车身结构轻量化的设计方法

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车身结构的轻量化设计是应用优化设计的方法,在保证车身结构性能要求的前提下,提高材料的利用率,减少冗余的材料,从而达到车身结构轻量化的目的。当采用轻质材料代替钢材用于原有车身结构时,材料力学性能的差异往往会导致车身结构性能的改变和不足。因此在使用轻质材料时必须对原有的车身结构进行改进设计。或在仍然使用原有钢材的条件下,对已有的车身进行结构优化设计,也可以达到轻量化的目标。


现代汽车的轻量化设计流程如(图1)所示。


(图1-轻量化设计流程图)


车身结构轻量化设计在开发中必须满足(图2)中的各项设计要求。


(图2-开发中必须满足的各项设计要求)


轻量化结构设计简单地说就是以强度高、抗振性好、弹性模量高的材料为基础,以高强度的连接、优化部件几何结构为条件,实现车身强度、刚度、稳定性以及振动和声学性能的保证"一个具体的整车轻量化方案实例如(图3)所示;


(图3-具体的整车轻量化方案)


轻量化设计以减轻车身结构的总质量为目的,可根据预先设定的轻量化目标,设定优化的目标函数。例如,在对传统的原型车的轻量化改进设计中,可以原型车的性能评估作为参考,使得轻量化后车身结构的各项性能参数不低于原车身,依此来设定优化的约束。


由于涉及车身结构各项性能的约束优化设计过程复杂,因此将该优化设计分成若干阶段进行,并使时间控制在可接受的范围内。现代汽车车身大多数采用全承载式结构,其覆盖件的质量布置直接影响汽车的寿命和整车力学性能。车身结构承载了行驶过程中的大部分载荷,其结构刚度特性具有举足轻重的作用,据分析白车身对整车的刚度贡献达到60%以上,大致分配情况如(图4)所示。


(图4-轿车白车身及其各零部件对整车刚度的贡献)


车身刚度设计是否合理会直接或间接地影响轿车的整车性能。车身刚度不足,会引起门窗、发动机罩及行李箱等处开口变形过大,从而导致车门卡死、玻璃破碎、密封不严以 致渗风、漏雨和内饰脱落等等,同时还会影响安装在车身上的各总成的相对位置。刚度设计不合理还会造成车身振动频率降低、发生结构共振,导致噪声和部件的疲劳损坏,以及破坏车身表面的保护层和车身的密封性,削弱车身抗腐蚀能力等。这些问题直接或间接地影响汽车的行驶平顺性、操纵性能、强度、耐久性、NVH性能及安全性能等。


车身刚度不足还会影响安装在其上的各个总成的相对位置和车辆的动态特性。车身结构的低阶弹性模态参数不仅反映了车身的整体动态刚度性能,而且是控制汽车振动特性的关键指标。为了避免汽车行驶过程中在路面载荷激励下车身结构发生低阶模态共振,在结构设计过程中应该有效地控制车身结构的低阶模态参数。


所以,可先建立轿车白车身有限元模型,计算得出白车身低阶振动固有频率和固有振型。进行振动固有频率对壳体厚度等结构参数的灵敏度分析,在灵敏度分析的基础上,选取灵敏部件进行结构优化设计。以车身结构的刚度和模态性能为约束条件的优化过程,作为优化设计的第一阶段,也是最基本的阶段。碰撞安全性和疲劳寿命则主要涉及材料的强度和塑性变形,以此为约束条件的优化过程作为优化设计的第二阶段。NHV特性主要涉及乘坐舒适性,可将NVH特性为约束条件的优化过程作为优化设计的第三阶段。由于车身结构的刚度和模态是最基本的静动态性能,只需要确定材料的弹性性能和密度,故以此作为约束条件的第一优化阶段,其计算时间可控性强,迭代计算比较容易收敛,该阶段是轻量化设计的重要基础,其他两个阶段的优化设计过程是在此优化阶段完成的基础上加以实现的。


在车身结构优化计算的基础上,根据可制造性和成本方面的考虑调整优化计算的结果,使其适合实际生产的需要。但是,由此带来的车身结构各项性能的变化需要再次进行验证。在经过调整一验证一再调整一再验证这样一个反复过程之后,直至满足各方面的设计要求,最后形成可用于实际生产的轻量化方案。


由于车身结构的刚度和模态是最基本最重要的动力学特性指标,所以,基于车身结构刚度和模态特征的约束优化问题就尤为重要,第二和第三阶段的优化设计都是以此为基础和参考的。


在结构尺寸设计时,以原车型车身结构几何模型为基础,应用有限元法对其建模,进行车身结构刚度和模态的分析评估,和实际试验结果进行比较,验证有限元模型的有效性。以原车型的刚度和模态特性作为轻量化优化设计的约束条件,以车身结构质量最小为目标。零件厚度尺寸是设计变量。优化过程中,首先进行灵敏度计算,也就是因变量与自变量的变化之比,计算目标函数或者约束条件对函数自变量的导数。分别找出对目标函数影响大但是对约束条件不敏感的设计变量和对目标函数不敏感但是对刚度和模态较敏感的设计变量。通过迭代优化算法,得到第一类自变量的取值。结合经济性和制造性分析,分别对两类变量进行微调和验证,得出最终符合生产实际的结构轻量化案。


但是车身结构中有些部件的结构设计已经相当成熟,进行尺寸优化的空间很小、。若把结构形状优化和拓扑优化与尺寸优化结合起来,则轻量化的潜力更大。



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