某重卡白車身輕量化設計研究

淦堅，單長洲，王香廷（安徽江淮汽車股份公司技術中心 車身設計研究院，安徽 合肥 230601）

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某重卡白車身輕量化設計研究

淦堅，單長洲，王香廷
（安徽江淮汽車股份公司技術中心 車身設計研究院，安徽 合肥 230601）

汽車輕量化是汽車企業發展的主要方向，也是一個汽車廠商是否擁有先進技術的主要標志。汽車的輕量化，就是在保證汽車的強度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質量，從而提高汽車的動力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。文章主要介紹了某重卡白車身的輕量化設計方案，結合CAE分析，對相關影響強度、剛度、模態的零件進行結構優化，從而達到實現輕量化的同時又不影響整體性能的效果。

輕量化；CAE分析；有限元；結構優化設計

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.018

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-55-03

1、研究意義

據歐洲鋁協的材料表明，汽車重量每降低100公斤，每百公里可節約0.6升燃油。若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，因此，車身變輕對于整車的燃油經濟性、車輛控制穩定性、碰撞安全性都大有裨益。重型商用車輕量化的更直觀意義在于提高運輸效率，從而達到提高燃油利用率、減少資源消耗的戰略意義。

2、輕量化方案選定

某重卡通過對標桿車的拆解，鈑金材質的檢測、厚度的測量，以及一系列結構優化方案，最終確定了一套完整的白車身結構方案，并制作了白車身數模。但是通過對比分析，白車身的重量高于標桿車約19kg。標桿車是一款國際最先進的重卡之一，其上應用了很多國內目前還未普及的工藝、材質和結構等，這是重量有偏差的直接因素。經過與國際先進設計公司的合作，已及專家的評審建議，最終從兩個方向進行輕量化設計：鈑金料厚減薄、材質升級，增加減重孔。

2.1鈑金料厚減薄、材質升級

標桿車應用了很多國內企標尚未普及的料厚，在前期設計的過程中，把很多冷門的零件料厚提升了一個等級，方案在實施時可以從這些零件入手。方案選定了47個零部件進行料厚減薄、材質升級，如下表1：

表1　鈑金料厚減薄、材質升級統計表

通過對這47個零件的料厚減薄，可實現減重21.09kg。

2.2增加減重孔

增加減重孔選擇的零部件主要是分布在不影響外觀，對整體性能的影響相對較小的區域，其上型面未與別的件有搭接關系，增加減重孔的同時可以進一步提高涂裝工藝電泳的效果。方案選定了8個件增加減重孔，如下表2：

表2　增加減重孔統計表

通過對這8個零件增加減重孔，可實現減重0.192kg。

綜上，減重方案共涉及55個零部件的變動，可以實現減重21.282kg，相比標桿車重量小約3kg，達到預期輕量化的效果。

3、CAE分析

由于上述減重方案設計變動的件較多，其中部分大鈑金件厚度也有所減薄，對整體的性能肯定存在一定影響。通過CAE分析，主要是從白車身的剛度、模態和強度三方面去分析，對比減重前的分析數據，對減重方案進行更加完善的優化設計。

3.1白車身模態分析

白車身進行模態分析，目的是為了了解白車身的模態頻率及振型。根據白車身數模建立有限元分析模型，如圖1所示。鈑金件采用SHELL單元，點焊采用ACM單元模擬，分析使用的軟件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表3　白車身模態分析結果對比

由分析結果可知，白車身減重后數模一階扭轉模態頻率為21.11Hz，一階彎曲模態頻率為47.13Hz，均高于目標值，滿足設計要求。

3.2白車身剛度分析

白車身剛度是影響車身性能的一個重要參數，直接體現車輛承受載荷沖擊的能力，白車身扭轉剛度和彎曲剛度越高，對NVH相關性能越有利。本次分析主要是對減重后數模進行剛度分析，目的是了解其白車身的彎曲、扭轉剛度。根據白車身減重后數模建立有限元分析模型，如圖4所示。鈑金件采用SHELL單元，點焊采用ACM單元模擬，分析使用的軟件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表4　白車身剛度分析結果對比

由分析結果可知，白車身一階彎曲剛度已達標，一階扭轉比未減重狀態減小 4.7%（64783→61728），滿足前期預期目標（-5%）。

3.3駕駛室強度分析

根據駕駛室車架數模建立有限元分析模型，駕駛室總重量約1520kg、車架+標配貨箱總重量約14470kg，評價考察駕駛室的強度。模型約束如圖7所示，工況及目標如表5所示。

表5　工況及目標信息表

不滿足目標的零件如下圖8，白車身減重后模型在五個分析工況下，有2個關鍵部件最小安全系數小于目標值，不滿足要求，如下表6所示。

表6　不合格部件詳細參數對比表

4、結構優化設計

從CAE分析結果來看， 白車身模態已達標；一階彎曲剛度已達標，一階扭轉比未減重狀態減小 4.7%（64783→61728），滿足前期預期目標（-5%）；白車身強度有2個件未達標，左部件5100701左地板出現應力集中的主要原因為焊點布置在特征變化的位置，5100801右地板應力集中出現的區域為型面較為特殊區域，過渡面不圓滑，立面較抖。根據CAE分析結果和CAE分組建議，及各模塊對接評審確認，確定了以下結構優化方案：

5100701左地板應力集中處焊點往 Y負方向移動約20mm；5100801右地板應力集中處型面進行結構更改，兩相交平面進行圓滑過渡處理。如下圖9所示。

將優化后的數模參照上述3.3駕駛室強度分析參數，重新建立模型，進行新一輪的分析，分析結果如下表 7，兩件均已滿足要求。

表7　新一輪強度分析結果對比表

5、結論

零部件的輕量化是汽車輕量化的根本，而對于重型卡車來講，白車身的輕量化更是重中之重。通過對部分鈑金件的料厚和材質進行變動，及增加減重孔，使白車身整體重量減低21.3kg，從而達到輕量化的效果。同時通過有限元分析模型的建立，從駕駛室的模態、剛度和強度三方面進行充分的分析，模態、剛度均已達標，強度分析兩個件不達標，但是通過結構的優化處理，也達到了預期的效果。

[1]許超,趙洪倫,劉凱杰.車體輕量化結構優化設計策略及其實施 .北京：中國鐵道出版社,2013(4).

[2]郭海艷,凌靜,李月紅,靳貴濤.汽車頂蓋部件輕量化的研究 .汽車工藝與材料,2015(10).

[3]魏瑩.汽車輕量化.現代零部件,2008(4)：35-36.

[4]王芊.汽車輕量化是發展方向.科學時報,2006(4).

[5]王滕寧,王建國，王可容.降低汽車重量的途徑.重型汽車，2000 （6）.

A heavy truck lightweight BIW Design

Gan Jian,Shan Changzhou,Wang Xiangting
（Anhui Jianghuai Automobile Co.Technical Center,Body Design and Research Institute,Anhui hefei 230601）

Automotive lightweight is the main direction of auto companies' development,but also it's the sign of a car manufacturers whether it has advanced technology.Light weight vehicles,is in ensuring the strength and safety in the automobile premise,as far as possible to reduce the car's curb weight,thereby enhancing the power of the car,reducing fuel consumption and reduce exhaust pollution.The article describes the design of a heavy truck lightweight BIW,combined with CAE analysis,the relevant impact strength,stiffness,modal components to optimize the structure,so as to achieve weight reduction without compromising the effectiveness of the overall performance.

Lightweight; CAE analysis; Finite Element; Structural Optimization

U463

A

1671-7988（2016）08-55-03

淦堅（1990-），男，車體設計工程師，就職于安徽江淮汽車股份有限公司，從事汽車車體設計。