探討輕量化材料的汽車車身結構優化設計與分析

摘 要：針對目前我國“雙碳”戰略需求，以提升整車的可靠度、主動適應“雙碳”戰略需求為目標，開展基于輕量化與可靠度的車身結構優化研究。首先，闡述了系統的輕量化工藝及可靠度計算理論，建立了系統的可靠度優化設計方法。其次，通過對整車剛度、振型等參數的敏感性研究，建立基于多個參數的整車剛度與模態-振型多目標優化數學模型，獲得整車結構的最優計算方法。研究發現，經過優化設計的汽車，其抗彎、抗扭的剛性系數可達6689N/mm，提高了15012N/mm，提高了4.68%，提高了2.17%。經驗證，該方法可使其在較短時間內的疲勞周期為22.35×10。研究結果表明，本文提出的新型車體結構在疲勞性能和穩定性能方面都有很大的提高，為我國轎車工業的發展提出了新的思路。

關鍵詞：汽車 有限元 車身 結構設計 輕量化 可靠性分析

針對目前我國“雙碳”戰略需求，以提升整車的可靠度、主動適應“雙碳”戰略需求為目標，開展基于輕量化與可靠度的車身結構優化研究。首先，闡述了系統的輕量化工藝及可靠度計算理論，建立了系統的可靠度優化設計方法。其次，通過對整車剛度、振型等參數的敏感性研究，建立基于多個參數的整車剛度與模態-振型多目標優化數學模型，獲得整車結構的最優計算方法。研究發現，經過優化設計的汽車，其抗彎、抗扭的剛性系數可達6689N/毫米，提高了15012N/毫米，提高了4.68%，提高了2.17%。經驗證，該方法可使其在較短時間內的疲勞周期為22.35×10。研究結果表明，本文提出的新型車體結構在疲勞性能和穩定性能方面都有很大的提高，為我國轎車工業的發展提出了新的思路。

1 輕量化技術的車身結構優化研究

1.1 輕量化技術與可靠性分析

車體的輕量化是一種以降低整車重量為主要目標，被大量應用于整車生產過程中。通過減少整車質量，能夠提高能量利用率，減少尾氣排放，提高整車的綜合性能。另外，輕型汽車還可以在保證汽車的安全與耐用的同時，保留其重要的功能。當前，汽車車體的輕量化技術路線見圖1，從圖1可以看出，汽車車體的輕量化技術路線大致可以劃分為材料、工藝和結構三個方面。其中，結構優化是目前應用最廣泛的一種方法。通過改變構件的尺寸、外形、材料厚度、布置形式等，實現構件的輕量化。首先，確定了各參數的大小，為下一步的優化工作打下了良好的基礎。其次，根據工程應用的具體情況，制定出滿足工程設計要求的限制，并對其進行了優化設計。在此基礎上，根據具體的應用要求，采用參數優化、單目標優化、多目標協作優化等方法，實現輕量化的優化。在實現車體的輕量化時，不僅要考慮到結構的優化，還要考慮到材料與加工的因素。在保證整車質量的前提下，采用高強鋼、鋁合金、碳纖維增強復合材料等輕量化、高強度的復合材料，在保證整車質量的前提下，實現整車的高強度、高強度、高強度的輕量化設計。而在加工方面，主要是通過對加工工藝的改善來實現，比如使用先進的焊接技術、沖壓技術和膠接技術，在保證零件的精度與一致性的前提下，降低了原材料的損耗，提升了產品的加工效率。在工程實踐方面，汽車車體的輕量化研究涉及材料科學、機械工程、計算機輔助設計以及生產工程等多個學科的交叉融合。在此基礎上，在提高整車綜合性能的前提下，達到提高整車綜合性能的目的。同時，由于輕質材料研發、新工藝和新裝備的研發，帶動了輕質化的深入發展，從而實現了一種良性的循環。

可靠性研究是提高系統、設備和軟件可靠性的系統分析方法。為了保證車體在預定服役期間經受住不同載荷與壓力，并且無失效，對車體進行可靠度分析是至關重要的。在工程實踐中，基于可靠性理論的車體結構優化方法可以分為兩種：一種是基于整車的可靠性最大，另一種則是基于整車的真實重量最小，如果整車的重量不超過最優的重量，則作為一種限制，建立一種新的建模方法。并將該問題視為一種限制，建立了一種二級可靠度優化模型。本項目將基于可靠度理論對整車進行優化，以保證整車在保證安全的前提下達到整車重量的最小為目標，采用二級數據模型對整車進行優化。

1.2 汽車車身有限元模型搭建及其結構輕量化設計

為了保證最終的優化效果，在進行汽車車體結構的優化之前，必須借助計算機建立合理的車體模型。本研究所最優的車輛是一輛都市越野型的白轎車，這輛車的長度、寬度、高度分別為4100毫米、1900毫米、1450毫米，車體的主要部分由骨架、外板金屬件、門窗組件、配件、內外飾件以及座位等部件組成。大部分組件都是通過焊點來實現的，也有一些是通過螺釘或鉸接來實現的。構成汽車的金屬部件以薄板為主，通常在0.7毫米到1.5毫米之間，所采用的材料有45號鋼和700 L高強度鋼等。在對車體進行三維建模時，采用HyperMesh對車體進行了三維建模。其次，對幾何建模進行清洗，比如修補丟失的曲面，去除多余的直線等。然后，將加強網布置到螺釘上，將剩下的部分劃分成網格，去除和改善未達到的質量要求的網格。在此基礎上，根據模塊化設計思路，將車身劃分成上、左、右圍、前、下四個部分。在此基礎上，對整車進行了三維建模，并對其進行了三維實體建模。以整車剛性敏感性和模態敏感性為依據，采用可靠度理論對整車進行了輕量化設計。通過建立的仿真軟件，得出了優化前和后的白車身的總體設計結果。圖2（a）為白車身結構的優化前、后的有限元視圖，而在圖2（a）中，僅對白車自身進行了有限元建模而沒有進行過優化處理。圖2（b）是將用于白車體的輕質設計的車體剛性敏感性分析與車體模式敏感性分析相結合的檢查指數。將可靠性分析、剛度敏感性分析和模態敏感性分析相結合，給出了車身結構的輕量化設計過程。首先，通過對已有的車體結構進行采集與分析，確定其主要的力學特性指標（強度、耐久性等），利用有限元方法建立起原始的車體模型。其次，利用系統的可靠度計算方法，對汽車零部件在期望服役期間可能出現的失效部位進行了預測。然后，對各部位的受力情況進行了研究，并對各部位的受力情況進行了研究。在此基礎上，通過對整車進行模態分析，獲取其自振特性及振型，并基于敏感性分析，對材料選擇、厚度、幾何尺寸等進行優化，達到降低整車重量的目的。在此基礎上，將剛度敏感性與模態敏感性相融合，采用多目標優化方法，尋求滿足結構可靠性、剛度及輕量化需求的最優結構。在進行剛性敏感性計算時，選取158個構件，選取152個構件，以構件的厚度為最優變量，在保證車體剛性不下降的情況下，實現構件整體結構的輕量化。在此基礎上，研究各部件間的剛性敏感性及相關敏感性，并通過增大敏感元件的厚度及降低敏感元件的厚度，以達到減輕車體重量的目的。與傳統的方法相似，對結構的振型敏感性進行了建模，并對其進行了數值模擬。

2 仿真結果分析

2.1 車身剛度對比結果

以車體縱向梁作為主體剛度測試區，利用Optistruct有限元軟件對其剛性進行計算。在此基礎上，基于車體抗彎、抗扭等剛性需求，對白體進行合理的限制，獲得了白體在優化前、后的變形及剛度的改變。

由表1可知，在彎折狀態下，前風擋為1323.40毫米，左前門為1253.32毫米，后擋風玻璃為1239.58毫米，后風擋為998.25毫米，四個部位的變形間距基本沒有改變，最大偏差只有-0.18。這時，車體在受彎狀態下的剛性從6390N/毫米增加到6689N/毫米，而剛性提高了4.68%。同樣，前擋風玻璃、左前門、右后車門和后擋風玻璃在扭曲狀態下的變形間距同樣很少，而剛性則由14693Nm/Deg增加到15012Nm/Deg，剛性增幅為2.17%。總體而言，通過對車體各個部位的開孔位移進行調整，使車體各個部位的開孔變形小于0.20，同時都可以增大剛性，使整車的總體性能得到改善。

2.2 車身模態對比結果

除了對剛度進行測試外，研究進一步驗證了白色車身優化前后的模態變化結果，得到 5 個不同結構位置在優化前后的模態值及其漲幅，見表1。

從圖2可以看出，車體前端、車體底板局部彎曲、車體一階彎曲、車體一階彎曲和車體一階扭振的模態數值為38.51Hz，45.22Hz，車體一階彎曲模態和車體一階扭振模態的模態數值，在車體的輕量化設計之后，5個部位的模態數值都增大了，分別是42.12Hz，49.86Hz，42.37Hz，50.18Hz，55.26Hz。結果表明，一次扭振模態增長幅度最大，達到10.92%；由此可以看出，一次最優扭振模式可以很好地克服因低轉速而產生的振動，從而防止產生諧振。從而使一次扭振響應幅值得到改善，從而改善了整車的動力學性能。

2.3 車身可靠性對比結果

為驗證該方案的有效性，本項目選取5種不同部位進行試驗，并采用 nCode對其進行加載，得出了5種零件在優化前、后的周次數計算結果。

從圖4可以看出，在最優條件下，5種零件的周次均高于最優之前。在優化之前，各構件的周次均超過了規范規定的循環周次，都超過1.00x10\"次，表明在優化之前建立的數值模擬結果能夠很好地滿足結構的疲勞性能要求。另外，零件4和零件5的疲勞周期數都超過了20.00x10'，分別為21.14x10'和22.35x10'，因此可以看出，通過輕量化優化設計之后，白車身具有較高的耐疲勞能力，因此整體結構具有較高的可靠性。

3 結語

本項目以車身輕量化為研究對象，采用可靠性分析、車身剛度敏感性分析及模態靈敏度分析相結合的方法，對車身進行多目標優化，建立整車動力學仿真模型。研究發現：4個測量點在優化前、后的位移相差不大，而在彎、扭兩種情況下，其剛性系數增加了4.68%、2.17%。通過與車體振動的比較，發現了一次最大的一次扭振響應，由原來的49.82 Hz上升到55.26 Hz，提高了10.92%。通過與優化前、后的比較，得出5號零件在最佳狀態下的疲勞周期達到22.35×106。總體而言，該方法不僅提高了整車的剛性和模態數值，而且整車的耐疲勞性能和可靠性也得到了提高。因為車輛的類別很多，所以未來的研究仍需檢驗此最佳解對其它車型之適用性。

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