車身輕量化設(shè)計(jì)分析

胡發(fā)明 李磊

中通客車控股股份有限公司 山東聊城 252000

隨著社會的快速發(fā)展，越來越多消費(fèi)者購買汽車，改善了人們生活水平的同時，節(jié)能、環(huán)保、安全和智能成為汽車發(fā)展的新動向[1]。與此同時，能源和環(huán)境是當(dāng)今世界面臨的兩大問題，兩者都與汽車產(chǎn)業(yè)發(fā)展息息相關(guān)，制造出 “低能耗”、“低排放” 甚至 “零排放” 的汽車是汽車行業(yè)等部門需要思考的問題。在采用相同動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的前提下，乘用車的整車質(zhì)量減重100Kg，每百公里燃油消耗平均減少0．2-0．8L，二氧化碳排放減少5-11g/km。相較于汽車的動力系統(tǒng)和傳動系統(tǒng)的技術(shù)改革，輕量化是降低能耗、減少排放的最為有效的措施之一。在《中國制造2025》中關(guān)于汽車發(fā)展的整體規(guī)劃中也強(qiáng)調(diào)了 “輕量化仍然是重中之重”，“輕量化” 已然成為國家的重要戰(zhàn)略，越來越多的研究機(jī)構(gòu)和汽車行業(yè)將其研究工作的重點(diǎn)放在汽車輕量化上。

1 汽車輕量化理論與設(shè)計(jì)方法研究

汽車輕量化的問題是在最優(yōu)化的理論基礎(chǔ)上建立的，通常所說的優(yōu)化設(shè)計(jì)，就是根據(jù)實(shí)際的情況和問題，建立其優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型，采取一定的最優(yōu)化方法，尋找既滿足約束條件又使目標(biāo)函數(shù)最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案[2]。構(gòu)成結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)問題的三要素為：設(shè)計(jì)變量、狀態(tài)變量、目標(biāo)函數(shù)。具體方法如下。

在汽車結(jié)構(gòu)輕量化中，結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化是在確定結(jié)構(gòu)拓?fù)涞那疤嵯拢蒙倭康某叽鐏肀硎窘Y(jié)構(gòu)的某些變化，然后建立基于這些維參數(shù)的數(shù)學(xué)模型，并采用優(yōu)化方法求解最優(yōu)維參數(shù)。

在尺寸優(yōu)化中，其設(shè)計(jì)變量大多數(shù)為材料參數(shù)（如說彈性模量和密度）和尺寸參數(shù)（如橫梁橫截面的尺寸、轉(zhuǎn)動慣量、彈性支承剛度、板材的厚度、兩個部件之間的連接剛度等）。

尺寸優(yōu)化是通過優(yōu)化一維梁單元的截面尺寸、二維板單元厚度等，尋找目標(biāo)結(jié)構(gòu)件的最好截面尺寸，滿足其相對應(yīng)的性能要求，性能優(yōu)化期間，結(jié)構(gòu)的形狀和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)沒有發(fā)生變化。尺寸優(yōu)化的一個重要方向是一維梁單元的截面尺寸優(yōu)化，從之前的結(jié)構(gòu)到現(xiàn)在工業(yè)上用的各種型號鋼材，尺寸優(yōu)化已經(jīng)相對成熟，在給定結(jié)構(gòu)外形幾何、材料、單元類型、結(jié)構(gòu)布局的情況下，以截面的尺寸為設(shè)計(jì)因變量，尋求截面尺寸的最優(yōu)，以滿足性能要求并且實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，達(dá)到降低生產(chǎn)成本的目的。

2 車身輕量化設(shè)計(jì)

2.1 集成化設(shè)計(jì)

鋼板強(qiáng)度越高，其成形性能一般越差，尤其是強(qiáng)度超過1200MPa 常規(guī)的冷沖幾乎無法實(shí)現(xiàn)稍復(fù)雜零件的成形，此時，可以采用熱沖壓成形技術(shù)[3]。

目前，激光拼焊板熱成形、補(bǔ)丁板熱成形是較好的實(shí)現(xiàn)減少零件數(shù)量，降低重量的技術(shù)。

2.2 尺寸和形狀優(yōu)化

形狀優(yōu)化表示對結(jié)構(gòu)件的整體或者局部的形狀以及孔洞的形狀進(jìn)行優(yōu)化改進(jìn)，使材料達(dá)到更好的使用效果，減少受力不均現(xiàn)象。對于少數(shù)規(guī)則結(jié)構(gòu)件可以把形狀優(yōu)化轉(zhuǎn)化為尺寸優(yōu)化進(jìn)行目標(biāo)函數(shù)設(shè)定處理，對于汽車上大部分的不規(guī)則的零部件來說，參數(shù)難以設(shè)定還是需要進(jìn)行無參數(shù)的形狀優(yōu)化。

形貌優(yōu)化是形狀優(yōu)化的高級形式，就是于板形結(jié)構(gòu)中尋求最優(yōu)加強(qiáng)筋分布的概念設(shè)計(jì)方法，往往應(yīng)用于設(shè)計(jì)符合的頻率需求以及提高構(gòu)件剛度，在汽車薄板型構(gòu)件的優(yōu)化中應(yīng)用廣泛。耿廣銳等對某款塑料油底殼進(jìn)行基于形貌優(yōu)化的方法進(jìn)行設(shè)計(jì)，成功提高了產(chǎn)品的第一階固有頻率，而且對于油底殼的全新開發(fā)而言，可以達(dá)到提高效率縮短成本的效果。張彩婷等通過自由起筋和約束起筋對轎車地板進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，采用這兩種形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對汽車安全性明顯提高，可以有效的防止汽車遇到共振現(xiàn)象。袁林等對某電動汽車的電池箱展開了多目標(biāo)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足結(jié)構(gòu)的剛度和頻率等性能要求的同時成功實(shí)現(xiàn)了8．7% 的減重率。

2.3 斷面優(yōu)化

雖然分析軟件應(yīng)用已很廣泛，但主要是針對3D 模型的分析，如果在前期的2D 斷面階段可以對性能的評估，可以避免項(xiàng)目后期的重大設(shè)計(jì)更改，縮短開發(fā)進(jìn)度。

此平臺項(xiàng)目中，引進(jìn)了SectionAD 軟件，可以通過2D 斷面快速評估不同的設(shè)計(jì)方案，如材料對最大軸向載荷及彎矩的靈敏度等，得到最優(yōu)化的設(shè)計(jì)截面尺寸、厚度、形狀等，實(shí)現(xiàn)了項(xiàng)目前期的性能評估和優(yōu)化。

2.4 多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化

現(xiàn)代工程發(fā)展迅速，各個工程系統(tǒng)規(guī)模逐步擴(kuò)大，系統(tǒng)間交互合作更加緊密，傳統(tǒng)的優(yōu)化方法已經(jīng)不再能滿足對工程領(lǐng)域發(fā)展的需求，多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化由此發(fā)展。ATC 是近年發(fā)展起來的，指的是按照系統(tǒng)層次型結(jié)構(gòu)，自上而下將系統(tǒng)的目標(biāo)函數(shù)以及約束條件傳遞給子系統(tǒng)，各子系統(tǒng)有不同學(xué)科，對不同學(xué)科的局部設(shè)計(jì)變量進(jìn)行優(yōu)化，直到符合系統(tǒng)設(shè)計(jì)要求，因?yàn)樵摲椒ň哂刑嵘O(shè)計(jì)效率、降低設(shè)計(jì)難度等優(yōu)點(diǎn)在汽車優(yōu)化設(shè)計(jì)中將應(yīng)用更多, 趙遷等對某汽車發(fā)動機(jī)燃燒室進(jìn)行研究優(yōu)化，很好的驗(yàn)證了ATC 在汽車設(shè)計(jì)中的有效性。王婷婷等[ 采用了ATC 對車輛的混合動力系統(tǒng)的參數(shù)進(jìn)行了層次分解和協(xié)同優(yōu)化以達(dá)到系統(tǒng)參數(shù)的最佳配置。

一些特殊的新算法也在研究推廣中，包括獨(dú)立子空間MDO 算法、異步子空間法等它們在一些場景中使用會對多學(xué)科分析效率有明顯提升。未來多學(xué)科算法要取得更好的優(yōu)化結(jié)果、更快的優(yōu)化速度，不但要對已有算法進(jìn)行改進(jìn)、新的算法進(jìn)行開發(fā)研究，對特殊的新算法也要加快推進(jìn)研究進(jìn)行試驗(yàn)對比，更加熟悉每種算法的應(yīng)用環(huán)境，把多學(xué)科多目標(biāo)優(yōu)化與傳統(tǒng)的尺寸、形狀、拓?fù)鋬?yōu)化更好的結(jié)合，使結(jié)構(gòu)優(yōu)化達(dá)到更好的輕量化效果。

3 結(jié)語

汽車的輕量化從來不是從哪一個單一的方式出發(fā)，想要獲得更好的輕量化結(jié)果，需要更好的把新輕質(zhì)材料、新工藝方法、結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法，進(jìn)行集成化、系統(tǒng)化的應(yīng)用。隨著工業(yè)化產(chǎn)業(yè)方式的進(jìn)一步發(fā)展、計(jì)算機(jī)技術(shù)的進(jìn)步，輕量化技術(shù)還有很大發(fā)展空間。