基于白車身靜剛度優(yōu)化車身輕量化研究

岳濤 汪小朋 陳樂強

摘 要：文章基于車身輕量化項目，從白車身靜剛度的角度出發(fā)，運用CAE方法對輕量化的方案進行優(yōu)化分析，找出合適的輕量化方案。

關(guān)鍵詞：輕量化；車身；CAE

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-54-02

Abstract： This paper was written based on Lightweight-project， CAE-technology was used to find suitable the best Lightweight-method， from the point of body-in-white static stiffness optimization.

Keywords： Lightweight； body-in-white； CAE

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-54-02

引言

據(jù)研究資料顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質(zhì)量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6升，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。

目前國內(nèi)外汽車輕量化技術(shù)發(fā)展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結(jié)構(gòu)設(shè)計和分析，以及輕質(zhì)材料在汽車上的應(yīng)用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復(fù)合材料、塑料等。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計方面，一般是通過更優(yōu)化的設(shè)計，來減小車身骨架及車身鋼板的質(zhì)量，同時對車身強度和剛度進行校核，以確保汽車在滿足性能的前提下減重。

白車身靜剛度主要包括靜態(tài)抗彎曲剛度和靜態(tài)抗扭轉(zhuǎn)剛度。車身的抗彎剛度和抗扭剛度在很大程度上決定著車身的品質(zhì)。經(jīng)受很大變形的柔性車身殼體，如果其抗扭剛度不夠的話，則將不能以應(yīng)有的方式承受彎曲的作用，因此，良好的車身應(yīng)當具有剛性殼體。車身是轎車的關(guān)鍵總成。車身結(jié)構(gòu)必須具有足夠的剛度以保證其裝配和使用要求。

本文從車身剛度的角度出發(fā)，運用CAE方法，結(jié)合結(jié)構(gòu)膠新技術(shù)，對車身輕量化進行研究。

1 有限元分析技術(shù)及使用軟件簡介

隨著計算機技術(shù)和數(shù)值分析理論的發(fā)展，CAE技術(shù)在現(xiàn)代汽車產(chǎn)品設(shè)計中扮演著越來越重要的角色，幾乎貫穿了汽車設(shè)計的全過程，它是計算機技術(shù)和工程分析技術(shù)相結(jié)合形成的新興技術(shù)。

MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一個大型結(jié)構(gòu)有限元分析軟件，主要的分析功能有：靜力學(xué)分析、屈曲分析、動力學(xué)分析、熱分析、空氣動力學(xué)彈性及顫振分析、流固耦合分析、多級超單元分析、高級對稱分析等，本文主用運用Nastran對車身靜剛度進行分析。

2 某款轎車車身輕量化研究

根據(jù)輕量化項目要求，車身需要在不改變結(jié)構(gòu)的情況下進行減重，減重后白車身的靜剛度維持減重前的水平。

2.1 現(xiàn)狀態(tài)車身靜剛度分析

在減重方案制作之前，需要對現(xiàn)狀態(tài)的白車身靜剛度進行性能摸底，按照項目要求，減重前的白車身靜剛度作為減重方案的設(shè)計目標。

沿左右縱梁布置位移測點，考察白車身在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下車身靜剛度。分析結(jié)果如下所示：

現(xiàn)狀態(tài)白車身靜剛度分析結(jié)果如下所示：

2.2 減重方案車身靜剛度分析

按照要求，對車身進行減重，減重方案如下所示：

包括側(cè)圍、頂棚、中央通道等比較大的件均進行了減薄處理，減重方案白車身靜剛度分析結(jié)果如下表所示：

從分析結(jié)果上看，減重方案對白車身靜剛度影響較大，扭轉(zhuǎn)剛度下降了7.68%，彎曲剛度下降了9.81%，不能滿足項目減重后車身剛度保持原先水平的要求，需要對減重方案進行優(yōu)化。

2.3 車身減重方案優(yōu)化

按照項目要求，不能對車身進行結(jié)構(gòu)的改動，只能在鈑金的厚度上做優(yōu)化，但是增加鈑金的厚度以達到車身剛度提升的方法有悖于項目減重的初衷，因此需要在減重方案的基礎(chǔ)上引進新的技術(shù)方案。

結(jié)構(gòu)膠是近來新興的一種技術(shù)，結(jié)構(gòu)膠強度高、抗剝離、耐沖擊、施工工藝簡便。用于金屬、陶瓷、塑料、橡膠、木材等同種材料或者不同種材料之間的粘接。可部分代替焊接、鉚接、螺栓連接等傳統(tǒng)連接形式。結(jié)合面應(yīng)力分布均勻，對零件無熱影響和變形。

在車身連接薄弱的位置填加結(jié)構(gòu)膠增強部件之間的連接，可有效的提升車身剛度，而且結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量很小，不會對車身質(zhì)量造成很大的影響。

根據(jù)分結(jié)果，在車身較弱的位置填加結(jié)構(gòu)膠進行分析。根據(jù)分析結(jié)果填加的結(jié)構(gòu)架如下圖所示：

對優(yōu)化方案進行白車身靜剛度分析，分析結(jié)果如下所示：

從分析結(jié)果上看，優(yōu)化方案的分析結(jié)果扭轉(zhuǎn)剛度不但達到設(shè)計要求，而且還提升了4.4%，彎曲剛度有0.8%的下降，可以接受。從提供的結(jié)構(gòu)膠材料參數(shù)來看，重量僅增加了0.141kg。

3 結(jié)論

汽車輕量化是現(xiàn)在和未來汽車發(fā)展的一個重要課題，在輕量化的同時，車身剛度不能有很大的變化，因此在制作方案的階段需要對方案的影響進行預(yù)測，CAE則是進行預(yù)測分析的最佳工具。

本文運用CAE方法從白車身靜剛度的角度對車身輕量化進行分析，并在減重方案的基礎(chǔ)上采用結(jié)構(gòu)膠的方法對車身剛度進行優(yōu)化，最終達到設(shè)計要求。

參考文獻

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[2] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應(yīng)用[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，2006：280-282.