基于CAE分析的商用車車身輕量化

韓 敏，崔 震，左苗苗，郭繼文

基于CAE分析的商用車車身輕量化

韓 敏，崔 震，左苗苗，郭繼文

（浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司，山東 日照 276800）

在不改變當前設計結(jié)構(gòu)的前提下，采用計算機輔助工程（CAE）分析優(yōu)化和可靠性試驗相結(jié)合的方法對某系列商用車車身結(jié)構(gòu)進行板料厚度的優(yōu)化，從而實現(xiàn)模具更改成本最低的輕量化技術(shù)方案應用。應用考慮全面性能（剛度、模態(tài)、碰撞安全性）的多工況優(yōu)化設計工具，以性能分析的指標和結(jié)果分別作為靈敏度分析、拓撲及尺寸優(yōu)化的響應、約束，以車身總質(zhì)量最小化為目標進行CAE分析優(yōu)化，確定優(yōu)化方案。優(yōu)化后結(jié)構(gòu)通過可靠性試驗驗證，驗證了該優(yōu)化方案的可行性。最終實現(xiàn)降重14.1 kg、降幅4.7%和經(jīng)濟效益最大化目的。

商用車；車身輕量化；性能分析；靈敏度分析；拓撲優(yōu)化；尺寸優(yōu)化；可靠性試驗

隨著國民生活水平不斷提升，輕型卡車越來越多地被應用于工業(yè)運輸、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)及物流貨運等領域。據(jù)世界鋁業(yè)協(xié)會數(shù)據(jù)：汽車自重每減少10%，排放降低5%～6%；汽車的小型化和輕量化被歐盟作為實現(xiàn)CO2排放控制目標的基礎；汽車輕量化被美國“新一代汽車共同開發(fā)計劃”列為節(jié)能減排三大技術(shù)措施之一。相關研究表明，整車的重量約與75%的油耗有關，降低油耗及排放，可以從降低汽車自重方面著手考慮；商用車亦是如此，在設計方面若汽車整車質(zhì)量降低10%，燃油經(jīng)濟性可提高6%～8%，因此，汽車輕量化符合國家節(jié)能減排戰(zhàn)略和中長期科技發(fā)展規(guī)劃的要求，車身輕量化成為未來汽車發(fā)展的趨勢[1]。

自2019年7月1日起，全國范圍內(nèi)陸續(xù)分階段實施國六排放標準，國家法規(guī)對商用車油耗提出更嚴苛要求，進一步驅(qū)動了商用車輕量化的開展與實施。為滿足商用車總重限制標準，提升市場競爭力，車身必須承擔整車輕量化指標。同時，輕量化帶來商用車貨運效率提升、燃油消耗降低等系列改善，可有效使用戶的經(jīng)濟效益得到提升，從而更好地提升產(chǎn)品市場競爭力。

1 輕量化思路

車身輕量化目前主要從結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計、輕質(zhì)材料的應用、先進工藝的引進等方面著手考慮。本文主要通過計算機輔助工程（Computer Aided Engineering, CAE）分析與可靠性試驗相結(jié)合的方法實現(xiàn)白車身的輕量化，即通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)，從多目標尺寸優(yōu)化的角度確定優(yōu)化結(jié)構(gòu)，并進行工藝可行性分析、樣車試制和可靠性試驗驗證。具體CAE優(yōu)化思路如圖1所示。

圖1 CAE優(yōu)化思路

CAE分析優(yōu)化的方法為保證現(xiàn)有車身各項性能（剛度、模態(tài)、碰撞安全性）指標不降低的前提下，以車身總質(zhì)量最小化為目標，通過確定靈敏度分析及拓撲優(yōu)化的響應、約束進行分析優(yōu)化。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，確定車身尺寸優(yōu)化設計變量篩選方案，從而對車身零部件進行尺寸優(yōu)化，最終確定車身鈑金件厚度，達到車身輕量化的目標。建立的車身有限元模型如圖2所示。

圖2 車身有限元模型

2 CAE分析優(yōu)化

2.1 性能分析

首先對有限元基礎模型進行分析，得出白車身基礎模型的具體性能數(shù)據(jù)，白車身自由模態(tài)分析整體一階頻率為22.75 Hz。白車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度及白車身碰撞分析結(jié)果如表1、表2所示。白車身一階模態(tài)振型、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度及頂壓、后碰、前碰分析變形云圖如圖3—圖8所示。

表1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度分析結(jié)果

項目扭轉(zhuǎn)彎曲 左縱梁最大Z向變形/mm-2.138-1.042 左縱梁最大變形節(jié)點id1930794210136033 右縱梁最大Z向變形/mm2.138-1.079 右縱梁最大變形節(jié)點id1930794310089197 剛度/(N·m/deg)7 547.174 243.28

表2 白車身碰撞分析結(jié)果

項目頂壓后碰前碰 最大變形/mm-86.480（z）-187.251(x)89.039(x) 最大變形節(jié)點id193205061300102819392054

1）對白車身進行自由模態(tài)分析，得出其整體一階頻率；2）彎曲剛度分析：按照企業(yè)車身彎曲剛度分析規(guī)范中的要求約束各懸置處自由度，并施加相應要求的載荷；3）扭轉(zhuǎn)剛度分析：按照企業(yè)車身扭轉(zhuǎn)剛度分析規(guī)范中的要求約束各懸置處自由度，并施加相應要求的載荷；4）頂壓分析、后碰分析及前碰分析：頂壓、后碰、前碰分析均為碰撞安全分析項，需要用到顯式動力學分析軟件，且每一次計算均需要非常高的計算資源和長的計算時間，因此，碰撞工況在優(yōu)化中不能按照碰撞分析項規(guī)范中的要求進行。在優(yōu)化分析中的思路：首先在顯式動力學軟件中按照分析規(guī)范進行相應的工況分析，然后提取碰撞過程中的最大載荷，將這一載荷等效為一個靜態(tài)分析工況施加到車身相應的碰撞接觸區(qū)域，可有效提升優(yōu)化設計分析迭代的效率，同時考慮了一定的碰撞工況對結(jié)構(gòu)的要求。

圖3 模態(tài)分析：整體一階振型圖

圖4 扭轉(zhuǎn)剛度：位移云圖

圖5 彎曲剛度：位移云圖

圖6 頂壓分析：白車身Z向變形云圖

圖7 后碰分析：白車身X向變形云圖

圖8 前碰分析：白車身X向變形云圖

2.2 靈敏度分析

車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析[2-4]是以建立準確有限元模型及合理的數(shù)學模型為基礎的。通過加厚靈敏度高的零件，減薄靈敏度低的零件，對所有能夠考慮厚度的鈑金件進行靈敏度分析，以期在滿足性能目標的同時達到輕量化的目標。車身靈敏度分析，首先需要建立優(yōu)化設計變量，設計變量為鈑金件厚度，一般將原料厚的±20%定義為變量范圍。其中，鈑金件厚度的上下限構(gòu)成了車身輕量化的邊界約束。再者，滿足車身剛度、模態(tài)頻率、碰撞安全性能要求的狀態(tài)變量，構(gòu)成了車身輕量化的性能約束。本文主要以上述兩種約束為主要條件，質(zhì)量最小化為目標函數(shù)進行優(yōu)化。

以鈑金件厚度為設計變量，以質(zhì)量最小為目標，基于性能分析結(jié)果，確定出各分析項的響應和約束，如表3所示。

表3 各分析項的響應和約束

分析項目響應約束 模態(tài)靈敏度質(zhì)量、頻率 頻率下限值為22.75 Hz 彎曲剛度靈敏度質(zhì)量、最大變形節(jié)點的z向位移最大變形節(jié)點下限值為-1.079 mm 扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度上限值為2.138 mm 頂壓靈敏度下限值為-86.48 mm 后碰靈敏度質(zhì)量、最大變形節(jié)點的x向位移下限值為-187.251 mm 前碰靈敏度上限值為89.039 mm

通過分析，得出所有零部件的靈敏度分析結(jié)果，其中，部分代表性零部件的分析結(jié)果如表4所示。

表4 靈敏度分析結(jié)果

名稱一階模態(tài)后碰工況前碰工況頂壓工況扭轉(zhuǎn)工況彎曲工況 靈敏度/(Hz/kg)靈敏度/(mm/kg)靈敏度/(mm/kg)靈敏度/(mm/kg)靈敏度/(mm/kg)靈敏度/(mm/kg) 前圍上橫梁內(nèi)板2.43E-016.96E-02-1.15E-011.09E-02-9.03E-031.54E-03 右側(cè)圍前門柱下內(nèi)板-3.06E-021.58E-02-5.82E+007.46E-02-1.11E-028.73E-03 右側(cè)圍B柱加強板-2.71E-021.70E-02-2.68E+005.25E-02-1.80E-026.03E-03 風窗上橫梁內(nèi)板9.18E-022.16E-02-2.14E+002.81E-01-1.53E-012.36E-02 前圍上橫梁外板2.03E-021.37E-03-9.45E-012.03E-01-2.06E-012.83E-02 地板后上橫梁-2.62E-02-1.31E-03-2.83E-013.55E-03-1.29E-027.33E-04 中地板加強板3.29E-025.51E+01-2.10E-022.37E-02-8.16E-02-6.42E-03 地板中橫梁-7.42E-022.24E-03-1.30E-012.60E-03-4.35E-036.23E-03 右縱梁后加強板-3.35E-022.67E-03-1.24E-015.01E-03-6.68E-036.10E-03 右縱梁后支撐板-4.18E-025.88E-04-6.92E-021.39E-03-2.44E-033.46E-03 右縱梁前加強板1.87E-031.85E-02-3.51E-022.58E-03-1.28E-034.00E-04 后地板底部橫梁1.66E-013.67E-03-5.72E-011.13E-02-1.20E-021.98E-03 后地板后部檔板下橫梁7.34E-011.90E-02-3.85E+001.71E-01-8.55E-021.77E-02 前保防撞梁1.56E-013.10E-02-1.72E+002.22E-01-8.99E-024.87E-02 副駕駛座椅右側(cè)加強板-1.09E-011.44E-01-4.18E-013.31E-01-4.43E-025.27E-02 副駕駛座椅左側(cè)加強板6.10E-042.23E-02-1.03E-016.62E-03-1.18E-034.05E-03 駕駛員座蓋板上板-3.89E-026.90E-02-2.33E-015.25E-01-8.35E-031.51E-02 右前門內(nèi)板加強板3.77E-021.70E-01-2.57E-017.76E-02-9.81E-031.09E-02 右前門內(nèi)板前段加強板2.45E-013.30E+00-7.59E-013.31E-01-4.63E-024.56E-02 右后車門內(nèi)板1.34E-018.88E-02-5.91E-022.18E-02-3.57E-031.64E-02

篩選方法：根據(jù)靈敏度的計算結(jié)果，整理相關計算數(shù)據(jù)。首先，將質(zhì)量靈敏度小于一定數(shù)值的鈑金件刪除。其次，1）對模態(tài)、扭轉(zhuǎn)、彎曲、后碰、前碰、頂壓六個工況的性能直接靈敏度和質(zhì)量靈敏度進行分檔（增加厚度，提升工況性能為正相關，反之，為負相關）；2）將正相關和負相關的性能直接靈敏度分別按照絕對值進行降序排列，其中正相關和負相關中顯著和不顯著分別占比15%，一般占比70%；3）將質(zhì)量靈敏度按照絕對值大小進行降序排列，其中顯著和不顯著分別占比15%，一般占比70%。最后，1）去掉直接靈敏度最高的鈑金件；2）去掉正顯著中，質(zhì)量顯著的鈑金件；3）去掉正不顯著中，質(zhì)量不顯著的鈑金件；4）去掉負不顯著中，質(zhì)量不顯著的鈑金件。

2.3 拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化[5-6]首先需要建立指定的設計空間，然后通過確定設計變量、響應、約束及目標，重新規(guī)劃材料分布，使得部件的某種性能滿足設計者的要求。通過拓撲優(yōu)化得出整個車身的傳力路徑，從而加強傳力路徑上的鈑金件，減弱非傳力路徑上的鈑金件，同時可加深對于車身結(jié)構(gòu)中重要位置的理解?；谕負鋬?yōu)化，確定以零部件材料密度為設計變量，以質(zhì)量分數(shù)、柔度為響應，以質(zhì)量分數(shù)上限0.2為約束，以柔度最小為目標，邊界約束前后懸置平動及旋轉(zhuǎn)自由度，分析項目對應邊界具體如表5所示。

表5 拓撲優(yōu)化邊界

分析項目邊界 頂壓拓撲頂蓋外板施加47 670 N作用力 后碰拓撲后圍外板施加54 285 N作用力 前碰拓撲前圍外板及保險杠處施加180 487 N作用力 頂壓、后碰、前碰綜合拓撲頂蓋外板施加47 670 N作用力、后圍外板施加54 285 N作用力、前圍外板及保險杠處施加180 487 N作用力

頂壓、后碰、前碰綜合拓撲分析后的傳力路徑如圖9所示（深色區(qū)域）。根據(jù)綜合拓撲結(jié)果，篩選出對應模型上的安全件，即加厚傳力路徑上的鈑金件，減薄非傳力路徑上的鈑金件。

圖9 拓撲分析傳力路徑

2.4 尺寸優(yōu)化

通過以上性能目標的約束及靈敏度分析、拓撲優(yōu)化，對篩選出的34個設計變量進行尺寸優(yōu)化分析。進行到這一步的目的是縮小設計變量的范圍，從而更有效地針對整個車身結(jié)構(gòu)進行輕量化設計選擇。設計變量：篩選出的34個鈑金件的厚度；響應、約束如表6所示；目標：質(zhì)量最小。

表6 尺寸優(yōu)化的響應、約束

工況響應約束 模態(tài)1階頻率下限值為22.75 Hz 彎曲10089197節(jié)點的z向位移下限值為-1.079 mm 扭轉(zhuǎn)19307943節(jié)點的z向位移上限值為2.138 mm 后碰13001028節(jié)點的x向位移下限值為-87.251 mm 前碰19392054節(jié)點的x向位移上限值為89.039 mm 頂壓19320506節(jié)點的z向位移下限值為-86.480 mm

注：響應中的節(jié)點id號為各工況性能分析中計算出來的最大變形點的id。

依據(jù)尺寸優(yōu)化結(jié)果，在最終篩選出的34個設計變量中，減薄變量28個，增厚變量6個，如表7所示。

表7 尺寸優(yōu)化結(jié)果

名稱厚度/mm(原/優(yōu)化)質(zhì)量/kg(原/優(yōu)化)質(zhì)量差/kg 前圍上橫梁外板1/0.81.82/1.450.37 地板后上橫梁1.5/1.24.85/3.880.97 中地板加強板1.2/10.8/0.670.13 地板中橫梁1.5/1.23.08/2.470.61 右縱梁后加強板1/0.80.65/0.520.13 左縱梁后加強板1/0.80.65/0.520.13 右縱梁后支撐板1/0.81.24/0.990.25 左縱梁后支撐板1/0.81.24/0.990.25 左縱梁前加強板1/0.80.59/0.470.12 右縱梁前加強板1/0.80.59/0.470.12 后地板底部橫梁1.5/1.22.5/20.5 后地板后部擋板下橫梁1.5/1.22.9/2.320.58 前保防撞梁1.4/1.22.68/2.30.38 副駕駛座椅右側(cè)加強板1/0.80.8/0.640.16 副駕駛座椅左側(cè)加強板1/0.80.64/0.510.13 駕駛員座蓋板上板1.2/12.89/2.410.48 右前門內(nèi)板加強板1/0.80.75/0.60.15 左前門內(nèi)板加強板1/0.80.75/0.60.15 右前門內(nèi)板前段加強板1.6/1.52.04/1.910.13 左前門內(nèi)板前段加強板1.6/1.52.04/1.910.13 左后車門內(nèi)板0.8/0.76.36/5.5650.795 右后車門內(nèi)板0.8/0.76.26/5.477 50.782 5 左側(cè)圍外板0.8/0.714.9/13.037 51.862 5 右側(cè)圍外板0.8/0.714.9/13.037 51.862 5 左前車門內(nèi)板0.8/0.76.7/5.862 50.837 5 右前車門內(nèi)板0.8/0.77.2/6.30.9 頂蓋外板0.8/0.715.5/13.562 51.937 5 后地板后部擋板1/0.85.6/4.481.12 減重15.967 5 前圍上橫梁內(nèi)板1/1.22.32/2.79-0.47 右側(cè)圍前門柱下內(nèi)板0.8/11.08/1.34-0.26 左側(cè)圍前門柱下內(nèi)板0.8/11.08/1.34-0.26 右側(cè)圍B柱加強板0.8/11.04/1.3-0.26 左側(cè)圍B柱加強板0.8/11.04/1.3-0.26 風窗上橫梁內(nèi)板1/1.21.77/2.13-0.36 增重-1.87 減重總量14.097 5

對優(yōu)化后的有限元模型進行仿真求解，得出白車身自由模態(tài)整體一階頻率為22.71 Hz。白車身扭轉(zhuǎn)剛度為7 632.92 N·m/deg，彎曲剛度為4 223.37 N/mm及白車身碰撞分析最大變形：頂壓-86.029（）、后碰-205.163（）、前碰92.435（）。經(jīng)與原模型對比，扭轉(zhuǎn)剛度有所提升，后碰變形略有加大，其余性能變化較小，滿足企業(yè)設定的車身性能目標。

上述零部件的輕量化方案，經(jīng)沖、焊、涂、總四大工藝分析均可行。綜上，白車身總重302 kg，減重14.1 kg，減重幅度達4.7%。

3 樣車試制及可靠性試驗驗證

經(jīng)樣車試制及搭載可靠性試驗驗證，車身狀態(tài)良好，此方案可行?？煽啃栽囼炤d荷與里程分配如表8所示。完成整車可靠性試驗的照片如圖10所示。

表8 可靠性試驗載荷與里程分配

載荷山路/km高速環(huán)道/km強化壞路/km 載質(zhì)量1 250 kg3006001 000 載質(zhì)量2 500 kg1 2002 4004 000 備注輪胎最大允許車速要求：V≤120 km/h

圖10 完成可靠性試驗樣車

4 結(jié)束語

商用車車身輕量化技術(shù)是車輛節(jié)能減排的主要途徑，本文主要為基于CAE分析在保證車身各項性能（剛度、模態(tài)、碰撞安全性）指標不降低的前提下，對商用車車身鈑金件厚度進行優(yōu)化并通過工藝可行性分析及可靠性試驗驗證，最終達到車身總質(zhì)量減輕了14.1 kg，減重幅度達4.7%的目標。此方案輕量化優(yōu)化設計效果明顯，且樣車可靠性試驗進一步驗證了此CAE分析輕量化優(yōu)化方案的可行性。

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Lightweight Commercial Vehicle Body Based on CAE Analysis

HAN Min, CUI Zhen, ZUO Miaomiao, GUO Jiwen

( Zhejiang Feidi Motors Company Limited, Wuzheng Branch, Rizhao 276800, China )

On the premise of not changing the current design structure, the sheet thickness of some commercial vehicle body structures is optimized using computer aided engineering(CAE) analysis optimization and reliability test, and the application of lightweight technical solutions with the lowest mold modification cost is achieved.The indicators and results of performance analysis are used as the response and constraints of sensitivity analysis,topology and size optimization, respectively applying multi-condition optimization design tools considering comprehensive performance (stiffness, modal, crash safety). Conducts CAE analysis and optimization with goal of minimizing the total body mass, and determines the optimization scheme. The optimized structure is verified by reliability test, which verifies the feasibility of the optimization scheme. In the end, achieves the weight reduction of 14.1 kg, a decrease of 4.7%, and the maximization of economic benefits.

Commercial vehicle;Lightweight body;Performance analysis;Sensitivity analysis;Topology optimization;Size optimization;Reliability test

U462

A

1671-7988(2023)12-121-06

韓敏（1983－），女，工程師，研究方向為整車被動安全及輕量化分析，E-mail:min.han@wuzheng.com。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.012.023