乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践

2010年 ( 第 32卷 )第 9期 A utomo tive Eng inee ring 2010( V o.l 32) N o. 9

2010156

乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践

* 科技部国际科技合作项目 ( 2008DFB50020)和广东省科技计划项目 ( 2007B010- 400052)资助。

原稿收到日期为 2009年 9月 14日, 修改稿收到日期为 2009年 11月 26日。

兰凤崇¹, 庄良飘¹, 钟 阳¹, 陈吉清¹, 韦兴民²

( 1 华南理工大学机械与汽车工程学院, 广东省汽车工程重点实验室, 广州 510641; 2 吉利汽车研究院有限公司, 台州 317000 )

[ 摘要 ] 提出了面向设计的车身结构轻量化设计 流程, 并将其应用 于某 SUV 的 开发中。研 究表明: 运用 灵敏 度分析技术和基于梯度 法的修正可行方向优化算法能更高效地 实现车身结 构轻量化; 提高材 料的屈服 强度可 弥补 厚度减小后对碰撞安全 性造成的负面影响。结构件轻量化和材料 替换前后均 作了刚强 度和碰撞 性能的 对比, 设计 方案和研究结果都在应 用中得到有效验证。

关键词: 车身结构; 优化设计; 轻量化

Study and Practice of Car Body Structure L ightw e ight D es ign

L an Fengchong¹, Z huang L iangp iao¹, Z hong Y ang¹, Chen Jiq ing¹& W e i X ingm in²

1 S chool of Au tom ot ive Eng in eering, Sou th China U niversity of Techn ology, Guangd ong Prov inc ia l K ey L aboratory of Au tom otive E ng in eering, G uangzhou 510641; 2 Geely Au tom obile R esearch Institu te Co. , L td. , Ta izhou 317000

[ Ab stract] The design oriented f low chart for the lightw e ighting design of car body structure is put forw ard and is applied to the developm ent of a SUV. T he studies indicate that using sensitivity analysis techn ique com b ined w ith g rad ien t based m od ified feasible d irection opt im ization algorithm can m ore effic iently rea lize the w eigh t reduc

t ion of car body structure, and increasing m aterial y ield streng th can com pensate the adverse effect o f structural m em ber thinning on crashw orth iness. D uring the whole process of stud ies, a ll streng th, stiffness and crashw orthiness before and a fter structural part lightw e ighting and m ateria l substitution are com pared for validat ion, and all design schem es and research results have been effectively verif ied in practical application.

K eyw ord s: car body structure; optim ization design; lightw eighting

前言

目前, 承载式车身已成为轿车车身的主导型式。

由于需要承受汽车的主要载荷, 所以必须具有足够 的刚度和强度, 而这往往是以增加车身质量为代价。

为了提高车辆的动力性, 减少能源消耗, 降低生产与 运行成本, 进而减少排放, 必须进行汽车轻量化核心 技术的开发与应用。然而如何对各类车型的轻量化 程度进行评估, 行业内尚在商榷。目前国际上倾向 于采用轻量化系数 L 来评价乘用车的轻量化效果。

轻量化系数 L 的物理意义是白车身具有单位性能所 需要的质量, 具体定义为

L =M 10³ A CT

( 1) 式中: M 为白车身质量, kg; A 为由轴距、轮距决定的 白车身投影面积, m²; CT 为白 车身静态 扭转刚度,

N m / ( !) 。

国外从 20世纪 80年代初就开始进行汽车轻量 化研究, 效果比较明显的是用轻型材料替换车身原 有钢材, 目前已制造出部分产品^{[ 1 ]}, 还有一些学者通 过有限元法对车身梁截面尺寸进行优化设计^{[ 2- 4]}。 我国的汽车轻量化技术起步较晚, 主要集中在高强 度钢板的推广使用。目前有关车身结构轻量化的理 论研究和实践已经取得了大量成果^{[ 5- 8]}, 但大多 集 中在对现有车型的轻量化改型设计, 轻量化的潜力

较小。为了提高轻量化程度, 必须在设计阶段就将 轻量化思想融入到车身结构设计中, 即在设计初期 就通过 CAE 技术对设计进行 分析、评价和优化, 确 定可行的轻量化方案, 从而提高初始设计水平。目 前, 车身轻量化的途径主要有两种: 结构轻量化设计 和使用轻型材料, 但是综合运用这两种方法进行车 身轻量化的研究开展得比较少。另外, 在国内现阶 段的研究中, 经常是把板料厚度和材料参数对汽车 性能的影响分开来考虑, 因而割裂了车身吸能部件 板料厚度和材料参数的匹配问题, 忽略了轻量化与 耐撞性的矛盾。

鉴于以上的轻量化研究现状, 笔者基于 CAE 技 术, 综合运用结构轻量化和材料轻量化两种手段, 兼 顾轻量化与耐撞性, 提出一套面向设计的车身结构 轻量化设计方法, 并将其应用于某 SUV 的开发, 从 而减少设计的盲目性, 达到 L ∀ 4 8的预期目标, 实 现以更低的开发成本提高车身研制水平的目的。

1 面向设计的车身结构轻量化设计流程

工程实践中车身结构轻量化的措施目前还主要 依赖于设计经验和试验, 故往往趋于保守。国外 20 世纪 80年代末期发展起来的结构修改灵敏度分析 方法, 是在有限元法的基础上分析对各变量响应的 变化规律, 进而以灵敏度为基础对车身进行优化, 从 而在车身的设计阶段有效地评估车身结构特性, 并 针对其不足之处提出改进设计的思路和方案^{[ 9 ]}。

面向设计的车身结构轻量化设计是在设计阶段 应用灵敏度分析方法和基于梯度法的修正可行方向 优化算法, 在保证车身结构性能要求的前提下, 提高 材料的利用率, 从而达到车身结构轻量化的目的, 其 设计流程如图 1所示。

首先, 利用设计阶段的 CAD 初步数据建立有限 元模型进行车身结构刚度、模态分析和碰撞安全性 评估。然后, 以此为基础运用灵敏度分析技术和基 于梯度法的修正可行方向优化算法, 结合扭转工况 分析的应力结果制定保证扭转刚度、弯曲刚度、1阶 扭转模态频率和 1阶弯曲模态频率等主要性能指标 不变或略有提高的轻量化方案, 并提交项目组进行 可制造性评 审。评审通过 后验算优化 的模态和 刚 度, 并进行轻量化效果评估。最后, 对碰撞安全性影 响较大的减薄件作材料替换后的碰撞安全性进行验 证。至此, 设计阶段的车身结构轻量化设计即告完 成。之后, 在试制试装阶段对样车进行试验, 验证仿

图 1 面向设计的车身结构轻量化设计 流程

真结果并对模型进行修正, 为后续的改进设计提供 参考。

2 实例车型的车身结构轻量化设计

2 1 车身结构有限元模型及结构模态和刚度分析 采用 HYPERMESH 前处理软件建立某 SUV 白 车身的有限元模型。单元的平均大小为 10mm, 总数 662 237 个 ( 主要 是 板壳 单 元 ), 其 中 四边 形 单 元 619 510个, 三角形单元 35 235个 ( 占 5 3% ) 。焊点 采用 CWELD 单 元模 拟。计 算得 白车 身总质 量 为

314 6kg。

车身结构的低阶弹性模态基本上不受其他附件 的影响, 反 映 了 车 身 的整 体 刚 度 性 能, 同 时 也 是 NVH 性能评价的关键指标, 对其进行分析可为轻量 化效果评估和车身 NVH 特性研 究提供 重要依据。

采用 M SC. N astran SOL 103(线性模态求解器 )在自 由状态下计算得两个重要的整体模态: 1阶扭转 模 态 ( 35 3H z)和 1阶弯曲模态 ( 40 9H z)。

白车身的静态刚度直接关系到车身的模态、强 度、碰撞安全性和操纵稳定性, 是车身的基本性能指

标。一般车身的静态刚度越大, 质量越轻, 动态刚度 越大。静态刚度计算包括扭转和弯曲两种工况, 它 们代表了车身承受的两种主要载荷。采用 M SC. N as tran SOL 101(线性静力学求解器 )计算得白车身扭转 刚度为 14 227N m /( !), 弯曲刚度为 13 650N /mm。

2 2 车身结构轻量化优化分析

由轻量化系数的定义可知: 要减小轻量化系数, 一方面要适当降低车身质量, 另一方面要提高车身 的扭转刚度, 但实际上这两个要求存在一定的矛盾, 因而须要进行多目标优化。对此, 采用文献 [ 10]中 的#乘除法 ∃, 它属于解多目标规划问题的评价函数 法。参考轻量化系数的定义构造评价函数为 h = M / CT, 于是, 将 # 白车身质量 M 最小 ∃和 # 白车身静态扭 转刚度 CT最大∃两个优化目标合并成一个, 即 # 评 价函数 h最小 ∃, 从而转化为单目标约束优化问题。

单目标约束优化问题可以表述为 m inF (X )

gj(X ) ∀ 0 j= 1, 2, %, l ( 2) 式中: F (X )为目标函数, X 为由设计变量和状态变 量组成的向量, gj(X )为约束函数。

图 2 基于梯度的修正可行方 向优化算法示意图 求解多元函数 F (X )的优化问题时采用的是基 于梯度的修正可行方向优化算法& & & 利用目标函数 和约束函数的梯度信息, 确定寻找方向, 在设计空间 内搜寻满足条件的最优解。以一个二维设计空间中 的优化问题为例 (图 2), 目标函数为 F (X ), 两个约 束函数分别为 g1(X )和 g2(X ), 约束边界为约束函 数等于零时的曲线。图中还画出了几个目标函数为 常数的等值曲线, 最优点为两个约束边界的交点, 即 X^* 处。优化求解开始时, 先沿着目标函数梯度的负 方向前进, 遇到约束边界条件后沿着约束边界在使

目标函数减少的方向上选择搜索方向, 最终找到最 优解。

对于本实例, 首先利用扭转工况分析的应力结 果 (图 3), 保留应力较大的单元可进一步确定需进 行板厚灵敏度分析及优化的区域。根据分析域, 结 合经验和实际生产中的一些限制, 最终选定 150 个 零件的厚度作为优化变量 (图 4), 其厚度的变化范 围为初始厚度的 ∋ 20% 。采用 M SC. N astran的线性 优化求解器进行板厚灵敏度分析, 并 以评价函数 h 最小为目标进行初步优化。

图 3 扭转工况应力分布等值图

图 4 进行板厚灵敏度分析及优化的零件

经上述灵敏度分析和数据处理后, 得到一系列 经过百分比归一化后的相对灵敏度。零件的扭转刚 度相对灵敏度高, 说明其对扭转性能的相对贡献量 比较大, 一般应对其进行加强或者增厚。对扭转刚 度相对灵敏度低的零件应该区别对待: 对于本该充 分发挥其抗扭作用而实际上没发挥的零件, 应采取 措施使其尽量分担扭转载荷; 对于与碰撞安全性、抗 弯性关系不大, 且没有特殊用途的零件, 要作为轻量 化的重点对象。

由于受到如变更的零件数须尽量少, 零件厚度 的调整应根据现有材料的牌号进行圆整, 调整量要 适度, 以尽量不改动相应的加工模具等实际生产的

限制, 必须与其他部门进行密切沟通, 并根据反馈意 见, 结合扭转工况下的应力数据, 参考初步优化结果 制定多套轻量化方案供决策者选择。多目标数学规 划法每次运算只能得到一个非劣解, 不能满足快速 制定多套轻量化方案供决策者选择的工程要求。而 灵敏度方法可满足此要求, 因为根据灵敏度信息能 比较快速、准确地估算每一次修改所带来的结果。

图 5为各轻量化方案的目标函数分布图。由于 两目标的量纲不同, 因而对其进行了归一化。经归 一化后, 各目标的数值越小越好。

图 5 各轻量化方案的目 标函数分布图

经多方讨论, 由决策者选择了其中一套轻量化 方案。表 1列出了该轻量化方案在优化前后厚度变 化较大的部分零件。

表 1 优化前后厚度变化较大的部分零件 mm

零件名称 优化前厚度 优化后厚度

后地板右侧纵梁前段前支撑板 1 0 1 5

右后组合灯固定板 0 7 0 8

左门框下边梁内板加强梁( 2 5 2 0

前围上部上板 1 0 0 8

中排座椅右锁杆加强板 1 5 1 2

对轻量化后的模型进行低阶整体模态、扭转刚 度和弯曲刚度的验算, 并且计算其车身结构质量和 轻量化系数。轻量化前后的车身结构各主要性能指 标的变化情况见表 2。

在前纵梁底面中心线、门槛下边梁板件接合处 和后纵梁底面中心线上选取若干节点, 以取值点 X 坐标为横坐标、绕 X 轴的转角为纵坐标做出扭转工 况下的纵向变形曲线, 如图 6所示。

经过 轻 量 化 设 计 后, 车 身 结 构 质 量 下 降 了 4 9kg, 模态和刚度等主要性能指标都有不同程度的 提 高, 轻量化系数 L降低到 4 53, 达到 L ∀ 4 8的目

表 2 轻量化前后的车身结构 各主要性能指标的变化

性能指标 优化前 优化后 相对变化 /%

质量 / kg 314 6 309 7 - 1 56

1 阶扭转模态频率 /H z 35 3 36 5 3 40

1 阶弯曲模态频率 /H z 40 9 41 3 0 98

扭转刚度 /N m ( !)^{- 1} 14 227 14 944 5 04

弯曲刚度 /N mm^{- 1} 13 650 13 843 1 41

轻量化系数 4 84 4 53 - 6 40

图 6 轻量化前后车身的扭转变形曲线

标。优化后的车身扭转变形减小, 扭转刚度显著提 高, 且更趋于均匀协调。

3 碰撞安全性验证

3 1 基于轻量化方案的材料替换

车身结构的轻量化一方面可以提高车辆的动力 性, 减少能源消耗, 降低成本; 另一方面会对车身的 碰撞安全性产生影响。如何协调轻量化和耐撞性的 矛盾是车身轻量化技术应用的关键。

材料替换一般依据等强度原则, 即替换前后材 料的板件截面积与替换材料的屈服强度之积不变。

而在实际应用中, 一般要保证材料替换后该乘积略 大于原设计, 即

S s)So so ( 3) 式中: S 为替换材料的板件截面积, s为替换材料的 屈服强度, So为原板件截面积, so为原材料的屈 服 强度。

由于板件截面积与板件厚度 T 呈正比, 于是替 换材料的屈服强度为

s)To so /T ( 4)

式中: T 为替换材料的板件厚度, To为原板件厚度。

选出对碰撞安全性影响较大的减薄件 (图 7),

依据上述的等强度原则对其进行不同程度的材料升 级, 部分减薄件的材料替换方案见表 3, 升级后的材 料具有更高的屈服强度。接 着进行正面 40% 重 叠 可变形壁障碰撞和侧面碰撞的安全性验证。

图 7 对碰撞安全性影响 较大的减薄件

表 3 部分减薄件的材料替换方案

零件

编号 零件名称 优化前 优化后

厚度 /mm 材料 厚度 /mm 材料

1213867 前围上部上板 1 0 DC04 0 8 B180H2

1213929 顶盖 1号横梁 0 8 DC01 0 7 B240 / 390DP 1216738 右后柱加强板 1 5 B210P1 1 2 B280 / 440DP

3 2 正面 40% 重叠可变形壁障碰撞安全性验证 根据 E NCAP的要求, 建立了正面碰撞模型 (图 8) 。乘员所 受到的伤害与车身 结构的变形关系 密 切, 所以可以车身加速度、A 柱与 B 柱的相对位 移 量、前挡板侵入量、转向柱中心 X、Z 方向的侵入量, 以及制动踏板侵入量作为正撞安全性评价指标。

图 8 正面 40% 重叠可变形壁障 碰撞模型示意图

从后侧门门槛中 部加速度 曲线 (图 9 )可以 看 出, 轻量化前后加速度变化趋势基本一致, 其峰值分 别为 49 38g 和 50 88g, 差距非常小, 不会对正面碰 撞安全性造成影响。如表 4所示, 轻量化后 A B 柱 相对位移量的峰值和稳定值稍有增加, 前挡板侵入 量、转向柱中心 点在 X、Z 方 向的 侵入量 均有所 减

小, 制动踏板侵入量峰值略有增加而稳定值有所减 小。总体来看, 轻量化后各评价指标的变化都非常 小, 说明轻量化对正面碰撞安全性影响很小。

图 9 后侧门门槛中部测点加速度响应对比

表 4 正面 40% 重叠碰撞仿真结果对比 mm

评价指标 优化前 优化后

峰值 稳定值 峰值 稳定值

A B柱相对位移量 52 78 35 47 56 55 36 48

前挡板侵入量 154 79 114 67 154 23 112 39

转向柱 中心

X 方向侵入量 102 33 64 46 101 84 63 82

Z 方向侵入量 31 63 22 73 30 27 20 79

制动踏板侵入量 237 48 188 4 239 14 187 88

图 10 侧面碰撞模型示意图 3 3 侧面碰撞安全性验证

根据 E NCAP 的要求建立侧面碰撞模型, 见 图 10。侧面碰撞安全性主要以 B柱的侵入量和侵入速 度作为评价指 标。 B 柱侵入 量的测点位置 如图 11 所示, 在左侧 B 柱从下到上依次选择 7个节点 ( P 1

~ P 7) , 这些节点均位于 B 柱上, 它们的 Z 向坐标依 次为: 50、200、400、600、800、1 000和 1 150mm, 左、

右 B柱相对应节点在 Y 向的相对位移即该点的侵入 量。侧面碰撞时胸部位置侵入速度的大小对乘员伤 害的影响很大。为了保证侧撞安全性, 要求 B 柱侵 入速度小于 7m /s。P 3~ P 5的位置大致与假人胸部 位置相对应, 因此选择这 3点的侵入速度作为评价 指标。

图 11 B柱测量点位置示意图

如表 5所示, 对于优化前后的侵入量峰值, B 柱 下端 P 1~ P 3 3个位置小幅减小, 上端 P 4~ P 7 4 个 位置稍有增加; 对于侵入量稳 定值, 除 B 柱最顶 端 P 7的侵入量有微小增加外, 其他 6个点的侵入量均 有小幅减小; 侵入速度没有明显变化。可见, 轻量化 后各评价指标的变化都非常小, 不会对侧面碰撞安 全性造成影响。总体来看, 轻量化后的侧面碰撞安 全性略有提高。

表 5 侧面碰撞仿真结果对比

评价指标 优化前 优化后

峰值 稳定值 峰值 稳定值

侵入量 / mm

P 1 234 36 192 28 233 00 190 82 P 2 225 65 181 27 224 85 180 32 P 3 196 03 151 39 195 38 150 21 P 4 172 92 121 95 172 99 121 48

P 5 129 61 84 63 129 88 84 33

P 6 73 99 44 08 74 48 43 83

P 7 30 83 14 96 31 77 15 23

侵入速度 / m s^{- 1}

P 3 5 78 & 5 77 &

P 4 5 34 & 5 36 &

P 5 4 26 & 4 26 &

4 轻量化分析模型的实际验证

白车身试制试装完成之后, 有必要对其进行实 测试验。试 验结果可用于 检查评估已 经建立的 模 型, 进而可以对其进行适当修正, 为后续的改进设计 提供参考。

在开发实例中, 试制试装后的试验工作已经完 成。对实物样车进行了模态和刚度等测试分析。由 试验结果可知: 1阶扭转模态频率、1阶弯曲模态频 率的计算值 (图 12)与试验值 (图 13) 相比, 误差分 别为 0 83% 和 1 2% , 吻合较好, 从而在一定程度上

验证了前期白车身模型的精度和可靠性。

图 12 轻量化后计算模态振型图

图 13 实物样车试验模态振型图

5 结论

( 1) 综合运用结构轻量化和材料轻量化两种手 段, 兼顾轻量化和耐撞性相互矛盾的要求, 提出了面 向设计的车身结构轻量化设计流程, 并将其成功应 用于实际车型的开发。实践证明: 该流程体现了以 分析驱动设计的先进设计理念, 具有较强的可操作 性, 可以提高车身结构轻量化设计的效率。

( 2) 运用灵敏度分析技术和基于梯度法的修正 可行方向优化算法, 能够在减小车身质量的同时提 高扭转刚度、弯曲刚度、1阶扭转模态频率和 1阶弯

(下转第 773页 )

放都随着发动机转速增加而减少。低发动机转速, 燃 油雾化蒸发混合效果不好, 油气混合均匀性差, 对富 氮的贫氧环境敏感; 随着转速增加, 缸内涡流强度有 所增加, 气流组织有利于混合气形成, 燃烧效果好转。

3 结论

( 1) 变组分富氮进气控制 NOx排放具有明显作 用, 但对动力性、经济性和其他排放有不利影响。较 低的富氮程 度下, 对 NOx 排放降 低的 作用 比较 显 著, 而不利影响保持在较低的水平, 因此低富氮程度 对于改善发动机 NOx排放性 能更具发展空间和 应 用潜力。

( 2) 变进气组分富氮控制技术存在富氮程度界 限, 超出该富氮界限, 不但 NOx改善程度降低, 而且 燃烧发生显著恶化。鉴于富氮作用对发动机性能和 排放的影响作用, 富氮程度与发动机工况必须协同 控制和优化。

( 3) 对于变组分富氮的燃烧滞后问题, 需要针 对点火、进气正时、喷油等多过程进行协同调节, 改 善影响, 达到缓解矛盾和拓展应用空间的目的。

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( 上接第 768页 )

曲模态频率等, 从而有效地实现车身轻量化。与单 纯依靠设计经验通过加强部分零件提高白车身扭转 刚度的传统设计方法相比, 该技术更具准确性和高 效性。

( 3) 提高某些零件材料的屈服强度可以弥补厚 度减小后对碰撞安全性造成的负面影响, 在实现轻 量化的同时保证了碰撞安全性。

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