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 。