基于HyperWorks白車身靈敏度分析及結構優化

石朝亮，史建鵬

（東風汽車公司 技術中心，武漢 430058）

隨著汽車工業的迅速發展，世界汽車保有量與日俱增，但隨之而來的能源短缺、環境污染等一系列問題也日益突出。輕型、節能、環保、安全、舒適、低成本成為各汽車制造廠家追求的目標，尤其是節能和環保更是關系可持續發展的重大問題，節能減排已成為汽車工業界亟待解決的問題，日益嚴格的安全和排放法規，也給汽車產業帶來了嚴峻的考驗。輕量化技術就是降低燃油消耗及減少排放的最有效措施之一。世界鋁業協會提出的報告［1］指出，整車質量每減少10%，燃油消耗將相應減少6%～8%，CO2排放量將減少10%。在當今汽車業“安全、節能、環保”這三大主題的呼喚下，汽車輕量化設計勢在必行。

車身質量占汽車總質量的40%左右，車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用，其對于整車開發的影響是多方面的：輕量化設計提高汽車的加速性能，同時整車的振動、噪聲穩定性會得到較大改善，車廂內乘坐環境及舒適度得到提升；由于汽車整車質量降低，行駛中的慣性相應減小，制動距離縮短，可以有效降低因緊急事件而發生的碰撞概率和碰撞程度，整車安全性能得到進一步提高；鋼材消耗減小，降低生產成本，提高市場競爭力；可以降低油耗和減少污染物的排放。

新材料、新工藝的大量應用雖然能明顯的實現減重，但也帶來的成本的急劇增加。優化設計是20世紀60年代初發展起來的一門學科，是將最優化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方法，人們就可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質量，因此優化設計是現代設計理論和方法的一個重要領域。通過優化分析實現減重，降低車輛油耗、提高車輛運行的經濟性的同時，也為汽車制造企業節約原材料，降低成本，帶來顯著的經濟效益。

本文根據有限元理論以及優化設計方法，利用有限元軟件HyperWorks的結構優化設計技術對國產某轎車的靜動態特性進行分析，得到了該轎車的靜動態特性，并且在此基礎上進行了優化設計。以白車身質量最小為優化目標，以白車身扭轉剛度不低于原有結構的扭轉剛度為約束條件，以白車身鈑金件厚度為設計變量，得到扭轉剛度對各板件厚度的靈敏度，通過調整板件厚度，對白車身結構進行優化。

1 優化分析理論

靈敏度分析與計算是結構優化設計中時常面臨的問題。靈敏度作為導數信息,反映出結構設計變量或參數的改變對目標或約束函數的影響程度,利用它可以確定最優解的搜索方向,建立近似方程或構造優化迭代計算公式以及進行結構設計修改。

對于有限元方程：

式中：K為剛度矩陣；U為單元節點位移矢量；P為單元節點載荷矢量。

兩邊對設計變量X求偏導數：

一般，結構相應（如約束函數g）可以描述為位移矢量U的函數：

式中：X=x1，x2，...，xn為設計變量， f（X）為目標函數，g（X）為不等式約束函數，h（X）為等式約束函數，上角標L指Lower Limit，即下限，上角標U指Upper Limit，即上限。

2 優化模型的建立

借助有限元前處理軟件Hypermesh，在Catia數模的基礎上，建立某款乘用車白車身有限元模型，如圖1所示。

本優化從研究對象的結構特點出發，同時考慮最大限度地降低模具的改變量，降低成本，進行優化設計時，將組成白車身的各個零件的厚度作為設計變量。由于部分零件對稱，把對稱零件計為1組，作為設計變量時，由于同時改變白車身左右的同一個零件，對白車身的對稱性不會產生影響。整個白車身由187組零件構成，因而，優化時可供選用的設計變量共有187個，考慮到實際操作的可能性及分析效率，需要針對具體的優化目標對這些變量進行篩選。

優化所用的模型是以扭轉剛度分析所用的有限元模型為基礎，同時包含目標函數、設計變量及約束條件等眾多優化信息在內的有限元模型。為減輕白車身質量，滿足輕量化設計要求，降低生產成本，確定白車身質量最小為目標函數。減重的同時，扭轉剛度性能不能降低，因此，以扭轉剛度不低于原有剛度值為約束條件。

3 優化結果及性能驗證

3.1 靈敏度分析結果

靈敏度分析部分結果如表1所示，將所有板件按剛度靈敏度值的大小分成四個區間，各區間板件如圖2所示。

表1 各板件質量靈敏度和剛度靈敏度值

3.2 確定優化方案

結合上述質量靈敏度和剛度靈敏度的分析結果，增厚質量小且對剛度敏感的板件，減薄質量大且對剛度不敏感的板件。由于白車身中碰撞吸能區、能量傳遞區和乘員保護區等部位影響汽車的碰撞性能，在確定優化方案的過程中，這些部位的汽車板件暫不作厚度更改。

在確定零件厚度變化范圍時，只要車身零件的厚度調整適度，相應的加工模具就可以不用改動或只作小改動。根據實際經驗，當板件厚度＜1.5 mm時，板件增厚與減薄最大值分別為0.2 mm與0.1 mm；當板件厚度≥1.5 mm時，板件增厚與減薄最大值均為0.2 mm。

最終確定減薄和增厚的部件如圖3所示，具體參見表2。

表2 白車身結構優化結果對比

3.3 性能驗證

對于長期運行于振動環境中的轎車白車身結構，希望有一個良好的動態特性。車身結構的固有頻率是衡量其動態性能的主要參數，固有頻率越高則表示其動剛度越好，因而，希望白車身的固有頻率在現有基礎上能得到進一步提高。因此，計算優化方案模型的模態和扭轉剛度來進行性能驗證。

白車身結構優化的結果如圖表所示，進行了各種性能的對比。這次優化是在保證扭轉剛度不低于現有水平、正面的碰撞性能不變的情況下進行的輕量化設計。最終白車身的總質量減小了5.8 kg，扭轉剛度和一階扭轉模態均有所提高，說明這次優化設計取得了明顯的效果。

4 結論

（1）通過優化，實現材料在車身上的重新分布，在扭轉剛度和一階扭轉模態略有提高的情況下白車身實現減重5.8 kg。

（2）結構優化設計可以為設計人員提供全新的設計和最優的材料分布方案，尤其在設計早期，可以得到更好的設計基礎和更短的設計周期。

（3）通過靈敏度分析，可以避免結構修改的盲目性，找出對結構性能影響較大的結構參數作為優化的設計變量，對應提高結構性能具有十分重要的意義。

（4）有限元方法在結構設計方面占有很重要的位置，并應該貫穿整個設計和制造的全過程，將有限元方法應用于汽車白車身開發是縮短新型車開發周期、降低產品成本、提高汽車品質的必由之路。

［1］Joseph C.Benedyk.Light Materials in Automotive Applications［J］.Light Metal Age.2000（10）： 34-35.

［2］Opti Struct User's Guide［J］，Altair Engineering，2009.