乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践_兰凤崇

2010年(第32卷)第9期

汽　车　工　程

A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g

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(2008D F B 50020)和广东省科技计划项目(2007B 010-400052)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S U V 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

S t u d y a n d P r a c t i c e o f C a r B o d y S t r u c t u r e L i g h t w e i g h t D e s i g n

L a nF e n g c h o n g 1

,Z h u a n g L i a n g p i a o 1

,Z h o n g Y a n g 1

,C h e nJ i q i n g 1

＆We i X i n g m i n

2

1.S c h o o l o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ,S o u t hC h i n a U n i v e r s i t y o f T e c h n o l o g y ,G u a n g d o n g P r o v i n c i a l K e yL a b o r a t o r y o f A u t o m o t i v e E n g i n e e r i n g ,

G u a n g z h o u 510641;　2.G e e l y A u t o m o b i l e R e s e a r c hI n s t i t u t e C o .,L t d .,T a i z h o u 317000

[A b s t r a c t ]　T h e d e s i g n -o r i e n t e d f l o wc h a r t f o r t h e l i g h t w e i g h t i n g d e s i g n o f c a r b o d y s t r u c t u r e i s p u t f o r w a r d a n d i s a p p l i e d t o t h e d e v e l o p m e n t o f a S U V .T h e s t u d i e s i n d i c a t e t h a t u s i n g s e n s i t i v i t y a n a l y s i s t e c h n i q u e c o m b i n e d

w i t h g r a d i e n t -b a s e d m o d i f i e d f e a s i b l e d i r e c t i o n o p t i m i z a t i o n a l g o r i t h mc a n m o r e e f f i c i e n t l y r e a l i z e t h e w e i g h t r e d u c -t i o n o f c a r b o d y s t r u c t u r e ,a n di n c r e a s i n gm a t e r i a l y i e l ds t r e n g t hc a nc o m p e n s a t e t h e a d v e r s e e f f e c t o f s t r u c t u r a l m e m b e r t h i n n i n g o n c r a s h w o r t h i n e s s .D u r i n g t h e w h o l e p r o c e s s o f s t u d i e s ,a l l s t r e n g t h ,s t i f f n e s s a n d c r a s h w o r t h i n e s s b e f o r e a n d a f t e r s t r u c t u r a l p a r t l i g h t w e i g h t i n g a n d m a t e r i a l s u b s t i t u t i o n a r e c o m p a r e df o r v a l i d a t i o n ,a n d a l l d e s i g n s c h e m e s a n d r e s e a r c h r e s u l t s h a v e b e e n e f f e c t i v e l y v e r i f i e d i n p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n .

K e y w o r d s :c a r b o d y s t r u c t u r e ;o p t i m i z a t i o nd e s i g n ;l i g h t w e i g h t i n g

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×10

3

A ·C T

(1)

式中:M 为白车身质量,k g ;A 为由轴距、轮距决定的白车身投影面积,m 2

;C T 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

·764　·汽　车　工　程2010年(第32卷)第9期

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C A E 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C A E 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S U V 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C A D 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H Y P E R M E S H 前处理软件建立某S U V 白车身的有限元模型。单元的平均大小为10m m ,总数662237个(主要是板壳单元),其中四边形单元619510个,三角形单元35235个(占5.3%)。焊点采用C W E L D 单元模拟。计算得白车身总质量为314.6k g 。

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N V H 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N V H 特性研究提供重要依据。采用M S C .N a s t r a nS O L 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

2010(V o l .32)N o .9兰凤崇,等:乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践·765　·

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 S C .N a s -t r a n S O L 101(线性静力学求解器)计算得白车身扭转刚度为14227N ·m /(°),弯曲刚度为13650N /m m 。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 /C T ,于是,将“白车身质量M

最小”和“白车身静态扭转刚度C T 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 i n F (X )

g j

(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,g j

(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g 1(X )和g 2(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 S C .N a s t r a n 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

·766　·汽　车　工　程2010年(第32卷)第9期

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m m

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

1.01.5右后组合灯固定板0.70.8左门框下边梁内板加强梁Ⅰ

2.52.0前围上部上板1.00.8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4.9k g ,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/k g 314.6309.7-1.561阶扭转模态频率/H z 35.336.53.401阶弯曲模态频率/H z

40.941.30.98扭转刚度/N ·m ·(°)

-1

14227149445.04弯曲刚度/N ·m m -1

136********.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 σs ≥S o σs o

(3)

式中:S 为替换材料的板件截面积,σs 为替换材料的屈服强度,S o 为原板件截面积,σs o 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

σs ≥T o σs o /T

(4)

式中:T 为替换材料的板件厚度,T o 为原板件厚度。

选出对碰撞安全性影响较大的减薄件(图7),

2010(V o l .32)N o .9兰凤崇,等:乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践·767　·

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/m m 材料厚度/m m 材料1213867前围上部上板1.0D C 040.8B 180H 21213929

顶盖1号横梁0.8D C 010.7B 240/390D P 1216738右后柱加强板

1.5

B 210P 1

1.2

B 280/440D P

3.2　正面40%重叠可变形壁障碰撞安全性验证

根据E -N C A P 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

m m

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52.7835.4756.5536.48前挡板侵入量154.79114.67154.23112.39转向柱

中心

X 方向侵入量102.3364.46101.8463.82Z 方向侵入量

31.6322.7330.2720.79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 -N C A P 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、1000和1150m m ,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。

·768

　·汽　车　工　程2010年(第32卷)第9

期

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P1～P33个位置小幅减小,上端P4～P74个位置稍有增加;对于侵入量稳定值,除B柱最顶端P7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/

m m P1234.36192.28233.00190.82 P2225.65181.27224.85180.32 P

3196.03151

.39195.38150.21 P4172.92121.95172.99121.48 P5129.6184.63129.8884.33 P673.9944.0874.4843.83 P730.8314.9631.7715.23

侵入速度/ m·s-1P35.78—5.77—P45.34—5.36—P54.26—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)

2010(V o l .32)N o .9

金英爱,等:富氮进气对发动机N O x 排放及性能的影响

·773　·

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N O x 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N O x 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N O x 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N O x 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。

参考文献

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E n r i c h e dI n t a k e A i r S u p p l i e d b y H i g h

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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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