件另一組料厚下的重量靈敏度KT'值，料厚T和重量靈敏度KT'見表5中的“Case2”列；

第三步：根據(jù)線性規(guī)律推算出Case1與Case2之間的料厚對(duì)應(yīng)的重量靈敏度 KT'值，見表中“推算過程”列，從而得到六個(gè)零件不同料厚所對(duì)應(yīng)的重量靈敏度KT'值。

第四步：根據(jù)重量靈敏度 KT'的大小排名，在提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，依次選取重量靈敏度 KT'值高的零件進(jìn)行增厚。

優(yōu)化后的差值法，最大的優(yōu)勢(shì)是前后只需要兩次批量計(jì)算零件的重量靈敏度 KT'值，減少了計(jì)算次數(shù)，加快了優(yōu)化過程，節(jié)省了計(jì)算資源。

表5 用差值法計(jì)算各個(gè)零件不同料厚的KT'

7 總結(jié)

本文基于某車型，在車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面優(yōu)化結(jié)束后，該車型的白車身扭轉(zhuǎn)剛度仍不達(dá)標(biāo)的情況下，采用重量靈敏度分析的方法，研究了如何快速合理分配料厚來(lái)提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度?？偨Y(jié)了兩條重量靈敏度 KT'與零件料厚的關(guān)系規(guī)律：

（1）規(guī)律一，當(dāng)某一零件料厚 T保持不變時(shí)，隨著周邊零件料厚的增加，其重量靈敏度 KT'基本維持不變，也就是周邊零件料厚T變化對(duì)其重量靈敏度KT'影響很??；

（2）規(guī)律二，隨著零件自身料厚的增加，其重量靈敏度KT'呈逐漸變小的趨勢(shì), 且基本呈線性變化，不同的零件其變化的趨勢(shì)略有不同。

根據(jù)重量靈敏度 KT'與零件料厚的關(guān)系規(guī)律，采用差值法推算每個(gè)零件不同料厚下的重量靈敏度 KT'的話只需批量計(jì)算兩次，加快了優(yōu)化過程，節(jié)省了計(jì)算資源。

這種基于重量靈敏度分析的方法，不僅可以用于白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升優(yōu)化，對(duì)模態(tài)的提升優(yōu)化也同樣有效。該方法在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對(duì)零件料厚優(yōu)化及減重設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 基于白車身模態(tài)結(jié)果的靈敏度分析.汽車NVH仿真.

[2] 周杰梁.白車身結(jié)構(gòu)測(cè)試仿真及優(yōu)化.上汽安全與CAE技術(shù)[J].