SAE-ChinaJ0703-2013《轿车白车身轻量化设计方法》讲解
基于灵敏度分析的白车身轻量化设计
基于灵敏度分析的白车身轻量化设计摘要随着环保和节能意识的逐步提高，汽车轻量化已成为一个不可逆转的趋势。
本文以白车身轻量化为研究对象，采用灵敏度分析方法对车身结构进行优化设计，最终得到了轻量化方案，减少了车身重量，提高了综合性能。
关键词：白车身；轻量化；灵敏度分析；综合性能第一章引言随着人们生活水平和汽车行业的发展，车辆的需求量越来越大。
但车辆排放和能耗问题引起了大众的关注，汽车轻量化不仅可以降低燃料消耗和排放，还可以提高汽车的安全性能和舒适性能。
因此，汽车行业的轻量化已经成为了汽车行业的发展方向之一。
白车身是指没有安装车身外饰、底盘、发动机和传动系统等零件的车身，它是汽车制造的根基。
白车身轻量化不仅可以降低整车质量，还可以在不降低强度、刚度的前提下，提高车身排放和安全性能。
因此，对于白车身轻量化设计的研究具有重要意义。
本文以灵敏度分析为基础，对白车身轻量化设计进行了研究，并通过对模型进行分析，提出了相应的设计方案，最后得出了相应的结论。
第二章白车身轻量化的原理和方法2.1 白车身轻量化的原理白车身轻量化的主要原理是通过使用更轻的材料，优化车身结构来达到降低整车质量的目的。
实际上，白车身轻量化的核心是改变材料，改变结构。
2.2 白车身轻量化的方法白车身轻量化的方法主要包括材料轻量化、加工技术优化、结构优化等。
其中，结构优化是轻量化设计中最常用的方法。
目前，常用的优化方法有参数优化法、拓扑优化法、灵敏度分析法等。
第三章灵敏度分析的基本原理和应用3.1 灵敏度分析的基本原理灵敏度分析是一种用于确定模型参数和输出变量之间关系的分析方法。
灵敏度分析可以根据不同的变化规律来确定参数的重要性，找出参数的影响因素，综合分析参数的综合效应，为优化设计提供理论依据和方向。
3.2 灵敏度分析的应用灵敏度分析在工程和科学领域中有着广泛的应用，如：优化设计、参数估计、参数调节、系统控制等。
在轻量化设计中，灵敏度分析常被用于确定参数的重要性，找出不同参数对轻量化效果的影响因素，为优化设计提供科学依据和方向。
白车身轻量化设计流程方法研究
第19卷 第94期 交 通 节 能 与 环 保Vol.19 No.2 2023年04月 Transport Energy Conservation ＆ Environmental Protection April. 2023doi: 10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.006白车身轻量化设计流程方法研究尹 伟，黄 永（吉利汽车研究院（宁波）有限公司工程中心，浙江 宁波 315336）摘要：轻量化手段一般从三方面入手：材料轻量化、工艺轻量化、结构轻量化。
通常，新材料、新工艺都或多或少会带来成本的上浮，在产品售价已定的情况下，成本目标及控制是开发的核心指标。
为此，本文研究基于料厚组合优化的轻量化，通过对某车型开发过程中的白车身料厚组合优化的经验总结，来实现基于传统钣金结构和工艺，在不增加成本前提下的轻量化设计方法的研究和提炼。
关键词：轻量化系数；料厚优化；模态；刚度；试验对比 中图分类号：U462文献标识码：A文章编号：1673-6478（2023）02-0030-05Study on Thickness Combination Optimization Lightweight Design Method of a BIWYIN Wei, HUANG Yong(Geely Automobile Institute (Ningbo) Co., Ltd., Ningbo Zhejiang 315336, China)Abstract: Lightweight methods include three aspects: material lightweight, process lightweight, lightweight structure. In general, new material and new process will lead to cost rise, in the case of product price is fixed, cost goal is the core index. Therefore, the subject of this study is based on material thickness optimization of lightweight, new materials and technology is out of the discussion. This article summarizes the experience of the thickness combination optimization of white body in the development of a SUV to implement lightweight design method research and refining based on the traditional sheet metal structure and process, without any increase in cost.Key words: LWI; thickness combination optimization; mode; stiffness; test comparison0 引言随着国民收入的提高及汽车售价的降低，汽车逐渐走入平常百姓家庭，巨大的汽车保有量和增长率带来的环境污染和能源安全问题将更加突出，并逐渐成了社会所面临的主要问题。
基于多目标优化的白车身结构轻量化设计
基于多目标优化的白车身结构轻量化设计作者：王康曹永晟贺启才赵国栋来源：《时代汽车》2023年第22期摘要：白車身轻量化研究有利于提高整车性能和减少研发成本，首先建立了某乘用车白车身的有限元模型，接着根据仿真模型分别计算出与NVH、静刚度及正面碰撞安全性能相关的参数，模型各项指标均满足要求。
其次，依据综合灵敏度分析思路筛出与碰撞安全无关的设计变量，并且参照能量吸收曲线图选出正面碰撞安全板件的设计变量。
针对白车身非碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各类近似模型的精度，采用了椭圆基近似模型，将白车身质量最小、低阶模态最大作为设计目标，把白车身的静态扭转刚度以及静态弯曲刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对非碰撞安全板件进行多目标优化。
针对白车身正面碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各种近似模型的精度，采用了响应面模型，将白车身质量最小、乘员舱加速度峰值最小作为设计目标，将一阶弯曲和一阶扭转模态频率、静态弯曲扭转刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对碰撞安全板件进行多目标优化。
最后，对轻量化前后的性能参数进行比较分析，实现了白车身质量降低13.4kg，降幅3.32%，轻量化系数减小了1，不仅保证了静态弯曲刚度和扭转刚度、白车身的模态频率各项指标基本不变，并且提高了白车身正面碰撞性能。
结果表明基于多目标优化的白车身结构轻量化设计的减重效果较好，对车身的轻量化设计具有一定的参考意义与指导价值。
关键词：白车身灵敏度分析试验设计近似模型多目标优化轻量化1 引言随着新时代的发展，世界汽车保有量不断增加，国家对汽车的安全性能和排放指标也越来越严格。
车辆正朝着安全舒适、持续发展、电动智能的方向发展，白车身轻量化可以对汽车工业所遇到的绿色环保、主被动安全性和能耗等问题的解决有所帮助，白车身是集汽车造型以及性能为一体的关键子系统，汽车轻量化方案的选择中，白车身结构的轻量化备受学术研究者与各大车企的关注。
设计报告内容-轻量化设计分析报告
零件
轻量化方案
备注
PA
3
加油口盖
PPO/PA
4
防撞杆
防撞杆连接板
高强度钢
5
车门内板
激光拼焊
6
前纵梁
激光拼焊、高强度钢
7
A/B柱加强板
高强度钢、激光拼焊
8
前、后保险杠横梁
超高强度钢、热压成形
9
车身结构件、加强件
高强度钢
10
白车身
有限元分析
根据分析结果进行结构优化
设计报告内容-轻量化设计分析报告
设计报告
车型
T13
文件编号
系 统
白车身系统
日 期
项 目
T13
编 制
属 性
新材料新技术及轻量化设计分析报告
审 核
白车身的轻量化设计主要是通过开减重孔、应用新材料新技术的方法。可以考虑加以利用的新材料新技术有以下几点：
一、采用（超）高强度钢板代替普通钢板
目前高强度钢板的生产及加工技术已经很成熟，用来代替普通钢板生产零件可以减小零件厚度，可以实现车身减重的目的，同时还能获得比普通钢板更优的碰撞安全性能。
四、利用有限元分析进行优化设计
利用有限元分析和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，在保证强度和钢度的前提下在适当的地方开减重孔，也可以减小车身的重量。
设计报告
车 型
T13
文件编号
系 统
白车身系统
日 期
项 目
T13
编 制
属 性
新材料新技术及轻量化设计分析报告
审 核
综上所述，T13可供考虑的轻量化设计清单如下：
高强度钢可用于各结构件、加强件如前纵梁、A/B柱及其加强板等零件。超高强度钢主要可用于防撞杆/梁、前后保险杠安装横梁。
白车身典型截面及轻量化设计
白车身典型截面及轻量化设计陈东;姜叶洁;刘向征【摘要】白车身典型截面的设计直接影响着整个白车身各项性能,在概念设计阶段,传统方法对如何设计典型截面具体尺寸可以提升白车身弯扭刚度、模态性能没有明确方向,对提升性能同时控制车身质量也没有系统研究.通过对标杆车白车身不同位置的典型截面设置几何参数,得到不同参数截面下白车身弯扭刚度、模态及质量的灵敏度结果,进而根据灵敏度结果,经过多轮多目标优化,提升弯扭刚度、模态,降低车身质量,在概念阶段给典型截面尺寸设计提供量化指导方向.该方法已经应用于传祺系列车型的开发应用中,实现了典型截面设计指导和减重降本的效果.【期刊名称】《机械设计与制造》【年(卷),期】2019(000)006【总页数】4页(P231-234)【关键词】典型截面;多目标优化;概念设计阶段;弯扭刚度;模态;轻量化【作者】陈东;姜叶洁;刘向征【作者单位】广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511400;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511400;广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院,广东广州 511400【正文语种】中文【中图分类】TH161 引言在轿车的概念设计阶段，如何有目标的正向量化设计轿车关键区域的典型截面一直是一个难题，通常情况都是单独的评价该典型截面的惯性参数，随着一些有限元技术的发展，把白车身简化成梁结构的有限元模型，然后根据梁结构的白车身简化模型进行灵敏度分析[1]，国内外一些学者通过有限元法对车身梁截面尺寸进行了自动优化设计并已发表大量文章[2-8]，也有学者从理论上用解析公式分析梁结构的截面参数和材料特性对其刚度的影响[9]。
但少有人对典型截面的具体几何尺寸作为设计参数，同时考虑梁截面的几何尺寸对弯扭刚度、模态以及质量的影响，而这种设计思路，在整车开发流程中的概念设计阶段的正向开发中起着关键的作用，能够有效缩短设计开发流程，节约设计成本及试验验证成本。
白车身设计规则讲稿概论
使用部位
车门内板 后背门内板 行李厢内板
前围板 发动机罩内板 后地板(带备胎
坑) 顶盖外板
前地板 中地板
选用材 料
冲压用 冷连轧 钢板
材料 标准 号
Q/BQ B 4082003
材料 牌号
DC05
DC05 DC04
表面 质量 级别
屈服强 度MPa
FB 110-190
FD 110-190
FB
120210
F：复杂拉深级，适用于结构复杂且拉延深度 较深的零件； HF：很复杂拉深级，适用于结构较复杂且拉 延深度较深的零件； ZF：最复杂拉深级，适用于结构非常复杂且 拉延深度较深的零件； 3.1.3 钣金按强度等级分有：普通强度，高强 度，超高强度
高强度和超高强度钢板按其强化机理分为：
固溶强化、析出强化、组织强化，复合组织 强化、热处理硬化型强化、相变强化、冷作 强化、时效强化等。
2.3 所设计的白车身结构在满足整车性能上、 结构上、冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、 总装工艺是否比参考样车或其他车型更优越， 是否符合国内（尤其是客户）的实际生产状 况，以便预先确定结构及工艺的改良方案。 2.4 白车身在结构与性能上应提供车身所需的
承载能力,即强度和刚度要求。
3．白车身钣金的材料选取原则 汽车覆盖件所用材料一般是冷轧钢板。
DOCOL 850（瑞
典）
830-960 ≥860
使用部位 前纵梁内板
选用材 料
材料标 准号
材料 牌号
表面 质量 级别
屈服 强度 MPa
抗拉 强度 MPa
备注
前纵梁外板
前纵梁加强板
1.6mm
后纵梁内板
以上的 钢板可
后纵梁外板 低合金 Q/BQB
论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法
论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法一、背景介绍近年来，汽车行业一直以轻量化为发展方向，这也使得白车身轻量化成为了汽车行业的研究热点之一。
白车身轻量化不仅可以减轻车辆自重，提高车辆的燃油经济性，还能减少对环境的影响，符合现代汽车工业的发展趋势。
针对轿车白车身轻量化，本文将从表征参量和评价方法两个方面展开研究并不断完善，以期为相关领域研究者提供一些建议和思路。
二、表征参量1. 车身减重量车身减重量是白车身轻量化的最基本表征参量。
随着材料技术的不断进步，汽车轻量化材料也在不断涌现，如碳纤维复合材料、镁合金材料等，它们可以有效地减少车身自重。
车身减重量可以直观地反映白车身轻量化效果。
2. 结构刚度结构刚度是白车身轻量化的另一重要表征参量。
轿车在行驶过程中需要承受各种因素的作用力，在轻量化的保证车身的结构刚度也是非常重要的。
通过评价车身的结构刚度，可以评估轿车在减轻车身自重的同时是否满足了车身的稳定性和安全性要求。
3. 车身材料的环保性车身材料的环保性也是白车身轻量化的重要表征参量之一。
随着人们对环保的重视程度不断提高，选择环保材料已成为汽车行业发展的趋势。
在实现白车身轻量化的过程中，应充分考虑材料的环保性，选择符合环保标准的材料，以减少对环境的影响。
三、评价方法1. 性能评价轿车白车身轻量化的评价方法中，性能评价是最基本的一种评价方法。
性能评价主要从白车身的动力性能、操控性能和舒适性等方面进行评价，以确保车辆在轻量化的同时不影响其整体性能。
2. 安全评价安全评价是评价白车身轻量化效果的重要手段。
轿车在行驶过程中需要保障车身的结构完整性和安全性，通过安全评价可以检验轿车在轻量化的过程中是否有牺牲安全性的情况。
3. 环保评价在进行白车身轻量化的过程中，环保评价也是必不可少的一种评价方法。
通过对车身材料的环保性、废旧车辆的回收利用等环保指标的评价，以确保白车身轻量化不仅可以提高车辆的燃油经济性，还能减少对环境的影响。
白车身多学科轻量化优化设计应用
白车身多学科轻量化优化设计应用面对日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况，无论在传统的内燃机汽车还是新能源汽车领域，轻量化设计都已成为汽车业关注的焦点。
轻量化技术必将成为汽车公司的核心竞争力之一。
目前轻量化设计的主要方法有以下3种：结构轻量化，即采用优化设计方法对车身的拓扑结构、形状尺寸与厚度进行优化设计，实现轻量化；工艺轻量化，即采用特殊的加工工艺方法，如激光拼焊板、柔性轧制差厚板、液压成型技术等；材料轻量化，采用高强度钢板、轻金属材料（如铝、镁）、非金属材料（高强度塑料、碳纤维复合材料等）。
标签：白车身；轻量化；优化设计1、白车身轻量化研究白车身结构轻量化能够达到理想状态，需要做到以下几点：1.1在早期的设计阶段就确定可行的轻量化方案。
通过运用虚拟分析与优化技术掌握各设计参数对各性能和重量的影响规律，做到重量和性能的平衡，不要到车辆开发的后期才考虑减重，这样减重效果并不明显。
目前国内的研究大多集中在车辆研发后期或者小改型设计，仅针对现有车型车身钣金件进行材料强度和厚度的减重优化设计，并没有涉及到车身骨架的开发，鲜有前期就引入结构轻量化的研究。
1.2车身轻量化优化设计需要考虑车身各项性能，是一个多学科的集成优化设计过程，应找到系统整体的最优解。
目前国内轻量化优化设计工况多为单学科，优化后再针对其他学科工况进行验算和结果修正，并没有直接进行多学科的集成优化。
1.3车身各零件的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度共同影响着车身各项性能。
目前国内汽车企业主要集中对零件材料强度和厚度进行减重优化，没有综合考虑零件的拓扑关系、截面尺寸等导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。
本文在车辆早期开发阶段，建立了整车参数化白车身模型。
共定义了60多个设计变量，包括车身关键零件的形状、位置、尺寸、材料与厚度。
根据整车布置空间与工程师经验，确立了设计变量的有效变化范围。
采用试验设计方法产生计算样本点，经仿真计算后汇总结果建立优化近似模型，通过多学科的集成优化，找到满足不同学科不同工况条件下的最轻白车身。
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GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》；
GB20071-2006《乘用车侧面碰撞的乘员保护》；
GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》；
SAE-China J0702－2013技术规范“普通乘用车白车身弯曲刚度测试方法”；
4.2
按照国家标准GB20071-2006《乘用车侧面碰撞的乘员保护》，进行基于侧面碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如侧面压溃量、白车身吸能量、B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。
4.3
按照国家标准GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》，进行基于正面偏置碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如前端压溃量、白车身吸能量、防火墙侵入量和B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。
5.2
在进行整车被动安全性分析模型验证时，考虑到车身的四门两盖和门窗玻璃对整车被动安全性仿真分析结果有重要影响，车身有限元模型中包含四门两盖和门窗玻璃模型。
5.2.1
按照国家标准GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》，进行刚性壁障整车正面碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如前端最大压溃量、B柱碰撞加速度曲线、防火墙最大侵入量、白车身吸能量曲线。
3.2
白车身产生单位扭转角所需要的外加扭矩，它表征了白车身抵抗扭转弹性变形的能力。
3.3
使白车身产生单位弯曲变形所需的弯矩，它表征了白车身抵抗弹性弯曲变形的能力。
3.4
指轿车前后轮距的平均值与轴距的乘积。
3.5
指白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率等，相对白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和形状尺寸等的一阶导数。
5.2.2
按照GB20071-2006《乘用车侧面碰撞的乘员保护》，进行整车侧面碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如侧面最大侵入量和侵入速度、B柱碰撞加速度曲线、白车身吸能量曲线。
5.2.3
按照GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》，进行整车正面偏置碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如前端最大压溃量、B柱碰撞加速度曲线、防火墙最大侵入量、白车身吸能量曲线。
本规范由汽车轻量化技术创新战略联盟提出。
本规范由中国汽车工程学会批准。
本规范由中国汽车工程学会归口。
本规范起草单位：吉林大学、长安汽车、一汽集团、中国汽研等
本规范主要起草人：王登峰、陈鑫、张君媛、9月首次发布。
轿车白车身轻量化设计方法
1
本技术规范规定了轿车承载式白车身轻量化设计方法。
5
5.1
5.1.1
轻量化设计时对白车身的网格划分，主要用四边形壳单元、三角形壳单元、焊点单元、刚性单元等单元来模拟，单元的平均尺寸不超过10mm。
5.1.2
白车身有限元网格划分时单元质量控制基本要求如表5-1所示。
表5-1白车身单元质量控制要求
控制量
单元翘曲角
单元长宽比
雅可比
四边形最小内角
四边形最大内角
中国汽车工程学会技术规范
SAE-China J0703－2013
轿车白车身轻量化设计方法
Car Body-in-white Lightweight Design Method
2014-09-22发布2014-09-22实施
中国汽车工程学会发布
前
本技术规范按照GB/T1.1-2010《标准化工作导则第一部分：标准的结构和编写规则》要求起草。本技术规范针对白车身轻量化设计要求，对普通乘用车白车身的轻量化设计方法进行了规范性的规定和说明，对普通乘用车白车身轻量化设计起引导作用，为不同车型的普通乘用车白车身的轻量化设计提供一种通用的方法，类似车型也可参照执行。
5.3
通过对白车身结构进行相对灵敏度分析，找出对车身被动安全性、刚度、NVH性能不敏感，但对减重较敏感的设计变量（如板厚、梁的断面形状、尺寸等）；但用传统的灵敏度分析方法确定优化设计变量（如车身上一些小零件设计参数）时，往往出现某些零件对车身性能不敏感但对减重也不敏感的情况，这会给白车身轻量化设计时设计变量的选取带来困难，因此本规范提出一种相对灵敏度分析方法。
三角形最小内角
三角形最大内角
三角形百分比
要求
＜20度
＜5
＞0.6
＞40度
＜135度
＞20度
＜140度
＜10%
5.1.3
根据白车身各零件材料特性参数，输入单元的材料属性，包括密度、泊松比、弹性模量、剪切模量、材料的本构关系等。
5.1.4
白车身有限元建模后的结构质量与白车身三维实体模型相比其质量变化不应超过5%，整车碰撞有限元模型总质量变化不超过40kg。白车身的质量应在轻量化设计报告中注明。
本技术规范适用于轿车承载式白车身，类似车型（整车整备质量小于3.5 t的其他乘用车）可参照执行。
2
下列标准对于本文件的应用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改（不包括勘误内容）或修订版均不适用于本规范，但鼓励根据本规范达成协议的各方研究使用这些文件最新版本的可能性。
GB/T1.1-2010《标准化工作导则第1部分：标准的结构和编写》；
SAE-China J0701－2013技术规范“普通乘用车白车身扭转刚度测试方法”；
3
本规范所规定的术语和定义用于轿车白车身的轻量化设计，考虑到它们对主管部门、制造厂商和用户具有实用价值，特规定下列定义。
3.1
本规范所定义的白车身相当于国家标准GB/T 4780-2000中定义的车身本体、即由车身结构件与覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成，不含四门两盖、门窗玻璃与可拆卸的副车架。
3.6
指白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率等除以零件质量后，相对于白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和形状尺寸等的一阶导数；
4
4.1
按照国家标准GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》，进行基于正面碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如前端压溃量、白车身吸能量、防火墙侵入量和B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。