10.16638/ki.1671-7988.2019.13.030
基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
田佩，华睿
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章主要介绍了一种白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析的方法，用于分析白车身扭转刚度工况下整体扭转角相对零件单位厚度质量的变化量，即计算设计变量△d相对零件单位厚度质量△m的变化量，称为扭转角相对灵敏度，通过对相对灵敏度结果进行排序，结合实际工程约束条件，为提升扭转刚度性能或轻量化设计提供较合理的厚度分配方案。
关键词：白车身刚度；CAE；厚度灵敏度
中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)13-85-03
Thickness Sensitivity Analysis Based on Torsional Stiffness of BIW
Tian Pei, Hua Rui
（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）
Abstract:The paper mainly introduces a thickness sensitivity analysis method for the torsional stiffness of BIW, which is used to analyze the variation of the vehicle torsional angle relative to the unit thickness mass of parts under the condition of the torsional stiffness of BIW, that is, the design variable △d is calculated, and the change amount relative to the unit thickness mass △m of the part is called the torsion angle relative response, by sorting the relative response results and combining the actual engineering constraints, a more reasonable thickness distribution scheme is provided for improving torsional stiffness performance or lightweight design.
Keywords: Stiffness of BIW; CAE; Thickness sensitivity
CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)13-85-03
引言
白车身的刚度是整车设计的一个重要指标，它决定了车辆在外力作用下抵抗变形的能力。
白车身刚度与整车的NVH 性能及操纵性，耐久性等均有一定的关联。
通常我们主要关注两个车身刚度指标，即扭转刚度及弯曲刚度。
如何在一定的成本及重量控制下尽可能提升白车身刚度是目前各车企研究的方向，本文主要通过一种研究车身板件厚度灵敏度的方法为车身刚度提升提供合理的厚度设计参考。
1 术语、定义及名词解释
白车身BIW：Body in White，仅经过车身总拼，即通过焊接、铆接、粘胶等工艺连接而成，而未经过涂装、装配底盘、车门和玻璃等的车身，本分析除白车身外还包括前档玻璃。
刚度：抵抗变形的能力，是载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。
灵敏度分析：研究与分析一个模型的状态或输出变化对系统参数或周围条件的敏感程度。
本流程中可简单说成：设计变量（厚度）在约束条件下发生变化，某些参数（大梁测点位移量）的变化程度，或参数变化与零件相应的质量变化
作者简介：田佩，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
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汽车实用技术
86 的比值。
2 基本要求
2.1 软件要求
前处理：HyperMesh ；求解器：OptiStruct ；后处理：HyperView 。
2.2 数据要求
白车身模型数据。
3 主要内容
本流程包括边界条件、灵敏度分析建模、提交计算和后处理四步骤。
3.1 边界条件
加载： 左右前悬中心位置加载垂向反对称力（大小为前轴载荷的一半）；
约束： 约束前保险杠中点的3自由度，分别约束后悬左、右支座123自由度和13自由度。
图1 左右前悬中心位置加载垂向反对称力
4.2 灵敏度分析建模
创建灵敏度分析变量、响应、响应约束、设计目标及卡片参数等。
4.2.1 灵敏度分析变量的创建
在视图工具栏，属性模式显示所有部件；进入Compon -ent 面板，将左右对称的且厚度相同的两个零件赋予同一个属性；进入Delete 面板，依次删除空的属性和材料，进入display ，只显示需要进行灵敏度分析的零件（0D 单元、1D 单元、3D 单元、非关键区域小板件除外）；进入Renumber 面板，对需要进行灵敏度分析的属性ID 重新由小到大排序（为方便后处理中的数据整理，建议由1开始排序），选择需要进行灵敏度分析的属性（即当前显示的全部属性）；进入Tool 面板，重新命名全部属性，名称前缀为字母，如：s ，以ID 号结尾；进入Assemblies 面板，创建新的assembly ，选择当前显示的所有comps ；进入Analysis 面板，选择当前显示的所有props ，设置变量上下限参数；单击create →return ，灵敏度分析变量创建完成。
4.2.2 响应的创建
创建位移响应，即前、后悬对应大梁测量点的Z 向位移；创建函数响应，大梁测量点位移的关系函数，即扭转工况整
体扭转角：创建质量响应，约束模型整体应变能，保证刚度。
（1）如下图所示，创建扭转角函数：
图2 扭转角函数
其中字母x1,x2代表前悬对应左、右大梁测量点位移响应，y1,y2代表后悬对应左、右大梁测量点的位移响应；数值906.942,991.204分别为前后悬对应大梁测量点间Y 向距离（在所分析的模型中量取得到）。
（2）创建函数响应：选择上一步创建的函数（这里创建的函数名称为f ）。
进入edit 面板，依次选择函数f 中x1,x2,y1,y2对应的四个位移响应，并选择扭转工况。
4.2.3 响应约束的创建
进入Analysis 面板，创建响应约束，设置变化范围，即通过白车身刚度分析后处理得到，上限的绝对值应小于初始值的绝对值，下限为零。
4.2.4 设计目标的设置 以整体质量最小为设计目标。
4.2.5 优化控制参数设置 对优化过程及结果进行控制。
进入Analysis 面板，单击
参数定义：
表示最大优化设计迭代次数，默认值为30（若
已定义
，则默认值为80）仅计算原模型灵敏，不需优化，为节约计算时间，设置为1。
初始材料填充比例（本流程中为分析变量初始厚
度相对变量变化范围的比例）。
表示相对收敛条件，相邻两步迭代中目标函数相
对变化小于
，优化停止。
表示优化结果中构件的最小直径，本参数用于消
除优化结果中的小构件。
4.2.6 卡片参数设置
进入Analysis 面板，设置卡片参数 卡片①：
卡片②：
田佩 等：基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
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卡片③：
图3 卡片参数设置
卡片①用于优化过程中取消模型网格质量检查，减少调试时间。
卡片②用于显示优化迭代输出窗口，输出设计变量，响应，目标函数的变化。
卡片③表示灵敏度分析。
4.3 提交运算
将以上建模导出fem 格式，提交求解器Optistruct 进行计算。
4.4 后处理
（1）计算完成后，启动HyperView 打开结果文件s*.h3d ，查看位移云图，对比初始模型计算结果。
若云图分布出现异常或与原模型结果差别较大，则需检查分析变量、响应、响应约束等，找到原因，调试后提交计算，以得到合理的分析结果。
合理的分析结果的位移云图：
图4 位移云图
（2）在计算文件存放路径中，找到初次迭代生成的***.slk 文件，用Excel 打开，为了避免后续操作失误，将ID 所在列的数字部分删除。
图5 初次迭代数据
（3）在第M 列列出△d/△m ，然后将数据区域以M 列为关键字，升序排序。
于是表中属性相对灵敏度由高到低列出。
（4）添加slk 表格中属性的中文名称或零件号。
打开计算模型文件，根据slk 表格中属性名称数字（即属性ID ），找到赋予该属性的零件：
图6 操作示意
步骤③④使对应的零件高亮显示：
重复步骤③④，找到各属性对应的零件，在slk 表中添加中文名称：
图7 slk 表 根据灵敏度高低，确认可实施方案。
5 总结
本文通过以上基于料厚的白车身扭转刚度灵敏度分析，可识别出最优的白车身料厚分配，从而达成扭转刚度性能及重量的综合优化，在满足性能的前提下，可以实现最大化降低整车成本及整车重量，提高产品设计准确性，指导实现车身轻量化的设计工作。
参考文献
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