面向?qū)嶋H工程應(yīng)用的白車身輕量化設(shè)計研究

魏福林，田宇黎，王克，張晶，高鵬

（100176 北京市 北京新能源汽車股份有限公司）

0 引言

近年來，由于車身的質(zhì)量直接影響到汽車的舒適性和安全性，其結(jié)構(gòu)設(shè)計得到了越來越廣泛的重視，國內(nèi)對車身基于各個性能的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計與研究也越來越深入和廣泛。文獻[1-2]對汽車車身包含結(jié)構(gòu)設(shè)計與CAE 分析在內(nèi)的設(shè)計流程進行了較為完整的總結(jié)與介紹。文獻[3-6]對車身的剛度、模態(tài)、碰撞等基礎(chǔ)性能進行了結(jié)算與分析，并結(jié)合多目標優(yōu)化理論進行了結(jié)構(gòu)尺寸的輕量化設(shè)計。綜上,大多數(shù)對車身的輕量化設(shè)計更多的是利用現(xiàn)代CAE 與CAO 分析理論與應(yīng)用軟件，實現(xiàn)理論層面的車身輕量化設(shè)計。然而，上述偏理論研究的科研成果在處理實際工程應(yīng)用問題時，在工作效率、實用性等方面均存在一定程度的不足。

本文從車身結(jié)構(gòu)輕量化方面的實際工作出發(fā)，結(jié)合靈敏度法在車身輕量化設(shè)計中的意義，探索與建立了較為完善且貼合實際的車身結(jié)構(gòu)輕量化方法，并將此方法應(yīng)用于某車型車身結(jié)構(gòu)中，實現(xiàn)了良好的輕量化效果。

1 車身輕量化路線設(shè)計

車身輕量化的理論路線大致如圖1 所示。首先，通過靈敏度分析，確定待優(yōu)化的車身零部件設(shè)計變量；其次，確定車身優(yōu)化前后需評估和分析的性能指標，以此作為優(yōu)化過程中的約束條件；第三，將質(zhì)量最小作為優(yōu)化過程中的目標函數(shù)；最后，結(jié)合零部件加工工藝性能，對優(yōu)化方案和結(jié)果進行整合和完善，并確定最優(yōu)輕量化方案。車身輕量化的工程路線總結(jié)如圖2 所示。按照實際工程經(jīng)驗將車身輕量化分門別類細化為材料輕量化、工藝輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化3 個子方向，針對每個子方向上的特點，結(jié)合車身這一具體的結(jié)構(gòu)特征，對其再進行二級細化，使車身輕量化的途徑和方法落到實處，具體到每個更具體的對策上。

圖1 車身輕量化的理論路線Fig.1 Theoretical route of body weight reduction

圖2 車身輕量化的工程路線Fig.2 Engineering route of body weight reduction

比較圖1和圖2 兩種輕量化的路線可以發(fā)現(xiàn)：車身輕量化理論路線將輕量化問題抽象為一個解數(shù)學(xué)優(yōu)化模型的問題，其理論性和邏輯性較強，執(zhí)行起來具有一定的工作量和工作強度，更適合用于周期性較長的科學(xué)研究；車身輕量化工程路線更多的是結(jié)合工程與項目經(jīng)驗，將在實際中能實現(xiàn)輕量化的方法進行條理與全面的總結(jié)，其門類性和敘述性較強，執(zhí)行起來簡單明了，更適合周期較短的實際工程問題。

本文在對車身進行輕量化設(shè)計的過程中，將兩種輕量化路線進行結(jié)合，各取所優(yōu)，形成一套新的較為系統(tǒng)且全面的輕量化方法路徑，詳見如圖3 所示。首先，對車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度進行了靈敏度計算，基于靈敏度計算結(jié)果進行輕量化設(shè)計對象的選取，明確待輕量化的車身零部件；然后，從材料、工藝、結(jié)構(gòu)3 個方面入手，探討并給出詳細的輕量化設(shè)計方案；最后，從零部件成形性、剛度模態(tài)、碰撞安全3 個方面，驗證車身輕量化方案的可行性，如若其中某一方面的性能不滿足指標要求，則可根據(jù)零部件數(shù)據(jù)庫信息對輕量化方案進行修正，直至滿足各項性能指標。

圖3 本文車身輕量化路線圖Fig.3 Lightweight roadmap of vehicle body in this paper

2 車身性能靈敏度分析

2.1 靈敏度法

一個系統(tǒng)的響應(yīng)是由構(gòu)成此系統(tǒng)的各個零件的屬性決定的，而零件的各個屬性又對系統(tǒng)響應(yīng)的影響程度各不相同。靈敏度評價指標可以發(fā)現(xiàn)哪些屬性對系統(tǒng)響應(yīng)的影響較大或較小，從而為設(shè)計者提供修改建議，Pandey 等就將結(jié)構(gòu)反應(yīng)靈敏度的倒數(shù)作為一種廣義的結(jié)構(gòu)冗余性測度[7]。

在靈敏度評價指標中，把一些系統(tǒng)的參數(shù)利用變量xi來參數(shù)化。對于設(shè)計目標g 來說，與設(shè)計變量xi之間就形成函數(shù)關(guān)系，即g=G(xi)，如果設(shè)計變量xi有微小變化，設(shè)計目標將產(chǎn)生相應(yīng)的變化：

當(dāng)設(shè)計變量變化同樣的值時，即Δxi=Δ 時，而設(shè)計目標的變化量 Δg 各不相同，即ΦG/Φxi可以定義為設(shè)計目標 g 對設(shè)計變量xi的靈敏度。

本文以某B 級經(jīng)濟型轎車為研究對象，其車身模型如圖4 所示。以車身剛度對各零部件厚度的靈敏度分析為例，其彈性靜力學(xué)有限元平衡方程為

圖4 車身分析模型Fig.4 Body in analysis model

式中：n——自由度；[K]n×n——總剛度矩陣；[Y]n×1——結(jié)構(gòu)位移向量；[F]n×1——載荷向量。

將式（2）對設(shè)計變量x 求導(dǎo)可以得到

考慮到載荷不隨設(shè)計變量變化而變化，對式（3）進行整理，得到結(jié)構(gòu)位移向量對厚度設(shè)計變量x 的靈敏度計算公式

2.2 車身性能靈敏度計算

2.2.1 車身彎曲剛度靈敏度

車身總成的彎曲剛度靈敏度分析結(jié)果如圖5所示。由于零件數(shù)目比較多，只給出靈敏度較高的零部件名稱和編號見表1 所示。從圖5 和表1可以看出，地板總成中的中央通道、前地板、后地板座椅橫梁對地板總成的彎曲剛度性能較為靈敏，靈敏度次之的是前地板各加強板、中央通道各個橫梁，靈敏度最弱的是門檻梁內(nèi)外板及加強件等。根據(jù)此靈敏度分析結(jié)果可以展開對性能不敏感零部件的輕量化處理。

圖5 彎曲剛度靈敏度Fig.5 Bending stiffness sensitivity

表1 零件編號對照表Tab.1 Part number comparison

2.2.2 車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度

車身總成的扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析結(jié)果如圖6所示，靈敏度較高的零部件名稱和編號見表2 所示。從圖6 和表2 中知，側(cè)圍總成中的A 柱、前風(fēng)窗邊梁、頂蓋邊梁對側(cè)圍總成的彎曲剛度性能較為靈敏，靈敏度次之的是B 柱、C 柱等各個零部件，靈敏度最弱的是側(cè)圍各個零部件的加強件。

圖6 扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度Fig.6 Torsional stiffness sensitivity

表2 零件編號對照表Tab.2 Part number comparison

為了保證輕量化后的車身模型性能不發(fā)生較大變化，后續(xù)將重點對性能影響較小，即靈敏度結(jié)果較低的零部件，進行車身結(jié)構(gòu)輕量化、弱化設(shè)計，盡量避開表1和表2中所列的零部件。當(dāng)然，通過對具體零部件的結(jié)構(gòu)進行分析之后，結(jié)合其他車型相對應(yīng)的零部件結(jié)構(gòu)特征以及設(shè)計準則，即汽車零部件數(shù)據(jù)庫信息，對性能靈敏度較高的零部件也可嘗試進行性能完善性輕量化工作，進行適當(dāng)減重設(shè)計。

3 車身輕量化具體實施方案

3.1 車身材料輕量化設(shè)計

在車身材料輕量化方面，通過厚度減薄和高強減薄技術(shù)手段，對整車材料進行優(yōu)化選材，從而實現(xiàn)減重的目的。具體實施措施是參考已對標車型的零件信息，對覆蓋件或者非承力零件的厚度直接進行減薄，對高強結(jié)構(gòu)件，根據(jù)強度等效原則，實施高強減薄選材策略，具體實施方案見表3，共提出材料輕量化方案12 個，共計減重4.439 kg。

表3 車身材料輕量化方案統(tǒng)計表Tab.3 Statistics of lightweight schemes for body materials

3.2 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

在車身結(jié)構(gòu)輕量化方面，主要是通過厚度減薄、尺寸減小、減重孔設(shè)計、結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化、零部件合并、零部件拆分等輕量化手段，最終使結(jié)構(gòu)得以小型化、精簡化、薄壁化、中空化，實現(xiàn)零部件的輕量化的目的。本節(jié)將復(fù)雜多樣的輕量化方法進行分類總結(jié)，并且將每一類輕量化方法應(yīng)用到該白車身具體零部件中去，由于篇幅有限，每一類方法在此只舉一例，最后以表格的形式進行總結(jié)。

3.2.1 結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化

以A 柱下端外板為例，對其進行結(jié)構(gòu)搭接尺寸的調(diào)整。A 柱下端外板與門檻梁前端連接，在功能上其主要作用是將前艙、前指梁等結(jié)構(gòu)傳來的正碰力傳遞給門檻梁，因此，在對該部位進行輕量化時，需考慮零部件及搭接結(jié)構(gòu)的強度要滿足一定的要求。一般而言，兩個零部件的搭接尺寸L 按照公式L=6×板厚+10 計算，得到該部位的搭接邊尺寸大概在17.2 mm，考慮到該部位的傳力特殊性，對計算結(jié)果進行圓整為20 mm。實際測量該模型中兩零件的搭接尺寸為28 mm 左右，因此對兩零件的搭接邊尺寸縮短8 mm，將A 柱下端外板的后方長度尺寸減小8 mm。輕量化前后示意圖如圖7、圖8 所示。

圖7 A 柱下端外板尺寸優(yōu)化前后Fig.7 A-pillar lower outer plate before and after optimization

圖8 前縱梁內(nèi)板加強板減重孔優(yōu)化前后Fig.8 Longitudinal stiffener before and after optimization

3.2.2 結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化

以前縱梁內(nèi)板加強板為例，對其進行減重孔形狀優(yōu)化設(shè)計。對比分析左右2 個前縱梁內(nèi)板加強板發(fā)現(xiàn)，左側(cè)加強板減重孔開孔特征尺寸較大一些，右側(cè)加強板減重孔開孔特征尺寸較小一些。從輕量化的角度考慮，可考慮將右側(cè)加強板的減重孔尺寸加大，使其與右側(cè)加強板的減重孔形狀尺寸一樣，如圖8 所示。

3.2.3 結(jié)構(gòu)數(shù)量優(yōu)化

以后隔物板和后隔物板連接板為例，對其進行結(jié)構(gòu)零件合并。3 個零件的厚度值分別是后隔物板1 mm、后隔物板連接板0.95 mm，合并后將后隔物板的厚度降低為0.95 mm，后隔物板連接板的厚度不變。合并前后的示意圖如圖9 所示，合并前3 個零件重5.31 kg，處理后零件總重4.896 kg，共實現(xiàn)減重414 g。

圖9 后隔物板結(jié)構(gòu)數(shù)量優(yōu)化前后Fig.9 Septum plate before and after optimization

從以上3 個方面出發(fā)，結(jié)合本車身結(jié)構(gòu)形貌特征，共提出結(jié)構(gòu)輕量化方案17 個，涉及到的具體零部件信息見表4 所示，共計減重2.149 kg。

表4 車身結(jié)構(gòu)輕量化方案統(tǒng)計表Tab.4 Statistics of lightweight schemes for body structure

（續(xù)表）

3.3 車身工藝輕量化設(shè)計

在車身工藝輕量化方面，往往通過革新成形工藝來滿足材料與結(jié)構(gòu)的變化，如高強鋼激光拼焊、熱沖壓技術(shù)、輥壓技術(shù)等等，要確保零部件輕量化，采用先進成形工藝是關(guān)鍵。基于先進成形工藝的經(jīng)驗，綜合考慮高強鋼材料和與之相適應(yīng)的先進成形工藝，結(jié)合該車身結(jié)構(gòu)特征，對個別零部件的工藝作出如表5 所示的調(diào)整。工藝調(diào)整方案共計6 條，實現(xiàn)減重6.605 kg。

表5 車身工藝輕量化方案統(tǒng)計表Tab.5 Statistics of lightweight schemes for body technology

4 車身輕量化方案性能評估

4.1 剛度模態(tài)性能評估

車身的剛度模態(tài)是車身兩項比較基礎(chǔ)的性能分析對象，在一般的車身設(shè)計過程中，主要是對車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和一階彎曲模態(tài)4 個性能指標進行分析。本文車型性能指標參考文獻[8]設(shè)置如表6 所示，連同輕量化前后的車身性能數(shù)值一并分析后統(tǒng)計進表6。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，輕量化前后車身剛度模態(tài)性能變化不大，均在要求的范圍之內(nèi)。

表6 車身剛度模態(tài)統(tǒng)計表Tab.6 Body stiffness modal statistics

4.2 碰撞安全性能評估

碰撞安全性能是整車被動安全領(lǐng)域的分析內(nèi)容，也是所有車型在設(shè)計過程中需要分析的一個性能指標。碰撞安全性能分析指標主要有正碰B柱下端加速度、正碰前圍入侵量、側(cè)碰B 柱入侵量以及側(cè)碰B 柱入侵速度。將本文車型整車進行輕量化前后的碰撞計算分析后的結(jié)果統(tǒng)計進表7。數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，輕量化前后整車碰撞性能仍滿足五星級碰撞安全要求。

表7 整車碰撞性能五星級數(shù)據(jù)統(tǒng)計表Tab.7 Five-star data statistics of vehicle crash performance

5 結(jié)論

（1）基于當(dāng)前車身輕量化的理論路線與工程路線，結(jié)合實際工作情況，將兩種路線各取所優(yōu)，設(shè)計了面向工程應(yīng)用的新的車身輕量化路線。

（2）針對某車型車身模型，通過仿真計算得到了車身232 個零部件的彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度性能靈敏度計算結(jié)果，并對性能影響比較大的零部件名稱進行統(tǒng)計。

（3）從材料、結(jié)構(gòu)、工藝三個方面對車身進行了具體輕量化設(shè)計，提出輕量化方案35 個，減重13.193 kg，減重比3.95%。對車身輕量化方案進行車身剛度、模態(tài)以及碰撞安全性能的仿真計算與評估。結(jié)果顯示，車身剛度、模態(tài)以及碰撞安全三個性能指標均在設(shè)計范圍之內(nèi)，符合車身性能設(shè)計要求。