基于靈敏度分析的白車身扭轉剛度優化

鄭孟+李陽+郝海舟+張健

摘要： 為提高某量產車型白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度，提出一種基于靈敏度分析的BIW剛度優化方法.深入闡述靈敏度分析原理和車身剛度優化策略，分析該車型車身開發中的37個低成本橫向構件的料厚變化對BIW扭轉剛度的影響.通過對BIW有限元模型的計算和分析，驗證優化策略并對比優化前后的BIW扭轉剛度性能.結果表明該方法以較低成本就可達到車身扭轉剛度的較大提高.

關鍵詞： 汽車； 白車身； 扭轉剛度； 靈敏度優化； 模態； 1階扭轉

中圖分類號： U461.7；U461.91文獻標志碼： B

Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.

Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion

0引言

現代轎車普遍采用承載式車身設計，車身直接承受路面載荷和多工況載荷輸入.白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度是承載式車身的重要力學性能指標[1]，同時也是衡量車身輕量化水平的重要指標.在節約成本的約束下，如何提高BIW整車扭轉剛度并兼顧車身輕量化要求，需要選擇最佳優化對象和優化策略.車身輕量化設計不僅是單純的車身質量減輕，而是車身質量與車身力學性能之間的平衡和取舍，其目標是以較小的質量代價獲得較大程度的車身力學性能提升.

隨著有限元分析技術的發展和提高，各種計算機輔助分析軟件為汽車仿真提供更好的平臺.[25]本文利用HyperWorks軟件的靈敏度分析方法，提出一種基于靈敏度分析的車身扭轉剛度優化策略.對以剛度為約束條件的BIW優化分析，通常以減小或增加板件的厚度來實現.[6]以某量產車型為基礎車型，結合該車型車身開發中的37個橫向構件（相對小成本件），對其料厚變化引起的車身扭轉剛度影響進行分析和研究，以不犧牲其碰撞安全性和低變更設計成本為約束，提升車身扭轉剛度并實現車身輕量化因數優化，最后通過BIW有限元模型對優化結果予以驗證.

1結構靈敏度分析方法

在結構優化設計中，靈敏度分析越來越受重視.通過結構靈敏度分析可以準確計算各設計變量的擾動對系統響應的影響，進而在產品設計和制造中嚴格控制對結構響應影響較大的組件或變量.

承載式車身多為沖壓件焊接而成.某量產三廂轎車車型的BIW主要由300多個沖壓件焊接而成，其整體扭轉剛度與每個零部件的材料、料厚、斷面形式、焊點分布、搭接形式和加強筋布置等有緊密聯系.靈敏度分析技術可以反映結構設計變量或參數對目標或約束函數影響的變化梯度，即明確多個指定零部件對車身設定性能目標的相對靈敏度.優化模型以BIW的扭轉剛度為約束條件，以BIW質量最小為優化目標，對選定的各個零部件的料厚進行優化.[7]

3結束語

提出一種基于靈敏度分析的某量產三廂轎車車型BIW扭轉剛度優化方法，通過結構靈敏度分析找出對扭轉剛度貢獻較大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭轉剛度；同時，對扭轉剛度靈敏度較小且質量基數大的零部件，在不犧牲整車被動安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡優化帶來的白車身質量增加.

結果表明，通過變更靈敏度分析方法篩選出關鍵零部件料厚，用較小的成本實現BIW扭轉剛度的較大提升，同時提高BIW的動態剛度，對改善該車型的BIW靜態剛度和動態剛度具有重要的現實意義.

此優化策略可進一步推廣應用到車身設計開發初期，會因為受到的相對較少的限制而帶來更好的白車身扭轉剛度優化和白車身輕量化效果.

參考文獻：

[1]趙常虎， 余海東， 郭永進. 影響轎車白車身扭轉剛度的關鍵結構研究[J]. 機械設計， 2007， 24（8）： 6668.

[2]楊英， 趙廣耀， 孟凡亮. 某轎車白車身結構靈敏度分析及優化設計[J]. 東北大學學報： 自然科學版， 2008， 29（8）： 11591163.

[3]段月磊， 畢傳興. 基于剛度和模態靈敏度分析的轎車車身輕量化研究[J]. 噪聲與振動控制， 2010， 30（6）： 7982.

[4]榮安琪. 重型卡車駕駛室模態靈敏度分析與結構優化[D]. 吉林大學， 2009.

[5]陳國定， 武力. 轎車白車身結構的相對靈敏度分析[J]. 機械設計， 2007， 24（4）： 2223.

[6]王志亮， 劉波， 馬莎莎， 等. 基于彎曲剛度和扭轉剛度的白車身優化分析[J]. 機械科學與技術， 2008， 27（8）： 10211024.

[7]葉輝， 胡平， 申國澤， 等. 基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優化設計[J]. 農業機械學報， 2010， 41（10）： 1822.

[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.

[9]羅偉，周定陸.白車身扭轉剛度分析與優化[J]. 計算機輔助工程， 2006， 9： 222224.

[10]李亦文. 車身結構模型修改的問題研究[D]. 吉林大學， 2008.

摘要： 為提高某量產車型白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度，提出一種基于靈敏度分析的BIW剛度優化方法.深入闡述靈敏度分析原理和車身剛度優化策略，分析該車型車身開發中的37個低成本橫向構件的料厚變化對BIW扭轉剛度的影響.通過對BIW有限元模型的計算和分析，驗證優化策略并對比優化前后的BIW扭轉剛度性能.結果表明該方法以較低成本就可達到車身扭轉剛度的較大提高.

關鍵詞： 汽車； 白車身； 扭轉剛度； 靈敏度優化； 模態； 1階扭轉

中圖分類號： U461.7；U461.91文獻標志碼： B

Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.

Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion

0引言

現代轎車普遍采用承載式車身設計，車身直接承受路面載荷和多工況載荷輸入.白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度是承載式車身的重要力學性能指標[1]，同時也是衡量車身輕量化水平的重要指標.在節約成本的約束下，如何提高BIW整車扭轉剛度并兼顧車身輕量化要求，需要選擇最佳優化對象和優化策略.車身輕量化設計不僅是單純的車身質量減輕，而是車身質量與車身力學性能之間的平衡和取舍，其目標是以較小的質量代價獲得較大程度的車身力學性能提升.

隨著有限元分析技術的發展和提高，各種計算機輔助分析軟件為汽車仿真提供更好的平臺.[25]本文利用HyperWorks軟件的靈敏度分析方法，提出一種基于靈敏度分析的車身扭轉剛度優化策略.對以剛度為約束條件的BIW優化分析，通常以減小或增加板件的厚度來實現.[6]以某量產車型為基礎車型，結合該車型車身開發中的37個橫向構件（相對小成本件），對其料厚變化引起的車身扭轉剛度影響進行分析和研究，以不犧牲其碰撞安全性和低變更設計成本為約束，提升車身扭轉剛度并實現車身輕量化因數優化，最后通過BIW有限元模型對優化結果予以驗證.

1結構靈敏度分析方法

在結構優化設計中，靈敏度分析越來越受重視.通過結構靈敏度分析可以準確計算各設計變量的擾動對系統響應的影響，進而在產品設計和制造中嚴格控制對結構響應影響較大的組件或變量.

承載式車身多為沖壓件焊接而成.某量產三廂轎車車型的BIW主要由300多個沖壓件焊接而成，其整體扭轉剛度與每個零部件的材料、料厚、斷面形式、焊點分布、搭接形式和加強筋布置等有緊密聯系.靈敏度分析技術可以反映結構設計變量或參數對目標或約束函數影響的變化梯度，即明確多個指定零部件對車身設定性能目標的相對靈敏度.優化模型以BIW的扭轉剛度為約束條件，以BIW質量最小為優化目標，對選定的各個零部件的料厚進行優化.[7]

3結束語

提出一種基于靈敏度分析的某量產三廂轎車車型BIW扭轉剛度優化方法，通過結構靈敏度分析找出對扭轉剛度貢獻較大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭轉剛度；同時，對扭轉剛度靈敏度較小且質量基數大的零部件，在不犧牲整車被動安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡優化帶來的白車身質量增加.

結果表明，通過變更靈敏度分析方法篩選出關鍵零部件料厚，用較小的成本實現BIW扭轉剛度的較大提升，同時提高BIW的動態剛度，對改善該車型的BIW靜態剛度和動態剛度具有重要的現實意義.

此優化策略可進一步推廣應用到車身設計開發初期，會因為受到的相對較少的限制而帶來更好的白車身扭轉剛度優化和白車身輕量化效果.

參考文獻：

[1]趙常虎， 余海東， 郭永進. 影響轎車白車身扭轉剛度的關鍵結構研究[J]. 機械設計， 2007， 24（8）： 6668.

[2]楊英， 趙廣耀， 孟凡亮. 某轎車白車身結構靈敏度分析及優化設計[J]. 東北大學學報： 自然科學版， 2008， 29（8）： 11591163.

[3]段月磊， 畢傳興. 基于剛度和模態靈敏度分析的轎車車身輕量化研究[J]. 噪聲與振動控制， 2010， 30（6）： 7982.

[4]榮安琪. 重型卡車駕駛室模態靈敏度分析與結構優化[D]. 吉林大學， 2009.

[5]陳國定， 武力. 轎車白車身結構的相對靈敏度分析[J]. 機械設計， 2007， 24（4）： 2223.

[6]王志亮， 劉波， 馬莎莎， 等. 基于彎曲剛度和扭轉剛度的白車身優化分析[J]. 機械科學與技術， 2008， 27（8）： 10211024.

[7]葉輝， 胡平， 申國澤， 等. 基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優化設計[J]. 農業機械學報， 2010， 41（10）： 1822.

[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.

[9]羅偉，周定陸.白車身扭轉剛度分析與優化[J]. 計算機輔助工程， 2006， 9： 222224.

[10]李亦文. 車身結構模型修改的問題研究[D]. 吉林大學， 2008.

摘要： 為提高某量產車型白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度，提出一種基于靈敏度分析的BIW剛度優化方法.深入闡述靈敏度分析原理和車身剛度優化策略，分析該車型車身開發中的37個低成本橫向構件的料厚變化對BIW扭轉剛度的影響.通過對BIW有限元模型的計算和分析，驗證優化策略并對比優化前后的BIW扭轉剛度性能.結果表明該方法以較低成本就可達到車身扭轉剛度的較大提高.

關鍵詞： 汽車； 白車身； 扭轉剛度； 靈敏度優化； 模態； 1階扭轉

中圖分類號： U461.7；U461.91文獻標志碼： B

Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.

Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion

0引言

現代轎車普遍采用承載式車身設計，車身直接承受路面載荷和多工況載荷輸入.白車身（Body in White，BIW）扭轉剛度是承載式車身的重要力學性能指標[1]，同時也是衡量車身輕量化水平的重要指標.在節約成本的約束下，如何提高BIW整車扭轉剛度并兼顧車身輕量化要求，需要選擇最佳優化對象和優化策略.車身輕量化設計不僅是單純的車身質量減輕，而是車身質量與車身力學性能之間的平衡和取舍，其目標是以較小的質量代價獲得較大程度的車身力學性能提升.

隨著有限元分析技術的發展和提高，各種計算機輔助分析軟件為汽車仿真提供更好的平臺.[25]本文利用HyperWorks軟件的靈敏度分析方法，提出一種基于靈敏度分析的車身扭轉剛度優化策略.對以剛度為約束條件的BIW優化分析，通常以減小或增加板件的厚度來實現.[6]以某量產車型為基礎車型，結合該車型車身開發中的37個橫向構件（相對小成本件），對其料厚變化引起的車身扭轉剛度影響進行分析和研究，以不犧牲其碰撞安全性和低變更設計成本為約束，提升車身扭轉剛度并實現車身輕量化因數優化，最后通過BIW有限元模型對優化結果予以驗證.

1結構靈敏度分析方法

在結構優化設計中，靈敏度分析越來越受重視.通過結構靈敏度分析可以準確計算各設計變量的擾動對系統響應的影響，進而在產品設計和制造中嚴格控制對結構響應影響較大的組件或變量.

承載式車身多為沖壓件焊接而成.某量產三廂轎車車型的BIW主要由300多個沖壓件焊接而成，其整體扭轉剛度與每個零部件的材料、料厚、斷面形式、焊點分布、搭接形式和加強筋布置等有緊密聯系.靈敏度分析技術可以反映結構設計變量或參數對目標或約束函數影響的變化梯度，即明確多個指定零部件對車身設定性能目標的相對靈敏度.優化模型以BIW的扭轉剛度為約束條件，以BIW質量最小為優化目標，對選定的各個零部件的料厚進行優化.[7]

3結束語

提出一種基于靈敏度分析的某量產三廂轎車車型BIW扭轉剛度優化方法，通過結構靈敏度分析找出對扭轉剛度貢獻較大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭轉剛度；同時，對扭轉剛度靈敏度較小且質量基數大的零部件，在不犧牲整車被動安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡優化帶來的白車身質量增加.

結果表明，通過變更靈敏度分析方法篩選出關鍵零部件料厚，用較小的成本實現BIW扭轉剛度的較大提升，同時提高BIW的動態剛度，對改善該車型的BIW靜態剛度和動態剛度具有重要的現實意義.

此優化策略可進一步推廣應用到車身設計開發初期，會因為受到的相對較少的限制而帶來更好的白車身扭轉剛度優化和白車身輕量化效果.

參考文獻：

[1]趙常虎， 余海東， 郭永進. 影響轎車白車身扭轉剛度的關鍵結構研究[J]. 機械設計， 2007， 24（8）： 6668.

[2]楊英， 趙廣耀， 孟凡亮. 某轎車白車身結構靈敏度分析及優化設計[J]. 東北大學學報： 自然科學版， 2008， 29（8）： 11591163.

[3]段月磊， 畢傳興. 基于剛度和模態靈敏度分析的轎車車身輕量化研究[J]. 噪聲與振動控制， 2010， 30（6）： 7982.

[4]榮安琪. 重型卡車駕駛室模態靈敏度分析與結構優化[D]. 吉林大學， 2009.

[5]陳國定， 武力. 轎車白車身結構的相對靈敏度分析[J]. 機械設計， 2007， 24（4）： 2223.

[6]王志亮， 劉波， 馬莎莎， 等. 基于彎曲剛度和扭轉剛度的白車身優化分析[J]. 機械科學與技術， 2008， 27（8）： 10211024.

[7]葉輝， 胡平， 申國澤， 等. 基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優化設計[J]. 農業機械學報， 2010， 41（10）： 1822.

[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.

[9]羅偉，周定陸.白車身扭轉剛度分析與優化[J]. 計算機輔助工程， 2006， 9： 222224.

[10]李亦文. 車身結構模型修改的問題研究[D]. 吉林大學， 2008.