探討輕量化材料的汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與分析

摘 要：針對(duì)目前我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略需求，以提升整車(chē)的可靠度、主動(dòng)適應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，開(kāi)展基于輕量化與可靠度的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。首先，闡述了系統(tǒng)的輕量化工藝及可靠度計(jì)算理論，建立了系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其次，通過(guò)對(duì)整車(chē)剛度、振型等參數(shù)的敏感性研究，建立基于多個(gè)參數(shù)的整車(chē)剛度與模態(tài)-振型多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，獲得整車(chē)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車(chē)，其抗彎、抗扭的剛性系數(shù)可達(dá)6689N/mm，提高了15012N/mm，提高了4.68%，提高了2.17%。經(jīng)驗(yàn)證，該方法可使其在較短時(shí)間內(nèi)的疲勞周期為22.35×10。研究結(jié)果表明，本文提出的新型車(chē)體結(jié)構(gòu)在疲勞性能和穩(wěn)定性能方面都有很大的提高，為我國(guó)轎車(chē)工業(yè)的發(fā)展提出了新的思路。

關(guān)鍵詞：汽車(chē) 有限元 車(chē)身 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 輕量化 可靠性分析

針對(duì)目前我國(guó)“雙碳”戰(zhàn)略需求，以提升整車(chē)的可靠度、主動(dòng)適應(yīng)“雙碳”戰(zhàn)略需求為目標(biāo)，開(kāi)展基于輕量化與可靠度的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究。首先，闡述了系統(tǒng)的輕量化工藝及可靠度計(jì)算理論，建立了系統(tǒng)的可靠度優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。其次，通過(guò)對(duì)整車(chē)剛度、振型等參數(shù)的敏感性研究，建立基于多個(gè)參數(shù)的整車(chē)剛度與模態(tài)-振型多目標(biāo)優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，獲得整車(chē)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)計(jì)算方法。研究發(fā)現(xiàn)，經(jīng)過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)的汽車(chē)，其抗彎、抗扭的剛性系數(shù)可達(dá)6689N/毫米，提高了15012N/毫米，提高了4.68%，提高了2.17%。經(jīng)驗(yàn)證，該方法可使其在較短時(shí)間內(nèi)的疲勞周期為22.35×10。研究結(jié)果表明，本文提出的新型車(chē)體結(jié)構(gòu)在疲勞性能和穩(wěn)定性能方面都有很大的提高，為我國(guó)轎車(chē)工業(yè)的發(fā)展提出了新的思路。

1 輕量化技術(shù)的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.1 輕量化技術(shù)與可靠性分析

車(chē)體的輕量化是一種以降低整車(chē)重量為主要目標(biāo)，被大量應(yīng)用于整車(chē)生產(chǎn)過(guò)程中。通過(guò)減少整車(chē)質(zhì)量，能夠提高能量利用率，減少尾氣排放，提高整車(chē)的綜合性能。另外，輕型汽車(chē)還可以在保證汽車(chē)的安全與耐用的同時(shí)，保留其重要的功能。當(dāng)前，汽車(chē)車(chē)體的輕量化技術(shù)路線(xiàn)見(jiàn)圖1，從圖1可以看出，汽車(chē)車(chē)體的輕量化技術(shù)路線(xiàn)大致可以劃分為材料、工藝和結(jié)構(gòu)三個(gè)方面。其中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化是目前應(yīng)用最廣泛的一種方法。通過(guò)改變構(gòu)件的尺寸、外形、材料厚度、布置形式等，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件的輕量化。首先，確定了各參數(shù)的大小，為下一步的優(yōu)化工作打下了良好的基礎(chǔ)。其次，根據(jù)工程應(yīng)用的具體情況，制定出滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求的限制，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)具體的應(yīng)用要求，采用參數(shù)優(yōu)化、單目標(biāo)優(yōu)化、多目標(biāo)協(xié)作優(yōu)化等方法，實(shí)現(xiàn)輕量化的優(yōu)化。在實(shí)現(xiàn)車(chē)體的輕量化時(shí)，不僅要考慮到結(jié)構(gòu)的優(yōu)化，還要考慮到材料與加工的因素。在保證整車(chē)質(zhì)量的前提下，采用高強(qiáng)鋼、鋁合金、碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料等輕量化、高強(qiáng)度的復(fù)合材料，在保證整車(chē)質(zhì)量的前提下，實(shí)現(xiàn)整車(chē)的高強(qiáng)度、高強(qiáng)度、高強(qiáng)度的輕量化設(shè)計(jì)。而在加工方面，主要是通過(guò)對(duì)加工工藝的改善來(lái)實(shí)現(xiàn)，比如使用先進(jìn)的焊接技術(shù)、沖壓技術(shù)和膠接技術(shù)，在保證零件的精度與一致性的前提下，降低了原材料的損耗，提升了產(chǎn)品的加工效率。在工程實(shí)踐方面，汽車(chē)車(chē)體的輕量化研究涉及材料科學(xué)、機(jī)械工程、計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)以及生產(chǎn)工程等多個(gè)學(xué)科的交叉融合。在此基礎(chǔ)上，在提高整車(chē)綜合性能的前提下，達(dá)到提高整車(chē)綜合性能的目的。同時(shí)，由于輕質(zhì)材料研發(fā)、新工藝和新裝備的研發(fā)，帶動(dòng)了輕質(zhì)化的深入發(fā)展，從而實(shí)現(xiàn)了一種良性的循環(huán)。

可靠性研究是提高系統(tǒng)、設(shè)備和軟件可靠性的系統(tǒng)分析方法。為了保證車(chē)體在預(yù)定服役期間經(jīng)受住不同載荷與壓力，并且無(wú)失效，對(duì)車(chē)體進(jìn)行可靠度分析是至關(guān)重要的。在工程實(shí)踐中，基于可靠性理論的車(chē)體結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法可以分為兩種：一種是基于整車(chē)的可靠性最大，另一種則是基于整車(chē)的真實(shí)重量最小，如果整車(chē)的重量不超過(guò)最優(yōu)的重量，則作為一種限制，建立一種新的建模方法。并將該問(wèn)題視為一種限制，建立了一種二級(jí)可靠度優(yōu)化模型。本項(xiàng)目將基于可靠度理論對(duì)整車(chē)進(jìn)行優(yōu)化，以保證整車(chē)在保證安全的前提下達(dá)到整車(chē)重量的最小為目標(biāo)，采用二級(jí)數(shù)據(jù)模型對(duì)整車(chē)進(jìn)行優(yōu)化。

1.2 汽車(chē)車(chē)身有限元模型搭建及其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

為了保證最終的優(yōu)化效果，在進(jìn)行汽車(chē)車(chē)體結(jié)構(gòu)的優(yōu)化之前，必須借助計(jì)算機(jī)建立合理的車(chē)體模型。本研究所最優(yōu)的車(chē)輛是一輛都市越野型的白轎車(chē)，這輛車(chē)的長(zhǎng)度、寬度、高度分別為4100毫米、1900毫米、1450毫米，車(chē)體的主要部分由骨架、外板金屬件、門(mén)窗組件、配件、內(nèi)外飾件以及座位等部件組成。大部分組件都是通過(guò)焊點(diǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)的，也有一些是通過(guò)螺釘或鉸接來(lái)實(shí)現(xiàn)的。構(gòu)成汽車(chē)的金屬部件以薄板為主，通常在0.7毫米到1.5毫米之間，所采用的材料有45號(hào)鋼和700 L高強(qiáng)度鋼等。在對(duì)車(chē)體進(jìn)行三維建模時(shí)，采用HyperMesh對(duì)車(chē)體進(jìn)行了三維建模。其次，對(duì)幾何建模進(jìn)行清洗，比如修補(bǔ)丟失的曲面，去除多余的直線(xiàn)等。然后，將加強(qiáng)網(wǎng)布置到螺釘上，將剩下的部分劃分成網(wǎng)格，去除和改善未達(dá)到的質(zhì)量要求的網(wǎng)格。在此基礎(chǔ)上，根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)思路，將車(chē)身劃分成上、左、右圍、前、下四個(gè)部分。在此基礎(chǔ)上，對(duì)整車(chē)進(jìn)行了三維建模，并對(duì)其進(jìn)行了三維實(shí)體建模。以整車(chē)剛性敏感性和模態(tài)敏感性為依據(jù)，采用可靠度理論對(duì)整車(chē)進(jìn)行了輕量化設(shè)計(jì)。通過(guò)建立的仿真軟件，得出了優(yōu)化前和后的白車(chē)身的總體設(shè)計(jì)結(jié)果。圖2（a）為白車(chē)身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化前、后的有限元視圖，而在圖2（a）中，僅對(duì)白車(chē)自身進(jìn)行了有限元建模而沒(méi)有進(jìn)行過(guò)優(yōu)化處理。圖2（b）是將用于白車(chē)體的輕質(zhì)設(shè)計(jì)的車(chē)體剛性敏感性分析與車(chē)體模式敏感性分析相結(jié)合的檢查指數(shù)。將可靠性分析、剛度敏感性分析和模態(tài)敏感性分析相結(jié)合，給出了車(chē)身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)過(guò)程。首先，通過(guò)對(duì)已有的車(chē)體結(jié)構(gòu)進(jìn)行采集與分析，確定其主要的力學(xué)特性指標(biāo)（強(qiáng)度、耐久性等），利用有限元方法建立起原始的車(chē)體模型。其次，利用系統(tǒng)的可靠度計(jì)算方法，對(duì)汽車(chē)零部件在期望服役期間可能出現(xiàn)的失效部位進(jìn)行了預(yù)測(cè)。然后，對(duì)各部位的受力情況進(jìn)行了研究，并對(duì)各部位的受力情況進(jìn)行了研究。在此基礎(chǔ)上，通過(guò)對(duì)整車(chē)進(jìn)行模態(tài)分析，獲取其自振特性及振型，并基于敏感性分析，對(duì)材料選擇、厚度、幾何尺寸等進(jìn)行優(yōu)化，達(dá)到降低整車(chē)重量的目的。在此基礎(chǔ)上，將剛度敏感性與模態(tài)敏感性相融合，采用多目標(biāo)優(yōu)化方法，尋求滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)可靠性、剛度及輕量化需求的最優(yōu)結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行剛性敏感性計(jì)算時(shí)，選取158個(gè)構(gòu)件，選取152個(gè)構(gòu)件，以構(gòu)件的厚度為最優(yōu)變量，在保證車(chē)體剛性不下降的情況下，實(shí)現(xiàn)構(gòu)件整體結(jié)構(gòu)的輕量化。在此基礎(chǔ)上，研究各部件間的剛性敏感性及相關(guān)敏感性，并通過(guò)增大敏感元件的厚度及降低敏感元件的厚度，以達(dá)到減輕車(chē)體重量的目的。與傳統(tǒng)的方法相似，對(duì)結(jié)構(gòu)的振型敏感性進(jìn)行了建模，并對(duì)其進(jìn)行了數(shù)值模擬。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車(chē)身剛度對(duì)比結(jié)果

以車(chē)體縱向梁作為主體剛度測(cè)試區(qū)，利用Optistruct有限元軟件對(duì)其剛性進(jìn)行計(jì)算。在此基礎(chǔ)上，基于車(chē)體抗彎、抗扭等剛性需求，對(duì)白體進(jìn)行合理的限制，獲得了白體在優(yōu)化前、后的變形及剛度的改變。

由表1可知，在彎折狀態(tài)下，前風(fēng)擋為1323.40毫米，左前門(mén)為1253.32毫米，后擋風(fēng)玻璃為1239.58毫米，后風(fēng)擋為998.25毫米，四個(gè)部位的變形間距基本沒(méi)有改變，最大偏差只有-0.18。這時(shí)，車(chē)體在受彎狀態(tài)下的剛性從6390N/毫米增加到6689N/毫米，而剛性提高了4.68%。同樣，前擋風(fēng)玻璃、左前門(mén)、右后車(chē)門(mén)和后擋風(fēng)玻璃在扭曲狀態(tài)下的變形間距同樣很少，而剛性則由14693Nm/Deg增加到15012Nm/Deg，剛性增幅為2.17%?？傮w而言，通過(guò)對(duì)車(chē)體各個(gè)部位的開(kāi)孔位移進(jìn)行調(diào)整，使車(chē)體各個(gè)部位的開(kāi)孔變形小于0.20，同時(shí)都可以增大剛性，使整車(chē)的總體性能得到改善。

2.2 車(chē)身模態(tài)對(duì)比結(jié)果

除了對(duì)剛度進(jìn)行測(cè)試外，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了白色車(chē)身優(yōu)化前后的模態(tài)變化結(jié)果，得到 5 個(gè)不同結(jié)構(gòu)位置在優(yōu)化前后的模態(tài)值及其漲幅，見(jiàn)表1。

從圖2可以看出，車(chē)體前端、車(chē)體底板局部彎曲、車(chē)體一階彎曲、車(chē)體一階彎曲和車(chē)體一階扭振的模態(tài)數(shù)值為38.51Hz，45.22Hz，車(chē)體一階彎曲模態(tài)和車(chē)體一階扭振模態(tài)的模態(tài)數(shù)值，在車(chē)體的輕量化設(shè)計(jì)之后，5個(gè)部位的模態(tài)數(shù)值都增大了，分別是42.12Hz，49.86Hz，42.37Hz，50.18Hz，55.26Hz。結(jié)果表明，一次扭振模態(tài)增長(zhǎng)幅度最大，達(dá)到10.92%；由此可以看出，一次最優(yōu)扭振模式可以很好地克服因低轉(zhuǎn)速而產(chǎn)生的振動(dòng)，從而防止產(chǎn)生諧振。從而使一次扭振響應(yīng)幅值得到改善，從而改善了整車(chē)的動(dòng)力學(xué)性能。

2.3 車(chē)身可靠性對(duì)比結(jié)果

為驗(yàn)證該方案的有效性，本項(xiàng)目選取5種不同部位進(jìn)行試驗(yàn)，并采用 nCode對(duì)其進(jìn)行加載，得出了5種零件在優(yōu)化前、后的周次數(shù)計(jì)算結(jié)果。

從圖4可以看出，在最優(yōu)條件下，5種零件的周次均高于最優(yōu)之前。在優(yōu)化之前，各構(gòu)件的周次均超過(guò)了規(guī)范規(guī)定的循環(huán)周次，都超過(guò)1.00x10\"次，表明在優(yōu)化之前建立的數(shù)值模擬結(jié)果能夠很好地滿(mǎn)足結(jié)構(gòu)的疲勞性能要求。另外，零件4和零件5的疲勞周期數(shù)都超過(guò)了20.00x10'，分別為21.14x10'和22.35x10'，因此可以看出，通過(guò)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)之后，白車(chē)身具有較高的耐疲勞能力，因此整體結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。

3 結(jié)語(yǔ)

本項(xiàng)目以車(chē)身輕量化為研究對(duì)象，采用可靠性分析、車(chē)身剛度敏感性分析及模態(tài)靈敏度分析相結(jié)合的方法，對(duì)車(chē)身進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，建立整車(chē)動(dòng)力學(xué)仿真模型。研究發(fā)現(xiàn)：4個(gè)測(cè)量點(diǎn)在優(yōu)化前、后的位移相差不大，而在彎、扭兩種情況下，其剛性系數(shù)增加了4.68%、2.17%。通過(guò)與車(chē)體振動(dòng)的比較，發(fā)現(xiàn)了一次最大的一次扭振響應(yīng)，由原來(lái)的49.82 Hz上升到55.26 Hz，提高了10.92%。通過(guò)與優(yōu)化前、后的比較，得出5號(hào)零件在最佳狀態(tài)下的疲勞周期達(dá)到22.35×106?？傮w而言，該方法不僅提高了整車(chē)的剛性和模態(tài)數(shù)值，而且整車(chē)的耐疲勞性能和可靠性也得到了提高。因?yàn)檐?chē)輛的類(lèi)別很多，所以未來(lái)的研究仍需檢驗(yàn)此最佳解對(duì)其它車(chē)型之適用性。

參考文獻(xiàn)：

[1]郝學(xué)智，郭東卿，毛立，等.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在車(chē)架輕量化中的應(yīng)用研究[C]//第三十一屆中國(guó)汽車(chē)工程學(xué)會(huì)年會(huì)論文集（2）北京：機(jī)械工業(yè)出版社有限公司.2024.

[2]趙偉衛(wèi).汽車(chē)零部件的輕量化設(shè)計(jì)與制造工藝[J].時(shí)代汽車(chē)，2025（02）：163-165.

[3]韓曉亮，陳鵬，李學(xué)亮，等.一種用于車(chē)身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)的參數(shù)優(yōu)化方法和存儲(chǔ)介質(zhì).[P]，中國(guó)專(zhuān)利：CN202211507462.3[2025-03-06].

[4]袁前程.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及材料選擇研究[J].大眾汽車(chē)，2024（4）：77-79.

[5]孫小婷.新型汽車(chē)橋殼零件結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)理工大學(xué)，2023.

[6]張艷龍.輕量化汽車(chē)尾門(mén)的結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)周刊，2023（5）：0022-0024.

[7]龐祿.輕量化保險(xiǎn)杠安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析[J].汽車(chē)周刊，2023（6）：0082-0084.

[8]張軻帥.高性能輕量化材料在汽車(chē)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用與優(yōu)化[J].時(shí)代汽車(chē)，2024（16）：135-137.

[9]劉慶.汽車(chē)輕量化材料應(yīng)用及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化[J].越野世界，2024，19（12）：39-40.