乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践_兰凤崇
汽车轻量化
汽车轻量化是节能环保的有效措施2010年09月28日16:10福建农林大学机电工程学院陈铭年潘翔梁霖锋我要评论(1)字号：T|T[导读]综述了汽车轻量化与节能环保的关系、轻量化的途径、轻量化的发展方向、轻量化面临的问题,强调了轻量化设计是实现汽车轻量化的主要途径之一。
汽车轻量化是汽车产业的发展方向之一,也是一个汽车厂商和国家技术先进程度的重要标志。
汽车轻量化英文名称：Lightweight of Automobile。
汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。
实验证明，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%—8%；汽车整备质量每减少100公斤，百公里油耗可降低0.3—0.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。
当前，由于环保和节能的需要，汽车的轻量化已经成为世界汽车发展的潮流。
1、汽车轻量化与节能环保汽车行驶时,汽车运动阻力所消耗的功率有滚动阻力功率、爬坡阻力功率、空气阻力功率和加速阻力功率。
空气阻力主要与车身的形状、迎风面积等有关,并与速度的三次方成正比,但它与整车的总质量无关。
而滚动阻力、爬坡阻力和加速阻力均与整车的总质量成正比。
所以减轻自身质量,就减轻了整车总质量,从而就正比例地减少了上述3种阻力,也降低了能量消耗。
世界铝业协会的报告指出,轿车质量每减少10% ,燃油消耗可降低6% ~8%。
对自质量16~20 t的载货汽车,每减重1 000 kg,则可降低油耗6%~7%。
油耗的降低,意味着汽车的排污量的降低。
因此,减轻汽车自重,对于电动汽车而言,是节能的最有效措施之一;而对于燃油汽车,是节能环保的最有效措施之一。
2、汽车轻量化与钢材及运输成本1)汽车轻量化减少了汽车用材,降低了制造成本。
近年来,铁矿石价格上涨,钢铁也随之涨价。
原材料价格的不断上涨,给汽车制造业带来了很大的压力。
在汽车制造过程中,钢板的使用达50% ,各类铸铁件的使用占20% ~30% ,钢铁总消耗占所使用原材料的70% 。
考虑材料变形路径及应变率的车身前端吸能结构优化
考虑材料变形路径及应变率的车身前端吸能结构优化王金轮;兰凤崇;陈吉清【摘要】For studying the effects of high-strength steel sheets of different strengths and thicknesses on the frontal crash performance of vehicle, an optimization is conducted by combining the design of experiment, Kriging surrogate model and adaptive response surface method with maximizing specific energy absorption of front-end energy absorbing structure as objective, the material and thickness of major panels as design variables, and taking the deformation path and strain rate effects into consideration, with optimum matching scheme of high-strength steel sheets obtained. After optimization, the occupant injury indicators such as vehicle acceleration and brake pedal intrusion etc are reduced and the crashworthiness of vehicle body structure is improved. Meanwhile this study also verifies the feasibility of optimization based on adaptive response surface method.%为了研究不同厚度及强度的高强度钢板对车辆正面碰撞性能的影响,以车身前端主要吸能结构的比吸能最大化为目标,构件的材料和厚度为设计变量,并考虑材料的变形路径和应变率效应,通过试验设计、近似模型与自适应响应面法相结合进行优化,得到了高强度钢板最优的匹配方案.优化后降低了车辆加速度和制动踏板侵入量等乘员伤害指标,提高了车体结构的耐撞性.本研究同时验证了基于自适应响应面法进行优化的可行性.【期刊名称】《汽车工程》【年(卷),期】2013(035)003【总页数】7页(P265-271)【关键词】100％正面碰撞;自适应响应面法;高强度钢板;吸能结构;优化【作者】王金轮;兰凤崇;陈吉清【作者单位】华南理工大学机械与汽车工程学院,广州 510640【正文语种】中文前言汽车发生正面碰撞时，主要由车身前端薄壁梁结构的塑性变形来吸收碰撞能量，其吸能特性和变形模式决定了车体在撞击时加速度或力的响应，对乘员保护有着非常重要的作用［1］。
汽车轻量化技术途径研究
泛 的轻量 化材 料 。 以美 国生产 的汽 车产 品 为例 ， １ ７ 年 每 车 用 铝 合 金 仅 ３ ｇ， １ ８ 年 达 到 ６ ６ ９ ９ｋ ２ ９ ２ ｋ ， 而 １ ９ 年 则达 到 了１ ０ｋ 。 ｇ ９８ Ｏ ｇ
ａ 铸 造铝 合 金 ．
了其 优 越性 。
■ 中 国第 一 汽 车 集 团公 司 技 术 中 心 应 善 强 张 捷
王 景 晟 周 宇 飞 李 凤 伟 仲 崇 红
１可用 于汽车轻 量化 设计 的金属材 料
（１ ）轻 质 合 金材 料 福特 汽车 公 司 负责人 在一 次 国际材 料学 会 议上 强
歧 管 、 摇 臂 、 发 动 机 悬 置 支 架 、 空 压 机 连 杆 、 传 动 器 壳体 、 离 合 器 壳体 、 车 轮 、 制 动 器 零 件 及 壳体 类
零件 等 。 ｂ 变 形 铝 合 金 ．
调 指 出 ，２ 世纪 的汽 车将 发生 巨大的 变化 ，而材 料 技 １
术 是 推 动 汽 车技 术 进 步 的关 键 ，如 铝 、镁 、 陶 瓷 、
变 形铝 合 金 工 艺是 指 铝 合 金 板 带材 、 挤压 型材 和 锻 造 成 形 ，在 汽 车上 主 要用 于 车 身面 板 、 车 身 骨 架 、 发 动机 散 热器 、 空调 冷凝 器 、 蒸 发 器 、 车 轮 、
７ ％铝 铸 件 、７ ６ ７％压 铸 铝 件 为 汽 车铸 件 。铝 合 金 铸
件 、转 向盘 轮 芯 、 变速 器 壳体 、 发动 机 悬 置 骨 架 、
气 缸 盖和 气 缸 盖 罩 盖 等 。
（２ ）高 强度 金 属 材 料 钢 铁 材 料 在 与 有 色 合 金 和 高 分 子 材 料 的竞 争 中
汽车车身轻量化研究和创新应用
汽车车身轻量化研究和创新应用作者：和凤来源：《汽车博览·科研上旬刊》2019年第01期摘要：轻量化是汽车节能减排的重要技术路径，车身轻量化相比其它性价比更高。
文章探索了车身轻量化的技术路线，该技术路线通过轻量化设计、轻量化材料和轻量化工艺来实现。
关键词：汽车车身;轻量化;研究;创新据国务院发展研究中心预测，2020年我国汽车保有量将达1.3-1.5亿辆，交通耗油将占石油总消耗量的51%以上。
而减轻汽车自重是提高汽车的燃油经济性、节约能耗、减少污染的重要措施之一。
目前各国相继推出极具挑战性的油耗标准，欧、美、日基本或已完成2020年乘用车燃料消耗量标准的制定，且2025年后的标准研究与制定已启动或列入规划。
依据我国发布的《节能与新能源汽车产业规划》，到2020年，乘用车平均燃料消耗量降至5.0L/100km，到2025年，这一指标进一步下降至4.0L/100km。
1车身轻量化技术路线1.1 车身轻量化概念车身轻量化是指汽车在保证安全性、驾驶舒适性和抗震性等，且本身造价在可接受前提下，有目的地减轻汽车自身重量。
整车开发是性能、成本、重量三要素的平衡。
减重除成本外也受限于行业工艺水平的发展，因此随着行业的发展，轻量化在整车上持续不断地有所突破。
车身轻量化评价系统主要包含：车身性能、车身重量和车身成本，通过三方综合评价可对车身轻量化水平进行科学、客观的评估。
1.2 车身轻量化技术路线车身轻量化技术路线主要包括轻量化设计、轻量化材料以及轻量化工艺。
根据车身轻量化路线，在单车型评价体系的基础上提出了新评价体系，即科学的、客观的平台化多车型、多品牌开发的评估体系。
该体系的建立和应用不但可用于车身轻量化水平的评估，也可用于推动车身研发能力的提升。
1.2.1 轻量化设计轻量化设计是在先期架构开发和过程控制，并应用轻量化材料及相应新工艺的基础上，通过科学的分析方法，不断积累设计经验，从而不断优化，从设计源头提升轻量化水平。
GL6466轻型客车车身结构轻量化优化研究
7Matsuo I，Nakazawa S.Development of a High-Performance Hybrid Propulsion System Incorporating a CVT.SAE2000 World Congress Detroit，Michigan March，2000.8Fu H，Tian G，Chen Q.The control algorithm of active synchronization of motor in Shifting process for electric ve-hicle.EV24International Battery，hybrid and fuel cell elec-tric vehicle symposium，Stavanger，2009.9余志生．汽车理论（第3版）．北京：机械工业出版社，2000.（责任编辑学林）修改稿收到日期为2011年9月26日。
GL6466轻型客车车身结构轻量化优化研究罗建国谢红清付爱军（柳州五菱汽车工业有限公司技术中心）【摘要】用梁单元建立了GL6466型轻型客车车身骨架有限元模型，并验证了模型准确性。
以车身总质量为目标函数，选取车身骨架主要型材的截面参数为设计变量，以车身弯曲刚度和扭转刚度、关键部位应力、1阶扭转固有频率为约束条件，进行灵敏度分析。
根据灵敏度分析结果确定优化设计变量，对该轻型客车车身结构进行优化后，车身总质量减轻8.1%，而车身刚度、强度以及1阶扭转固有频率在可接受范围内。
主题词：轻型客车车身轻量化优化中图分类号：U463.82文献标识码：A文章编号：1000－3703（2011）10－0021－03Study on Mass Reduction Optimization for GL6466Light BusBody StructureLuo Jianguo，Xie Hongqing，Fu Aijun（Technical Center,Liuzhou Wuling Automobile industry Co.,Ltd）【Abstract】Finite element model of body frame of GL6466light bus was established with beam element and proved to be accurate with experiments.With total body mass as the objective function,and section parameters of the body frame are chosen as design variables,sensitivity analysis was made with the constraints of low-order natural frequency and body bending stiffness and stress around the critical areas.Variables of the optimized design are defined according to result of sensitive analysis.After the optimization design,the total mass of the light bus body was reduced by8.1%,whereas body stiffness,strength and first-order natural frequency still meet the performance requirements.Key words：Light bus,Body,Mass reduction,Optimization1前言GL6466轻型客车是五菱集团自主研发的低地板城市客车。
GL6466轻型客车车身结构轻量化优化研究
（ 任 编辑 责
修 改 稿 收 到 日期 为 ２ １ ０ １年 ９月 ２ ６日。 学林） Nhomakorabea 一
２１ 年 ０１
第 ｌ ０期
２】 一
．
设计 ・ 汁算 ． 究 ． 研
材料 密 度 即可得 到 ． 由于 模 型简化 ． 要对 材料 密度 需 进行 修 正 ， 正 的质量 密 度 为 １ ９ ￣ ０２ ｍｍ ： 修 ． ２ １－ ／ ３装备 ０ ｇ 质量 （ 括 动力 总成 、 包 备胎 、 箱 、 门 、 油 车 地板 、 空调 暖 Ｊ 机 、 凝器 、 ｘ 【 冷 其他 底 盘 电器 附 件 等 ） 照 其 安装 位 按 置分 配 到模 型相 应节 点 上 ：座椅 及乘 客质 量 以均 匀 分 布 载 荷 形 式加 在 底 架 横 梁 上 … 乘 客 质 量 按 照 ６ ． ５
ｔｉ ｅ ｃ ｅ ｓ ｍｐｏ ｉ ｍ ， ｔ ｖ ｎ ｅ ２ ０９． ｒｅｖ ｈｉｌ ｙ ｓｕ Ｓ ａ ａ ｇ ｒ， ０
Ｈｙ ｒ ｒｐ ｌｉｎ Ｓ ｓｅ Ｉｃ ｒｏａｉｇ ａ ＣＶ ｂｉ Ｐｏ ｕｓｏ ｙ ｔｍ ｎ ｏｐ ｒｔ Ｔ．Ｓ ０ ０ ｄ ｎ ＡＥ ２ ０
Ｗ ｏ ｌ ｏ ｇ ｅ ｓＤｅ ｒ ｉ，Ｍｉｈ ｇ ｎ Ｍａ ｃ ｒｄ Ｃ ｎ ｒ ｓ ｔｏｔ ｃ ｉａ ｒ ｈ，２ ０ ． ０ ０
ｂ ｎ ｉ ｇ ｓ ｆｎ ｓ ｎ ｔ ｓ ｒ ｕ ｄ ｔ ｅ ｃ ｉ ｃ ｌ ｒ ａ ． ｒａ ｌｓ ｏ ｅ ｏ ｔ ｚ ｄ ｄ ｓｇ ｒ ｅ ｎ ｄ ａ ｃ ｒ ｉ ｇ ｔ ｅ ｕ ｔｏ ｅ ｄ ｎ ｔ ｆ ｅ ｓａ ｄ ｓｒ ｓ ａ ｏ ｎ ｈ ｒｔ ａ ｅ ｓ Ｖａ ｂ ｅ ｆｔ ｐ ｉ ｅ ｅ ｉｎ ａ ｅ ｄ ｆ ｅ ｃ ｏ ｄ ｎ ｏ ｒ ｓ ｌ ｆ ｉ ｅ ｉ ａ ｉ ｈ ｍｉ ｉ
40年深耕_根深叶常青——访华南理工大学教授、博士生导师_兰凤崇
人物40【人物简介】兰凤崇，华南理工大学教授、博士生导师，广东省汽车工程重点实验室主任。
兼任中国汽车工程学会常务理事、公安部交管局道路交通管理专家委员会专家、广东省汽车工程学会副理事长。
曾任吉林工业大学汽车工程学院副院长、华南理工大学机械与汽车工程学院院长等职。
主持或参加国家科技部重点专项、国家自然科学基金、粤港合作、省部委及汽车企业研究和开发项目40余项，培养硕士、博士研究生150人，发表论文350余篇，申请专利40余项，出版专著5部，获各类科技奖项10余项。
华南理工大学的校训“博学慎思 明辨笃行”，出自《礼记·中庸》十九章“博学之，审问之，慎思之，明辨之，笃行之”。
意思是说，治学求进要博学多才，审慎求问，明确分辨，身体力行，就像本次采访的主人公兰凤崇给记者的感觉一样，体现了知与行、为人与治学的统一。
夏末秋初，正是一年中最清爽的时节，两杯清茶，几页稿纸，他开始和记者分享自己从业和育人的故事。
文/田曼扫一扫，阅读本栏目更多文章40年深耕 根深叶常青40年深耕 科研成果丰富1982年，兰凤崇从吉林工业大学汽车设计与制造专业毕业，此后无论是学业精进，还是工作创新，都没离开过汽车。
“我长期从事汽车现代设计方法、汽车结构与安全领域教学和科学研究工作，至今已经有近40年。
”一说起汽车，兰凤崇仿佛打开了话匣子。
40年深耕，背后是丰富的经验和成果积累。
一是基于车辆主被动安全（包括结构品质如N VH），人车路系统控制以及道路交通事故致因等方面的科学问题，对汽车结构的碰撞、轻量化问题开展了基于结构材料工艺一体化的综合优化、多学科多目标的研究。
在此基础上，兰凤崇及其团队开发了基于中国人体50百分位数据的乘员人体生物力学整人模型，解决了诸如乘员人体软组织器官在各种动态载荷下的损伤机理和评价等问题，可以实现针对中国人体进行虚拟计算和评价的汽车安全性设计，这个模型已经逐步在汽车企业得到验证和应用，这项技术对于参与国际竞争，提升我国汽车自主创新能力以及法律法规水平都有着重要意义。
汽车车身轻量化设计的途径
介 绍 了降 低 车 身质 量 的途 径 与 方 法 以 及 应 注
图２ Ｎａ ＯＨ 溶液 浓度对钪提取率的影响
意 的 问题
关键词 ： 汽 车车 身
轻量化
新材料
由图 ２ 可知， 随着 Ｎ ａ Ｏ Ｈ溶液浓度的增加 ， 稀选尾矿中的钪 的提取率逐渐升高； 在Ｎ ａ Ｏ Ｈ溶液浓度升至约 ６ ０ ％时。 钪的提取
取定量稀选尾矿， 按矿碱比 １ ： １ ． ７ 取Ｎ ａ Ｏ Ｈ固体， 配置浓度为 车的有关性能。
６ ０ ％的 Ｎ ａ Ｏ Ｈ溶液。 稀选尾矿与Ｎ ａ Ｏ Ｈ溶液在铁碗中混匀后放在
电热板上加热， 使液体保持不同时间的沸腾。 再经过相同的水洗、
果见图３ ）
占了轿车整备质量的一半，客车车身质量约占汽车总质量的 过滤 、 干燥和酸溶， 检测浸出液中的 Ｓ ｃ ０ ， 浓度， 并计算提取率（ 结 ３ ０ ％ ～ ４ ０ ％。 可见， 如使车身质量降下来， 可节约大量钢材及其他 原材料， 使车身或汽车的制造成本大幅度下降。 由于车身质量减 轻， 作用到悬置及动力系统上的载荷会相应减小， 从而使有关总 成受力情况得到改善。 如果使整车质量减小 １ ０ ％， 则燃油消耗就
【 ２ ］ 孟丽丽 ， 王静 ， 李洁． 包头稀土资源保护及战略储备 的思考［ Ｊ Ｊ ．
图 ３ 反 应 时 间对钪 提 取 率 的 影响
包钢科技 ， ２ ０ ０ ９ ， ３ ５ （ ６ ） ： ６ — ８ ． 【 ３ 】 程建忠 ， 侯运炳 ， 车丽萍． 白云鄂博 矿床稀土 资源 的合理开发 及综合利用［ Ｊ ］ ． 稀土 ， ２ ０ ０ ７ ， ２ ８ （ １ ） ： ７ ０ — ７ ３ ． 【 ４ ］ 林河 成． 我国氧化钪 的生产 、 应 用及 市场 ． 稀土 ， ２ ０ ０ ９ ， ３ ０ （ １ ） ：
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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] 。
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 MSC.Nastran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 。
Keywords:carbodystructure;optimizationdesign;lightweighting
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
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
＊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 。
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汽 车 工 程
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 。
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
2 010(Vol.32)No.9
兰凤崇 , 等 :乘用车 车身结构轻量化设计技术研究与实践
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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
[ Abstract] Thedesign-orientedflowchartforthelightweightingdesignofcarbodystructureisputforward andisappliedtothedevelopmentofaSUV.Thestudiesindicatethatusingsensitivityanalysistechniquecombined withgradient-basedmodifiedfeasibledirectionoptimizationalgorithmcanmoreefficientlyrealizetheweightreductionofcarbodystructure, andincreasingmaterialyieldstrengthcancompensatetheadverseeffectofstructural memberthinningoncrashworthiness.Duringthewholeprocessofstudies, allstrength, stiffnessandcrashworthiness beforeandafterstructuralpartlightweightingandmaterialsubstitutionarecomparedforvalidation, andalldesign schemesandresearchresultshavebeeneffectivelyverifiedinpracticalapplication.
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
2010年 (第 32卷 )第 9期
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] 。
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 。
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 。
们代表了车身承受的两种主要载荷 。采用 MSC.Nas-
tranSOL101(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
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பைடு நூலகம்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。
关键词 :车身结构 ;优化设计 ;轻量化
StudyandPracticeofCarBodyStructureLightweightDesign
LanFengchong1 , ZhuangLiangpiao1 , ZhongYang1 , ChenJiqing1 ＆ WeiXingmin2
1.SchoolofAutomotiveEngineering, SouthChinaUniversityofTechnology, GuangdongProvincialKeyLaboratoryofAutomotiveEngineering, Guangzhou 510641; 2.GeelyAutomobileResearchInstituteCo., Ltd., Taizhou 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 。