基于有限元分析的某轎車白車身輕量化設(shè)計

李長玉，林佳鵬，錢宇晨，戴海燕

(廣州城市理工學院汽車與交通工程學院，廣東 廣州 510800)

1 引言

隨著汽車保有量的不斷增加，汽車已經(jīng)成為造成能源消耗和環(huán)境污染的主要產(chǎn)品之一。據(jù)有關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計，每減輕一輛汽車整車總質(zhì)量的10%，對燃油的需求量將減少降低6%-8%，廢氣排放量能減少5%-6%。減輕汽車整車的總質(zhì)量能夠?qū)崿F(xiàn)降低油耗、節(jié)約能源、減排的目標。越來越多的研究人員對汽車輕量化進行了研究。

2004年朱平等人采用替換鋁合金材料的方式對某轎車車身主要的覆蓋件進行了輕量化研究，使車身減重53.1kg。2008年張勇等利用多學科設(shè)計優(yōu)化的方法使某轎車白車身在提高低階模態(tài)頻率的同時降低其質(zhì)量。2015年宋凱等利用渾河源模型在概念設(shè)計階段對某電動汽車白車身進行了輕量化設(shè)計。2016年李兆凱等針對某轎車白車身的靜剛度進行了分析在此基礎(chǔ)上對其進行了輕量化設(shè)計。2017年謝暉等采用了克里金算法對某電動汽車車身縱梁進行了輕量化設(shè)計。2018年王震虎等利用二次規(guī)劃法對某白車身的19個關(guān)鍵主斷面尺寸進行了優(yōu)化設(shè)計使該車身質(zhì)量減輕8.33kg。王等峰等建立了某轎車白車身隱式全參數(shù)化模型，使車身質(zhì)量減輕了19.9kg。2019年謝小平等建立了某商用車白車身的CFRP復(fù)合材料本構(gòu)模型，并進行了計算分析，在提高該白車身一階扭轉(zhuǎn)頻率的同時使總質(zhì)量減輕37.9kg。

本文為了減輕某SUV車型白車身的質(zhì)量，建立了該白車身各部件的三維數(shù)字模型，通過網(wǎng)格劃分得到了各部件的有限元模型，通過處理后將各部件連結(jié)成整個白車身有限元模型。采用單目標尺寸優(yōu)化的方法，以待優(yōu)化的鈑金件厚度為變量、以模態(tài)振動頻率和剛度值為約束、以質(zhì)量最小化為目標，利用OptiStruct求解器進行多次優(yōu)化迭代計算，得出優(yōu)化后的鈑金件厚度值，通過厚度值的選擇和鈑金件屬性的更新之后，再次求解計算得出減重之后的模態(tài)頻率和剛度值，驗證了減重后的可靠性。

2 白車身仿真模型建立及處理

2.1 幾何模型

本文研究的白車身整體構(gòu)成包括車身前機艙(圖1a)、車身左右側(cè)圍(圖1f)、車身前地板(圖1b)、車身后地板(圖1c)、車身頂蓋(圖1e)以及車身后圍(圖1d)六個總成。主要包括了347個鈑金件，各總成之間的鈑金件通過焊點的方式進行焊接，最后將六個總成拼接成一個完整的汽車白車身模型，完整的白車身幾何模型如圖1所示。

圖1 白車身部件及整車網(wǎng)格模型

2.2 有限元模型處理

抽取中面：由于白車身的部件大部分都是薄壁鈑金件，同一鈑金件部件的不同地方的厚度都是一致的，為了后期的網(wǎng)格劃分處理，需要對鈑金件進行中面的抽取，本文采取HyperMesh中的Midsurface的skin offset算法進行中面抽取，該算法適合于對鈑金件類型的部件進行中面抽取處理，得到的中面的結(jié)構(gòu)效果比較好。

網(wǎng)格類型和尺寸的選擇：利用有限元法施加所需工況前，需要應(yīng)用BatchMesher批處理功能模塊對幾何模型進行批處理網(wǎng)格劃分，網(wǎng)格的類型有體單元和殼單元。由于汽車白車身都由不同厚度的薄壁鈑金件組成，在汽車行駛的過程中需要承受拉應(yīng)力、彎曲應(yīng)力和扭轉(zhuǎn)力，而殼單元能夠抵抗扭轉(zhuǎn)和拉壓變形，所以白車身的網(wǎng)格劃分的類型將選擇殼單元。殼單元包含了四邊形網(wǎng)格和三角形網(wǎng)格兩種，為了避免由于變形過大導(dǎo)致分析結(jié)果的不準確，網(wǎng)格的劃分大部分采用四邊形網(wǎng)格，局部采用三角形網(wǎng)格。將整個白車身有限元模型的三角率控制在4%的范圍內(nèi)，更好的保證了分析結(jié)果的準確性?？紤]到計算精度、計算時間以及計算機的硬件條件問題，在劃分白車身網(wǎng)格的時候，采取8mm的目標網(wǎng)格尺寸，最小的網(wǎng)格尺寸控制為4mm。局部結(jié)構(gòu)特征的地方采用比較細密的網(wǎng)格。網(wǎng)格參數(shù)的設(shè)置如表1所示。

表1 白車身網(wǎng)格參數(shù)設(shè)置標準

圓形孔與圓角的處理：半徑小于3mm的圓形孔對分析結(jié)果影響較小，將采取填充的方式去除；半徑為3～6mm的圓形孔在孔的周圍劃分6個網(wǎng)格單元，如圖2a所示；半徑為6～14mm的圓形孔在孔的周圍劃分8個網(wǎng)格單元，如圖2b所示；半徑為14～20mm的圓形孔在孔的周圍劃分12個網(wǎng)格單元，如圖2c所示。當圓角半徑在0～4mm范圍內(nèi)，在圓角弧邊上不做節(jié)點施加；當圓角半徑超過5mm，可在圓角弧邊上添加一個或多個節(jié)點。

圖2 圓形孔處理結(jié)果

車身部件之間的鏈接方式：在對白車身完成了各總成網(wǎng)格劃分之后，要進行各部件的連接。本文所用到的連接方式主要有RBE2、ACM焊點、ADHESIVES黏膠，其中ACM在汽車白車身中最為常用。RBE2是一種剛性連接1D單元網(wǎng)格，用于模擬零件、部件之間的連接，施加在兩個待連接部件的節(jié)點上，當發(fā)生變形時，兩個部件都會有相同的位移量。汽車白車身上大多用于模擬螺栓連接，如圖3a所示；ACM焊點是由六面體實體網(wǎng)格和1D單元網(wǎng)格RBE3組成，施加在兩個連接件間，六面體實體網(wǎng)格夾在中層作為焊核，并由8個RBE3單元將焊核與兩個部件連接在一起，實現(xiàn)部件間的連接；ACM焊點在連接部件時，對網(wǎng)格類型是否一致、節(jié)點是否對齊沒有限制，對焊點的模擬具有高準確性和高效率性，因此各大主機廠廣泛地應(yīng)用該種連接方式處理白車身部件的連接，如圖3b所示；ADHESIVES黏膠主要用于模擬研究車型的白車身的頂蓋天窗的連接，其焊點類型與ACM焊點一致，形成的是一排連接在一起的焊點，充分模擬了黏膠的形狀，如圖3c所示。

圖3 車身部件之間的鏈接方式

白車身總成網(wǎng)絡(luò)與質(zhì)量的檢查：通過上面的各總成的網(wǎng)格劃分與鈑金件的焊點連接，完整的白車身網(wǎng)格模型已經(jīng)搭建完成。此外還需對該有限元模型的整體網(wǎng)格質(zhì)量進行檢查，網(wǎng)格質(zhì)量的好壞將影響到求解分析結(jié)果的準確性，在HyperMesh軟件中利用2D面板的qualityindex功能進行網(wǎng)格質(zhì)量的檢查，鈑金件的總數(shù)量為347，總網(wǎng)格單元數(shù)量919829，節(jié)點數(shù)944517個，ACM焊點六面體實體單元數(shù)7125(即ACM焊點數(shù))，不合格的網(wǎng)格數(shù)量很少，comp.QI值達到了203522.56，如下圖4所示，總體網(wǎng)格質(zhì)量比較好，能夠進行后期的工況分析。

圖4 整體網(wǎng)格質(zhì)量數(shù)據(jù)圖

2.3 材料選擇與屬性的賦予

本文的主要研究目的是通過尺寸優(yōu)化達到白車身輕量化的目的，所以白車身鈑金件材料的選擇選用普通鋼材即可。鈑金件間ACM焊點的實體單元材料以及頂蓋與橫梁之間ADHESIVES黏膠的實體單元的材料也有其各自的設(shè)置，三種材料的對應(yīng)參數(shù)如下表2所示。

表2 相關(guān)材料對應(yīng)參數(shù)表

3 有限元分析及輕量化設(shè)計

3.1 優(yōu)化的理論基礎(chǔ)

本文的白車身輕量化研究針對鈑金件的厚度尺寸進行優(yōu)化。涉及變量、約束和目標三個要素，變量是待優(yōu)化鈑金件的厚度參數(shù)，約束是減重求解計算過程中的限制條件，而目標則是變量經(jīng)過多次迭代求解計算所要達到的最終目的對應(yīng)的函數(shù)，具體的數(shù)學關(guān)系表達式如下

()=(，，，…，)

(1)

()≤0(=1，2…，)

(2)

≤0 (=1，2，…，)

(3)

(4)

3.2 優(yōu)化及分析對比

要實現(xiàn)白車身輕量化目標，需要先確定用于輕量化的鈑金件，即建立優(yōu)化變量；本文研究的選取大的鈑金件的厚度作為輕量化設(shè)計的待優(yōu)化變量，總共建立了191個待優(yōu)化變量，并將其優(yōu)化的厚度上下限設(shè)定了范圍，部分設(shè)計變量的具體設(shè)置如表3所示。分析時將原白車身扭轉(zhuǎn)剛度值和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值作為約束條件，扭轉(zhuǎn)剛度值約束范圍設(shè)置為扭轉(zhuǎn)工況下扭轉(zhuǎn)載荷加載點的Z向位移，左測加載點小于3.2mm，右側(cè)加載點小于3.3mm，即盡可能的保持的扭轉(zhuǎn)剛度值；一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值約束范圍設(shè)置為第2階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值大于21Hz。車身輕量化的目標函數(shù)為在約束條件下使設(shè)計變量的參數(shù)值的綜合效果達到最小值，即使車身的總質(zhì)量達到最小值。表3表示了優(yōu)化參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化后的結(jié)果?？梢钥闯鰞?yōu)化后的設(shè)計變量的參數(shù)值都有了不同的變化，即白車身的各個鈑金件的厚度都有了不同程度的降低，將各鈑金件屬性的厚度值按照表3進行更新，并通過HyperMesh軟件顯示出優(yōu)化后的白車身總質(zhì)量為411.7kg，相比于原始白車身重量434.8kg，減重了23.1kg，減重比例達5.31%。

表3 優(yōu)化參數(shù)設(shè)置及優(yōu)化后結(jié)果

1)模態(tài)分析及優(yōu)化前后對比

在進行優(yōu)化時需要將原白車身模態(tài)固有頻率值作為約束條件。優(yōu)化后需要再次進行模態(tài)分析以確保其可靠性。優(yōu)化前后各階模態(tài)固有頻率如表4所示。優(yōu)化前后振型云圖基本保持不變。前六階振型如圖5-10所示。從圖中可以看出，一階振型為該白車身頂蓋位置，天窗框架處的彎曲振動。第二階為白車身的一階扭轉(zhuǎn)振動。第三階為白車身頂蓋的彎曲振動。第四階為白車身前機艙橫梁的彎曲振動。第五階為白車身的一階彎曲振動。第六階為該白車身頂部二階彎曲振動。根據(jù)文獻[12，13]知汽車在運行時會受到來自地面的振動沖擊，如果車身固有頻率在20Hz以內(nèi)可能發(fā)生共振。本文計算的結(jié)果只有一階固有頻率在20Hz以內(nèi)，但是通過觀察振型發(fā)現(xiàn)此階模態(tài)為局部模態(tài)，當汽車車身裝配完成，安裝天窗之后此薄弱環(huán)節(jié)就會消失。從第二階開始固有頻率即開始大于20Hz在設(shè)計標注范圍之內(nèi)。從表4看出優(yōu)化前后固有頻率值第一階和第六階略微降低，一、二、四、五節(jié)均有不同程度增加。所以減重優(yōu)化后并未增加其運行時發(fā)生共振的風險。

表4 優(yōu)化前后模態(tài)頻率對比

圖5 1階模態(tài)振型分布圖

圖6 2階模態(tài)振型分布圖(一階扭轉(zhuǎn))

圖7 3階模態(tài)振型分布圖

圖8 4階模態(tài)振型分布圖

圖9 5階模態(tài)振型分布圖

圖10 6階模態(tài)振型分布圖

2)優(yōu)化前后剛度分析對比

汽車在行駛的過程中，左右兩輪會受到來自地面不同路況的的載荷，當左右兩邊輪胎所受的載荷不一致時，車身會出現(xiàn)扭轉(zhuǎn)的現(xiàn)象，進而產(chǎn)生白車身的扭轉(zhuǎn)變形。利用有限元分析法分析白車身的扭轉(zhuǎn)剛度，需要對白車身有限元模型施加模擬扭轉(zhuǎn)所需的約束條件和載荷，根據(jù)相關(guān)文獻[14，15]可知，對于承載式SUV白車身，目前常見的邊界條件是在白車身后左、右避震安裝處施加X、Y、Z、三個平動約束，同時在白車身縱向中心線上施加Z向平動約束；扭轉(zhuǎn)載荷則施加在白車身前左、右避震器安裝處，大小為2000N，方向為Z向負、正相反方向，如圖11所示。

圖11 扭轉(zhuǎn)工況邊界和載荷條件施加圖

本文通過仿真分析計算了輕量化前后扭轉(zhuǎn)剛度變化情況。在扭轉(zhuǎn)工況下，白車身扭轉(zhuǎn)力加載點的左、右側(cè)位移量為3.147mm、-3.285mm，計算得減重后的扭轉(zhuǎn)剛度為GJ=19581.728N·m/deg，對比減重前GJ=19853.270N·m/deg雖有所下降，不過仍然符合車身的設(shè)計標準。車身最大應(yīng)力值194.3Mpa，與減重前的應(yīng)力值192.720Mpa相比相差無幾，仍遠小于材料的屈服強度，扭轉(zhuǎn)工況下減重后白車身位移云圖如12所示。

圖12 減重后扭轉(zhuǎn)工況下位移云圖

汽車在行駛過程中需要承載許多外來的重量，對于承載式SUV白車身來說，需要承載汽車的絕大部分的零部件，如發(fā)動機、變速箱、懸掛等，以及行駛過程中的駕駛員和乘員的重量，此時汽車白車身會受到一個垂直方向上的縱向張力，使汽車白車身出現(xiàn)垂直方向上的變形，當其彎曲剛度越小，變形量將越大，車身會存在斷裂的安全隱患；此外其彎曲剛度越小，白車身的一階彎曲模態(tài)頻率將越低，使行駛的過程中引起共振現(xiàn)象的可能性增大，從而導(dǎo)致振動和噪聲值將增大，嚴重影響汽車的NVH評價指標及其性能，所以在車身設(shè)計過程中，需要對白車身的彎曲剛度進行分析并加以提高，以確保汽車行駛的安全性。本文分析了減重前后該白車身的彎曲剛度，并進行了對比分析。為了利用有限元法計算白車身的彎曲剛度值，需要施加相應(yīng)的邊界和載荷條件模擬車身的彎曲工況。常用的邊界條件是在前左、右避震器Y、Z二個方向施加平動約束，以及后左、右避震器X、Y、Z三個方向施加平動約束。彎曲工況載荷則是在車身左、右側(cè)圍兩側(cè)的門檻上各施加集中載荷1500N，方向沿Z軸負方向，具體的施加方式和位置如圖13所示。

圖13 彎曲工況約束、載荷施加圖

通過計算發(fā)現(xiàn)：彎曲工況下白車身底部縱梁和橫梁在Z軸方向上的最大位移為0.2976mm，減重優(yōu)化后的車身彎曲剛度EI=10080.645N/mm，相比于減重前的EI=10334.137N/mm雖有所下降，但仍在彎曲剛度的標準值范圍內(nèi)，車身的整體的應(yīng)力值比較小，但是較大的應(yīng)力位于載荷集中處，為239.1Mpa，依然小于材料的屈服強度，白車身底部縱梁、橫梁在Z軸方向的位移云圖如圖14所示。

圖14 底部縱梁、橫梁位移云圖

4 結(jié)論

本文建立了某轎車白車身3d數(shù)值模型，經(jīng)過處理后得到了其有限元網(wǎng)格模型。對其進行了模態(tài)分析、扭轉(zhuǎn)剛度分析及彎曲剛度分析。利用分析的結(jié)果作為輕量分析的約束條件，對其只要鈑金件的厚度進行了輕量化設(shè)計。使其各部件厚度均有不同程度的降低。使其總重量減輕23.1kg，減重比例達5.31%。減重前后各階固有頻率值及扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度變化不大，均在標準范圍之內(nèi)。