概念設計階段鋼鋁車身框架結構設計方法研究

梁禮光，陳吉清，楊越東，蘭鳳崇

（華南理工大學 機械與汽車工程學院 廣東省汽車工程重點實驗室，廣東 廣州 510640）

1 引言

一般車身研發方法包括逆向開發和正向開發，當前逆向開發法被國內各大汽車公司廣泛使用。盡管逆向設計具有周期短和成本低等一系列優點，但缺陷也很明顯：

（1）研發人員研究的產品受限于已有的成品，產品從造型設計理念到成品出現的核心技術很難掌握；（2）設計開發只是針對已有成品的改良，對于原始結構存在的缺陷完全繼承，而且很難在后期開發中根除；（3）這種開發方法缺少創新性，無法形成企業自身核心競爭力。

隨著生活水平的不斷改善，人們越來越注重汽車產品質量。盡快掌握汽車研發核心技術成為各大車企迫在眉睫的任務，只有提升了核心競爭力才能根據不斷變化的市場需求不斷將車型推陳更新，第一時間搶占各個細分市場大的份額。與逆向開發不同的是，車身正向開發能使研發人員掌握車輛從無到有整個設計過程中包涵的核心設計理念和關鍵技術。概念設計作為正向開發的重要一環，能真正反映出設計者的研發實力。概念設計實質是一個從抽象到具體，將功能貫穿與整個設計的過程[1-2]。概念設計是一種創新性思維的發散與升華，通過它能夠得到反映產品本質的基本特性。車身概念設計是保證整車質量和性能的重要環節，對汽車正向開發具有重要意義，它集中體現了創新性思維[3]。概念設計階段車身正向開發一直都是薄弱環節，隨著研究者對其重要性的認識增多，越來越多的學者重視起該設計階段，但是當前的研究水平還有很大改善空間[4]。目前國內外已有不少學者對車身正向開發過程中概念設計階段的設計優化做了相關研究，取得了不少有價值的成果。文獻[5-7]對概念設計階段車身模型的建立方法進行了多種探索，為正向開發方法提供了有益參考；文獻[8]研究了概念設計階段接頭簡化模型問題，有效提高了設計效率；文獻[9-10]分別進行了概念設計階段車身的結構優化設計、抗撞性分析的研究，為后續開發提供了預測和參考依據；文獻[11]通過研究鋼鋁一體化車身結構，在保證原車性能的前提下實現碰撞安全性和減重要求，并對不同材料鋼和鋁的連接方法進行了探討。

考慮逆向開發具有的缺陷，在正向開發概念設計階段運用基于車身混合材料輕量化設計思想，通過平臺設計初步創建了實現正向開發的參數化模型數據庫管理模式，利用參數驅動設計的方法構建了參數化車身框架結構系統，創造性的提出分層“子結構”的概念對上述正向開發設計方法進行了簡單驗證。研究路線如圖1所示。

圖1 技術路線圖Fig.1 Technology Roadmap

2 數據庫管理模式及參數化結構建模

2.1 鋼鋁框架結構數據庫的初步管理模式

首先對框架模型構件數據庫進行分塊：

（1）車身框架結構可劃分成：后行李艙框架總成、乘員艙框架總成、車身前艙框架總成。后行李艙框架總成分為后減震器支座框架分總成、行李艙地板框架分總成和后縱梁框架分總成；乘員艙框架總成包括側圍框架分總成、頂蓋框架分總成、乘員艙地板框架分總成、前圍板框架分總成；車身前艙框架總成包括保險桿框架分總成、減震器支座框架分總成、水箱支架分總成、前縱梁框架分總成和前大燈支架分總成。

（2）各總成可直接調用材料庫中的材料，主要為6061鋁合金和Q345鋼。

建立參數化車身框架模型數據庫的管理模式示意圖，如圖2所示。

圖2 車身參數化框架數據庫初步管理模式Fig.2 Body Parametric Framework Preliminary Database Management Mode

2.2 參數驅動的車身框架結構系統

采用參數驅動結構設計時，車身框架結構參數可以驅動框架各分總成中構件的材料屬性和尺寸等。從圖3可看出，構件的尺寸參數有：厚度ti、截面寬度wi、構件k條邊的邊長li1-ik、截面高度hi、在XYZ任意坐標平面內的彎曲角度θi、在邊長方向基準點和彎曲始點的距離di、基點Z向基準坐標Zi和構件個數n、基點X向基準坐標Xi、基點Y向基準坐標Yi；材料參數mi可以賦予鋁合金或者鋼材；幾何結構特征參數ci的不同表示由不同截面的管件抽取的不同幾何結果；利用參數組（ti，wi，li，hi，θi，di，ni，Xi，Yi，Zi，mi，ci）的不同賦值，得到各分總成構件的結構形式也不同，要想得到分總成結構必須先確定各構件結構形式。按照參數化車身框架數據庫管理模式的構造，建立車身框架系統參數組織架構，如圖4所示。從圖中可看出該架構中各結構間的關系和各參數間的關系。

圖3 參數驅動的車身框架構件Fig.3 Parameter-Driven Body Frame Member

圖4 車身框架結構系統參數的組織架構Fig.4 Organizational Structure of Body Frame System Parameters

參數化設計中的參數包括不可變參數（各結構間的關系）和可變參數（結構尺寸）。不可變參數通過同級和下級的參數變化自動進行結構調整。在車身框架結構系統中，可依照參數的組織架構創建的不可變參數有：代表構件和可變參數之間關系的不可變參數R1、代表分總成和構件之間關系的不可變參數R2、代表大總成和分總成之間關系的不可變參數R3、代表大總成和整體結構之間關系的不可變參數R4。

2.3 參數化承載式車身框架結構的搭建

基于SUV這一類車型，進行承載式車身參數化框架系統的搭建，選取SUV僅為搭建方法闡述的方便。以乘員艙側圍框架結構參數化建模及歸入框架模型數據庫為例介紹框架結構搭建流程。

車身側圍結構抽象設計過程，如圖5所示。抽取一些關鍵結構如：A柱、B柱、C柱、D柱、前擋泥板縱梁、頂蓋邊梁和門檻梁、，各構件都可抽象簡化，且可變參數和不可變參數都是動態變化的，通過參數的變化可以創建不同結構形式的側圍框架結構，將該框架編號為PC-1號分總成存入圖6所示數據庫中。

圖5 側圍參數化框架模型Fig.5 Side Panel Parametric Frame Model

以此類推將白車身各結構進行關鍵結構抽取，并設置可變參數和不可變參數進行參數化，再將各框架總成進行編號放入的結構庫中，如圖6所示。需要注意的是，數據庫中各分總成結構不是一成不變的，結構已經參數化，是動態可變的，設計者可根據不同的設計要求利用不同的幾何參數驅動產生許多各種類型參數化框架模型，通過變換數據庫已有的模型和不斷豐富模型種類，將積累到數量非常龐大的參數化框架模型，在后續的正向開發設計中基于此平臺設計者可以根據設計需要便捷地從數據庫中直接調用各框架結構總成，有效地縮短研發周期，從而大大提高正向開發效率。

圖6 車身參數化框架模型庫雛形Fig.6 Body Parametric Framework Prototype

企業某款SUV車型白車身，如圖7所示。以此為參照，根據其總布置形式和基本外形尺寸，通過驅動可變參數和不可變參數生成各個構件，再通過調用由其生成的數據庫中各框架分總成創建出所研究的SUV車型車身框架結構，如圖8所示。

圖7 某款SUV車型的白車身Fig.7 A SUV Body in White

圖8 基于設計參數的SUV車型車身框架結構Fig.8 SUV Body Frame Structure Based on Design Parameters

3 鋼鋁車身框架結構方案設計研究

3.1 方案設計研究方法的選取

利用正交試驗設計能夠使試驗趨于簡單，大幅減少試驗次數，有效地縮短開發時間。采用DOE正交試驗設計的方法研究車身框架的鋼鋁不同組合方案對結構靜動態性能的影響規律。為了進一步簡化正交試驗設計因子數，基于“子結構”分層理念，在概念設計階段從更宏觀的角度去研究結構材料替換所產生的效果。

3.2 車身框架“子結構”

“子結構”分層法是一種將車身框架結構進行分塊的方法，先將整個框架分塊變成第一層的各個較大的“子結構”，再研究該層內各結構不同鋼鋁組合對這個框架性能的影響規律；根據具體研發要求及上一層結構性能分析結果，再決定是否需要對上一層次內各個“子結構”進行細分，假如有必要，則繼續對第一層各分塊結構進行分塊生成第二層的“子結構”，然后再研究該層內各結構采用不同混合比例鋼鋁材料對車身框架的性能影響；以此類推進行細分，分塊方法流程示意圖，如圖9所示。

圖9 車身框架“子結構”各層次樹狀圖Fig.9 Body Frame“Substructure”Tree at All Levels

根據后備箱艙、乘員艙和前艙中各構件在車輛坐標系中沿各坐標軸的走向進行分塊，第一次分塊共產生出第一層次九大“子結構”，車身框架子結構劃分結果及其ID號，如圖10所示。

圖10 第一層"子結構"Fig．10 The First Layer of“Substructure”

3.3 第一層次鋼鋁混合車身“子結構”正交試驗

本研究中試驗因子選取（1～6）號組件，各組件板厚規格選取5種，因此，本試驗可采用6因子5水平的正交實驗表L25（56）進行設計。在各個試驗中，針對車身框架考慮包括靜態扭轉剛度、靜態彎曲剛度、一階彎曲模態、一階扭轉模態和框架結構總質量五個方面要求，通過25組實驗獲取到125個實驗結果，對試驗結果進行分析，研究得出不同鋼鋁組合對車身框架性能的影響關系。考慮到鋼和鋁合金材料物理性能和化學性能的差別，鋼質構件板厚設置為比鋁質構件板厚小，同一構件各厚度賦值間隔0．5mm，材料具體規格，如表1所示。

表1 五種材料規格Tab.1 Five Kinds of Material Specifications

采用極差法對25組試驗獲得的125個試驗數據進行分析，根據5個指標分析結果分別可得到5種方案的框架結構的彎曲剛度、扭轉剛度、一階彎曲模態頻率、一階扭轉模態頻率和框架總質量的直觀效應曲線圖，出于便于研究的需要，對5個試驗指標的直觀效應圖進行整理，結果，如圖11所示。

圖11 直觀效應曲線圖Fig．11 Visual Effect Curve

基于各指標直觀效應曲線走勢，提出綜合考慮靜動態基本性能的混合材料車身框架結構開發方法：若一組件在分別采用不同材料規格的情況下其4種性能指標的直觀效應曲線波動幅度較小，則認定該組件的鋼材可以用鋁合金材料替代且靜動態性能不變，然后再遴選出一個結構總質量最小的設計方案作為優選方案，這樣該方案不僅取得了較好的輕量化效果而且能保證滿足特定的性能要求。

值得一提的是，研究比較宏觀，分析對象僅僅是針對基于第一層次“子機構”的車身框架結構，后續還需要繼續對細分出的下一層次的“子機構”進行研究以尋求最佳的鋼鋁混合材料設計方案。針對波動幅度大的組件，不代表其整個“子機構”都只能采用鋼材或鋁材，具體選材方案還需要根據試驗結果和研發要求進行下一層次甚至更多下級層次的“子結構”分塊，力求更詳細地研究分析不同鋼鋁材料混合比例和分布對整個車身框架的性能影響，最終得到鋼鋁車身框架開發自上而下即設計從大組件到小組件，再從小組件到幾何構件的最佳輕量化設計方案。

4 基于某SUV車型鋼鋁組合白車身開發方法的驗證

由圖11可以看出，第一層“子結構”中的2號組件和3號組件應用5種不同材料規格后車身框架結構的彎曲剛度、扭轉剛度、一階扭轉模態頻率的直觀效應曲線波動較小，一階彎曲模態頻率效應曲線雖然看起來波動較大，但實際上是由于縱坐標刻度值間隔較小導致的，故其實際波動幅度也是較小的，根據前文提出的車身框架開發方法，選取這兩個組件進行鋼鋁材料混合設計研究。

概念設計階段結構設計的好壞跟后續詳細設計階段結構設計可優化變更的幅度及其結構性能密切相關，同理，后續詳細設計階段結構的優化及性能也可間接反映出概念設計階段結構的是否得到合理的設計。前圍板結構是由2號和3號組件中的一部分構件組成的。鑒于此，以某款SUV車型鋼質白車身詳細模型為研究實例，將其原前圍板中的2號和3號組件所用鋼材變為采用兩種不同厚度規格的鋁合金材料分別進行白車身靜動態性能分析，根據對車身框架材料替換前后性能變化對比分析得到的結果來驗證提出的概念設計階段鋼鋁車身框架結構開發方法的合理性。

方案1中鋁質前圍板組件板厚設置為鋼質前圍板組件板厚的兩倍，且限定其最大厚度不超過2mm。為了研究針對結構采用同種材料而板厚不同是否會對整個車身性能造成明顯的影響，方案2基于方案1將鋁質組件再減薄0．2mm，各方案板厚賦值情況（圖略）。

計算完成后得到表2所示的材料替換前后的白車身靜動態性能分析結果，再將原車的數據結果與材料替換后的結果進行對比分析，分別應用兩種厚度規格鋁質前圍板的白車身與原鋼質白車身靜動態性能的幅度變化比，如表3所示。從表3可知，前圍板組件采用鋁材的方案1整個白車身一階彎曲頻率和彎曲剛度與全鋼白車身相同，而一階扭轉頻率和扭轉剛度分別提高了0．6%和0．16%，總重量相對原車身大幅降低了31．64%。由此可知，由2號和3號組件構成的前圍板結構采用鋁材設計可以在實現減重的同時車身的靜動態性能基本保持不變。故提出的概念設計階段鋼鋁車身框架結構開發方法是可行的。

表2 原車與兩個方案的動靜態性能計算結果Tab.2 Results of Static and Dynamic Performance Between the Original Car and Two Schemes

表3 兩個方案與原車的性能變化對比結果（%）Tab.3 Two Schemes and the Original Car’s Performance Changes Comparative Results（%）

采用鋁質前圍板的方案2白車身一階彎曲頻率未發生改變，扭轉剛度、彎曲剛度和一階扭轉頻率分別比原車身減少0.45%、0.19%和0.9%，組件減重幅度達39.19%，從中可看出鋁質組件板厚變小會稍微影響車身靜動態性能，但幅度不是很大，基本可以忽略，即可認為靜動態性能與原鋼質車身是一樣的。若研發要求挺高，板厚減薄造成的性能上的微小不足可以借助后期結構優化來改善。綜上可知，提出的分層“子結構”下鋼鋁車身框架結構組合設計方法和綜合考慮靜動態基本性能的鋼鋁混合材料車身框架結構開發方法具有合理性和可行性。

5 結論

（1）在正向開發的概念設計初期就考慮輕量化設計思想，使車身框架結構一開始就具有優良的輕量化性能，避免后期結構因進行輕量化設計而受到的無法大幅改動尺寸等各種限制。（2）在綜合考慮市場需求和相關法規并分析了市面上大量乘用車車身結構，以及目標車身性能的基礎上，提出完善的車身框架數據庫初步管理模式，并通過參數驅動設計創建參數化車身框架結構設計平臺。（3）提出一種車身框架分層“子結構”的方法并將該方法應用在某款車型實例上驗證了提出的鋼鋁車身概念設計階段設計方法的正確性和可行性，對概念設計階段車身的正向開發方法研究具有積極的借鑒意義。