基于DOE的汽車白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

榮升格　周俊鋒　施帆君　胡駿

摘 要：汽車行業(yè)是我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，同時(shí)也是一個(gè)國(guó)家安全的關(guān)鍵因素。隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和人民生活水平的提高，汽車的保有量也在不斷增加，人們對(duì)汽車的要求越來(lái)越高，因此，對(duì)車身的設(shè)計(jì)提出了更高的標(biāo)準(zhǔn)和更高的質(zhì)量需求。而DOE及輕量化在質(zhì)量控制的整個(gè)過(guò)程中扮演了非常重要的角色，它是產(chǎn)品質(zhì)量提高，工藝流程改善的重要保證。

關(guān)鍵詞：DOE 汽車 白車身 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

1 引言

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的汽車生產(chǎn)企業(yè)都在采用以HBS（SUV）為核心的技術(shù)來(lái)滿足用戶的不同需要，但由于車身的結(jié)構(gòu)形式的多樣性，以及其性能的差異性，使得其在實(shí)際使用過(guò)程中存在著許多的問(wèn)題與缺陷。本文針對(duì)以上的現(xiàn)狀進(jìn)行研究，并結(jié)合國(guó)內(nèi)外的相關(guān)理論，通過(guò)查閱大量的文獻(xiàn)資料，分析出適合于白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法。

2 研究綜述

2.1 研究背景

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展和人們對(duì)汽車的需求量越來(lái)越大，汽車保有量的增長(zhǎng)速度也在不斷的加快中。由于汽車的普及和道路建設(shè)的完善，以及城市交通的日益擁擠，導(dǎo)致交通事故的發(fā)生頻率也在增加。據(jù)有關(guān)部門的數(shù)據(jù)顯示，我國(guó)每年因車禍造成的人員傷亡人數(shù)較多，并且死亡率高達(dá)30%。因此，如何提高公路的使用效率，降低事故的發(fā)生率成為了社會(huì)的熱點(diǎn)問(wèn)題。

2.2 研究意義

目前，國(guó)內(nèi)大多數(shù)的汽車廠都采用的是傳統(tǒng)的車身結(jié)構(gòu)，即底盤的布置方式，這種設(shè)計(jì)的弊端就是容易使駕駛員產(chǎn)生疲勞感，從而影響到乘客的舒適度。為了解決這個(gè)弊端，國(guó)內(nèi)外許多的廠家開始著手改善車身的外形、色彩、發(fā)動(dòng)機(jī)的運(yùn)行性能等方面的優(yōu)化工作。對(duì)于白車身的改進(jìn)，就需要對(duì)白車身進(jìn)行優(yōu)化，通過(guò)改變零部件的尺寸來(lái)達(dá)到減少碰撞的目的；同時(shí)，還可以根據(jù)不同的行駛環(huán)境來(lái)調(diào)整車型的大小與位置，以滿足更多的人出行的要求；最后，還能夠提升整車的安全系數(shù)，保證其具有良好的燃油經(jīng)濟(jì)性[1]。

2.3 研究?jī)?nèi)容和方法

本文以汽車白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化為研究對(duì)象，在閱讀了大量文獻(xiàn)資料的基礎(chǔ)上，對(duì)汽車白車身進(jìn)行了分析，并根據(jù)汽車結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)確定出合理的優(yōu)化方案。

（1）首先，對(duì)汽車行業(yè)的發(fā)展現(xiàn)狀以及歷史數(shù)據(jù)等作簡(jiǎn)要介紹，并通過(guò)對(duì)比得出優(yōu)缺點(diǎn)，從而提出本文的研究方向。

（2）其次，針對(duì)目前的汽車市場(chǎng)狀況，對(duì)整車的零部件進(jìn)行詳細(xì)的設(shè)計(jì)計(jì)算，包括各部件的尺寸、形狀和材料，最后再利用三維建模軟件，將各部分的零件模型導(dǎo)入到UG中，完成車身的拓?fù)洳季帧?/p>

（3）再次，運(yùn)用有限元方法，建立出一個(gè)新的白車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化框架，并將其與傳統(tǒng)的LUG的車型結(jié)構(gòu)相比較驗(yàn)證其可行性。

（4）最終，在綜合考慮各種因素的情況下，選出最優(yōu)的方案來(lái)解決實(shí)際問(wèn)題。

3 白車身結(jié)構(gòu)分析

3.1 白車身模態(tài)

白車身是汽車的主要結(jié)構(gòu)件之一，它由車身骨架、前圍板和后圍板等組成，其作用是承受來(lái)自路面?zhèn)鱽?lái)的各種載荷，并將力傳遞到車身的各個(gè)部位[2]。在白車身的設(shè)計(jì)中，要對(duì)各部件進(jìn)行合理的布置和協(xié)調(diào)，以保證整車的性能得到充分的發(fā)揮與利用。在對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)分析中，必須考慮到以下幾點(diǎn)：

（1）各零部件之間的相互關(guān)系。如前車的左右兩個(gè)車門的安裝孔的位置，以及它們的大小尺寸，都要嚴(yán)格按照白車身的要求來(lái)確定。

（2）各部分的連接方式。如前車的前后兩門的安裝孔的形狀，及內(nèi)外門的外徑的選擇等。

如果采用傳統(tǒng)的方法來(lái)計(jì)算，不僅會(huì)導(dǎo)致工作量的增大，而且還浪費(fèi)材料，并且由于不能準(zhǔn)確的表達(dá)出實(shí)際的受力情況，所以這種方法也不適合此次的研究課題。而采用現(xiàn)代的計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)，則可以很好的解決這個(gè)問(wèn)題。同時(shí)還能提高數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性與可靠性，從而使試驗(yàn)的結(jié)果更具有說(shuō)服性。每一階模態(tài)都會(huì)對(duì)應(yīng)有一個(gè)模態(tài)頻率，在對(duì)應(yīng)的模態(tài)頻率下會(huì)有對(duì)應(yīng)的模態(tài)振型。在車身模態(tài)中，最值得我們?nèi)リP(guān)注的就是車身一階彎曲模態(tài)頻率與一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，如下圖所示。

3.2 靈敏度

靈敏度是指汽車的抗干擾能力，它是指汽車在行駛過(guò)程中，能夠以較小的加速度保持零駛的程度大小[3]。當(dāng)車身的抗干擾性能較差時(shí)，就需要通過(guò)增加車身的阻尼來(lái)提高其靈敏度。而當(dāng)車身的抗干擾性能較好時(shí)，就可以采用優(yōu)化后的LMCS-51進(jìn)行優(yōu)化。在實(shí)際的汽車生產(chǎn)中，由于各種因素的影響和限制，車輛運(yùn)行速度和車速會(huì)受到很大的局限性，而導(dǎo)致了其無(wú)法保證汽車的安全性能。所以針對(duì)這一問(wèn)題，要對(duì)車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)以及車架的材料選擇等方面加以考慮。同時(shí)還應(yīng)該對(duì)車架的各零部件的尺寸、形狀、重量等予以分析，以便于確定最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案。為了使車身的響應(yīng)特性得到改善，必須要對(duì)各部件的布局圖譜及相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行詳細(xì)的計(jì)算與校準(zhǔn)。

3.3 白車身結(jié)構(gòu)的阻尼

對(duì)汽車的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化時(shí)，要考慮到白車身的阻尼問(wèn)題。在汽車的結(jié)構(gòu)中，主要是通過(guò)改變車身的高度、底盤的位置和以及車架的材料來(lái)實(shí)現(xiàn)的；而在白車身的結(jié)構(gòu)中，則需要對(duì)車架的位置和形狀加以控制，從而達(dá)到減小振動(dòng)的目的。而在白車身的結(jié)構(gòu)中，則可以利用緩沖器的作用來(lái)降低整車的質(zhì)量。對(duì)于不同的車型而言，其采用的減速器的類型也是不相同的：低檔、高功率的轎車，一般選用低轉(zhuǎn)速的齒輪減速器，高檔客車則多選擇低速的減速箱。

所以，針對(duì)以上的分析，提出了以下的方案：

（1）根據(jù)前輪驅(qū)動(dòng)的模型來(lái)確定出一個(gè)較為合理的減震器的安裝形式，然后再將這個(gè)安裝方式的具體尺寸定下來(lái)。

（2）依據(jù)前輪的傳動(dòng)系統(tǒng)的布置情況，再將這種改裝的具體參數(shù)的大小與速度的快慢結(jié)合起來(lái)，最終設(shè)計(jì)出一種更為有效的輪胎減震裝置。汽車的主要結(jié)構(gòu)參數(shù)和性能參數(shù)：整車裝備質(zhì)量（kg）：汽車完全裝備好的質(zhì)量，包括潤(rùn)滑油、燃料、隨車工具、備胎等所有裝置的質(zhì)量。最大總質(zhì)量（kg）：汽車滿載時(shí)的總質(zhì)量。最大裝載質(zhì)量（kg）：汽車在道路上行駛時(shí)的最大裝載質(zhì)量。對(duì)于汽車不同條件下的載荷分子如表1。

4 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 車身尺寸確定

對(duì)于汽車而言，車身是整車的主要部分，其尺寸大小直接決定了車輛的行駛性能和駕駛員的舒適程度。因此，在進(jìn)行車身優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，必須充分考慮到汽車的實(shí)際使用情況，并對(duì)其進(jìn)行合理的調(diào)整和修改。由于汽車的車身結(jié)構(gòu)具有一定的復(fù)雜性、多樣性，所以在對(duì)車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化時(shí)，要根據(jù)不同的車型、用途以及駕駛條件來(lái)確定相應(yīng)的車身尺寸。

例如：發(fā)動(dòng)機(jī)的懸架系統(tǒng)，當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)懸架的行程較短時(shí)，為了提高其乘坐的穩(wěn)定性和安全性，可以將發(fā)動(dòng)機(jī)的前懸掛的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的長(zhǎng)度設(shè)置的較長(zhǎng)一些，這樣一來(lái)，就會(huì)使輪胎的磨損加快，從而降低了客車的載重能力。當(dāng)發(fā)動(dòng)機(jī)的后橋的寬度較小時(shí)，則需要增加后輪的驅(qū)動(dòng)裝置，以此來(lái)保證車內(nèi)的座椅等的布置空間。

4.2 車身模態(tài)分析與計(jì)算

由于汽車車身結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性和多樣性，其固有的非線性特征也是影響汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的重要因素之一。為了保證車輛的行駛平順性和安全性，必須對(duì)車身的各零部件進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與優(yōu)化。因此，在對(duì)整車模型的建立過(guò)程中，需要考慮到以下幾個(gè)方面的問(wèn)題：

1）確定各部件的幾何參數(shù)；

2）選擇合適的裝配方案；

3）計(jì)算出各個(gè)構(gòu)件的數(shù)據(jù)結(jié)果。

本文主要針對(duì)汽車白車身的模態(tài)分析與研究，而在實(shí)際的工程應(yīng)用中，可以以白車身的前五大前艙為例，結(jié)合汽車的底盤結(jié)構(gòu)，利用UG軟件，以車內(nèi)的空間布置為依據(jù)，采用基于UG的三維建模方法，并運(yùn)用MATLAB，完成車內(nèi)的二維造型。

4.3 車身的強(qiáng)度

從車身的結(jié)構(gòu)可以看出，車身主要承受來(lái)自于發(fā)動(dòng)機(jī)、底盤、車身總成等零部件的載荷作用，而這些部件的強(qiáng)度和剛度直接影響著汽車的行駛安全。

（1）整車的質(zhì)量輕，強(qiáng)度高，強(qiáng)度高，穩(wěn)定性好，在實(shí)際的汽車上，由于汽車的重量較輕，所以在進(jìn)行車輛的優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)，要考慮到不同的車型所需要的減重量也是不盡相同的；

（2）車身的剛度要好，剛度過(guò)大的時(shí)候，會(huì)有較大的振動(dòng)和噪音，過(guò)大的話，會(huì)使駕駛員產(chǎn)生不舒適感，從而降低了乘坐的舒適性。

（3）在客車的內(nèi)部空間內(nèi)，要盡量保證各零件的相對(duì)位置，如果不能滿足要求，就可能導(dǎo)致碰撞的發(fā)生；

（4）為了提高各部件的抗疲勞性能，對(duì)其的材料也提出了一定的標(biāo)準(zhǔn)：高溫合金的構(gòu)件，必須具有足夠的抗彎能力，以防止出現(xiàn)裂紋，焊縫處容易形成應(yīng)力集中，造成裂紋的擴(kuò)展或者斷裂。

5 基于DOE的白車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化

5.1 車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化前處理

前處理是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的重要環(huán)節(jié)，其主要目的是對(duì)整車的行駛工況進(jìn)行分析，車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的過(guò)程中，需要對(duì)各部件的位置關(guān)系以及各部位的布置情況做詳細(xì)的調(diào)查研究，并根據(jù)相關(guān)的數(shù)據(jù)確定出車身的基本尺寸。在汽車白車身的實(shí)際作業(yè)中，由于白車身的外形比較復(fù)雜，所以在加工的時(shí)候，會(huì)出現(xiàn)很多的問(wèn)題：

（1）車架與底盤的連接處，存在著各種不同的變形；

（2）車架與轉(zhuǎn)向的接縫處也有一定的應(yīng)力集中現(xiàn)象，并且這種應(yīng)力的分布也會(huì)隨著溫度變化而產(chǎn)生相應(yīng)的改變；

（3）前梁的剛度較大，導(dǎo)致前后梁的剛度發(fā)生變化，從而影響了整個(gè)的造型。

5.2 白車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型的簡(jiǎn)化

為了使汽車白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的效果達(dá)到最優(yōu)，需要對(duì)汽車白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化。在這里，主要是對(duì)前懸架的三維模型和橫梁的二維圖的分析以及在不同的工況下的仿真結(jié)果的對(duì)比研究。

對(duì)于前懸架的拓?fù)鋬?yōu)化，由于其本身的特點(diǎn)就是，它可以通過(guò)改變車橋的連接方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)其與整車的匹配性，從而提高車輛的行駛平順性。

5.3 白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)驗(yàn)

1.白車身結(jié)構(gòu)約束條件有：

（1）發(fā)動(dòng)機(jī)功率。汽車在行駛過(guò)程中，由于曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)形式不同，其曲柄連桿的轉(zhuǎn)速也不相同，因此，在滿足強(qiáng)度條件的同時(shí)，還應(yīng)盡可能的提高曲軸的輸出轉(zhuǎn)矩。

（2）底盤的承載能力和穩(wěn)定性。對(duì)于白車身來(lái)說(shuō)，其質(zhì)量越大，整車越容易發(fā)生故障。而當(dāng)車身的重量增加時(shí)，車身結(jié)構(gòu)的整體剛度就會(huì)變小，從而導(dǎo)致車身的振動(dòng)加劇。所以，對(duì)汽車白車身進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，使地板的承受力保持穩(wěn)定，是保證汽車白車身的重要環(huán)節(jié)。

（3）空氣的流動(dòng)速度和溫度的調(diào)節(jié)性能。當(dāng)車內(nèi)的氣流流速與外界的熱交換頻率一致時(shí)，車內(nèi)會(huì)產(chǎn)生一定的舒適感，而當(dāng)兩者之間的距離達(dá)到一個(gè)合適的值時(shí)，則可以通過(guò)改變進(jìn)風(fēng)口的大小來(lái)控制。

2.針對(duì)以上白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，通過(guò)對(duì)整車模型的模擬與試驗(yàn)，得到了優(yōu)化結(jié)果。

（1）首先，在白車身的前輪進(jìn)行了改進(jìn)，改變了前輪的驅(qū)動(dòng)方式，使其轉(zhuǎn)向過(guò)程更加靈活，并且減少了后輪擺角的變化范圍，從而提高汽車的行駛平順性。

（2）其次，在白車身的后橋，由于采用的是電控單元式的布置形式，所以可以有效的降低地板的載荷量，同時(shí)也能減小車身的重量和質(zhì)量。

（3）再次，在底盤的前后各部位，都增加了一個(gè)大梁，這樣就能更好的減輕車身的承載力，而且還能夠增強(qiáng)其穩(wěn)定性。

5.4 汽車白車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)值仿真

1.本章主要是針對(duì)上文所提出的車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化模型，進(jìn)行了以下的計(jì)算分析：

（1）對(duì)整車的零部件進(jìn)行建模，并對(duì)其尺寸、形狀等參數(shù)進(jìn)行了確定，最后將其與實(shí)際的車型行駛環(huán)境相結(jié)合，得到了白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的結(jié)果；

（2）在前車板和后車架的連接處，通過(guò)改變車身的高度來(lái)實(shí)現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計(jì)，然后將前車板和后輪的連接方式改為可拆卸的連接；

（3）在前輪的連接處，采用可拆卸的連接方法，即根據(jù)白車身的不同部位，來(lái)選擇合理的過(guò)渡形式，從而達(dá)到減少白車身的重量以及提高汽車的安全性能的目的。

2.通過(guò)對(duì)車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化分析，可以得到汽車白車身的設(shè)計(jì)參數(shù)，從而對(duì)汽車的整車性能有一個(gè)全面的了解。

1）在白車身的前輪計(jì)的布置位置上，因?yàn)榍拜営?jì)是直接影響著車輛行駛的方向、速度以及安全性的因素之一，所以要保證其的安裝高度不能太高，否則會(huì)導(dǎo)致輪胎的磨損加劇，并且還會(huì)引起車輪的跳動(dòng)。

2）前輪的車頭角的設(shè)置要合理，這樣會(huì)使車的操縱性、穩(wěn)定性等都有所改善。而且在不同的區(qū)域內(nèi)，都需要根據(jù)實(shí)際情況來(lái)調(diào)整，以達(dá)到最佳的效果。

6 結(jié)論

本次研究主要是通過(guò)對(duì)汽車白車身進(jìn)行優(yōu)化，以提高汽車的舒適性和安全性，從而提升經(jīng)濟(jì)效益。

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