車身平臺輕量化設(shè)計方法研究

葉寶文，吳純福，陳東，耿富榮

（廣汽研究院，廣東 廣州 510000）

車身平臺輕量化設(shè)計方法研究

葉寶文，吳純福，陳東，耿富榮

（廣汽研究院，廣東 廣州 510000）

文章以某國產(chǎn)車型平臺化開發(fā)時所用的輕量化設(shè)計方法為研究對象，介紹從平臺原型車到同平臺的系列車型開發(fā)過程引入基于特征參數(shù)化概念開發(fā)技術(shù)、結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、幾何形狀優(yōu)化、料厚優(yōu)化、復合材料使用等設(shè)計方法，對比、分析平臺車型進行輕量化設(shè)計前后的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)等性能變化，在滿足車身性能前提下減重，為車身平臺輕量化提供了有效設(shè)計方法。

平臺輕量化；車身平臺；設(shè)計方法

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-42-04

引言

目前國內(nèi)平臺化技術(shù)處于發(fā)展時期，每個主機廠的平臺化方案策略不盡相同，一般而言，主流平臺設(shè)計思路是采用相同關(guān)鍵尺寸鎖定的底盤設(shè)計、相同發(fā)動機布置等配合框架一致的車身結(jié)構(gòu)及布置空間，由原型車衍生出更多類型的平臺車型或通過不同的車身子模塊組合得到滿足高性能要求的車身結(jié)構(gòu)，由于平臺開發(fā)是產(chǎn)品群開發(fā)模式，面對日趨嚴重的能源問題、節(jié)能減排及開發(fā)成本控制，車身平臺輕量化則成為開發(fā)過程中必不可少的關(guān)鍵環(huán)節(jié)之一。

為開發(fā)滿足高性能、高剛度的產(chǎn)品群車身結(jié)構(gòu)，在平臺初期的概念設(shè)計階段就需根據(jù)平臺整車開發(fā)輸入，確定車身平臺的開發(fā)思路、車身平臺拓展性、平臺車身的性能目標定義，通過CAE等先進分析方法對計劃內(nèi)開發(fā)車型進行整體性能優(yōu)化，找到影響平臺車身性能的關(guān)鍵結(jié)構(gòu)，通過有方向性、針對性進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，在平臺開發(fā)過程中從材料輕量化、結(jié)構(gòu)輕量化、架構(gòu)輕量化、料厚等方面進行輕量化設(shè)計，從而使每個平臺車型的性能達到最佳水平和可持續(xù)升級且富有競爭力。

以某國產(chǎn)車型基于同一平臺開發(fā)的某款三廂車和 SUV為例說明平臺車身保證整體性能前提下的輕量化設(shè)計方法：

1 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計

1.1 基于特性參數(shù)化概念框架正向開發(fā)技術(shù)

首先對平臺原型車進行參數(shù)化建模，通過有限元分析軟件Hypermesh、Nastran 、LsDyna的拓撲計算優(yōu)化空間傳遞路徑，對車身梁截面大小、方向、料厚、接頭等特性參數(shù)建立參數(shù)化模型，通過計算找到在滿足車身剛度、模態(tài)等性能要求下的最優(yōu)框架結(jié)構(gòu)和最佳結(jié)構(gòu)參數(shù)，這樣就可以有針對性的指導后續(xù)詳細設(shè)計，通過合理設(shè)計框架的截面大小、采用合理材料料厚及接頭形式讓車身性能及結(jié)構(gòu)最優(yōu)化，這幾個步驟同步進行且相互關(guān)聯(lián)，最終達到平臺車身輕量化設(shè)計的目的。

圖1

1.2 結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化

通過對原型車結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化，找到最優(yōu)傳遞路徑，搭建相同傳遞路徑的平臺架構(gòu)；

圖2

通過拓撲計算得到車身封閉框架結(jié)構(gòu)，由前直縱梁、上邊梁、A柱形成第一個封閉框架；A柱、A柱上邊梁、B柱、門檻梁形成第二個封閉框架；B柱、門檻梁、A柱上邊梁、C柱等形成第三個封閉框架，從而整體形成封閉框架結(jié)構(gòu)，有效提升車身剛度。

如下圖所示，拓撲優(yōu)化后平臺車型采用傳遞路徑一致性的架構(gòu)方案。

圖3

1.3 幾何截面形狀優(yōu)化、料厚優(yōu)化

確定車身主體框架后，對車身架構(gòu)共47個部位的截面大小、方向、料厚等特性設(shè)置參數(shù)，優(yōu)化得到以最小的截面形狀和料厚達到最優(yōu)的彎曲剛度和模態(tài)的目的。

圖4 車身斷面優(yōu)化位置

圖5 A柱邊梁位置的特性參數(shù)優(yōu)化

用分析優(yōu)化軟件Nastran對拓撲后梁架截面面積、形狀、厚料大小等特性設(shè)置靈敏度，如上圖A柱邊梁位置的原始與優(yōu)化后的重心轉(zhuǎn)動慣量I1、I2體現(xiàn)彎曲剛度優(yōu)化方向，J值是扭轉(zhuǎn)常數(shù)，另外面積及料厚變化也影響該位置的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度。

通過優(yōu)化計算可以知道彎曲剛度性能較靈敏的結(jié)構(gòu)依次為（＞5%）：后縱梁Z向高度；門檻Z向高度；B柱Y向?qū)挾?；后縱梁Y向?qū)挾?；A柱下接頭等；

圖6 彎曲剛度靈敏度分析

對扭轉(zhuǎn)剛度性能較靈敏的結(jié)構(gòu)依次為（＞5%） ：后縱梁Z向高度；衣帽架橫梁 Z向高度；衣帽架橫梁 X向?qū)挾?；A柱下接頭等；

圖7 扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析

由以上靈敏度分析可對原型車進行初始方案設(shè)定，對框架形式，截面形狀，料厚，材料替換等作為變量進行參數(shù)優(yōu)化，采用多目標優(yōu)化方法得到以下優(yōu)化方案：

表1

綜上所述，車身結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計后平臺車身減重31.1kg。

2 材料輕量化設(shè)計

在進行上述結(jié)構(gòu)框架拓撲優(yōu)化同時進行車身材料輕量化設(shè)計，目前先進高強度鋼和超高強度鋼，鋁鎂合金，工程塑料、纖維增強復合材料是主流車身平臺的輕量化替代材料。

2.1 高強鋼的應(yīng)用

高強鋼使用中，對車身構(gòu)件在使用過程中可能承受的變形進行分析，得出板厚、強度與性能之間的關(guān)系方程式：

（注：Ps為壓潰強度，AE為壓潰吸能，Pt為壓痕抗力，P為微量變形抗力，σb為抗拉強度，t為板厚，σp為成形構(gòu)件應(yīng)變下的流變應(yīng)力，ED為動負荷設(shè)計彈性模量，n為常數(shù)。）

從各類關(guān)系方程可以看出，除疲勞強度外，其他各性能均正比于板厚和相應(yīng)的材料性能n次方的乘積，因此高強度鋼板能夠大幅增加構(gòu)件的變形抗力，提高能量吸收能力和擴大彈性應(yīng)變區(qū)。高強度鋼板用于車身設(shè)計上，通過減薄零件來減輕質(zhì)量。

平臺車身高強鋼板使用比例說明：車身縱梁、門檻、A、B柱、中通道、座椅橫梁、后地板橫梁等車身框架結(jié)構(gòu)全部采用400Mpa以上高強鋼板，對于A、B柱加強板、內(nèi)門檻等對碰撞、彎扭影響更大的零件采用熱成型鋼板，高強鋼使用比率由原來53%提高至65%，這樣通過提高高強鋼使用比率相對原型車重量減輕9kg。

圖8

2.2 鋁合金、復合材料的應(yīng)用

圖9

另外鋁合金、復合材料的應(yīng)用也是車身輕量化發(fā)展趨勢之一，在平臺車身對鋼制前防撞梁替換為鋁合金防撞梁、前縱梁加強板替換為CBS復合材料減重效果也很明顯。

綜上所述，材料輕量化設(shè)計為平臺車身減重17.2kg。

3 先進制造工藝技術(shù)、連接技術(shù)的輕量化設(shè)計

實現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計的制造工藝技術(shù)主要包括激光拼焊、輥壓成形、高強鋼熱成形、液壓成型等以及結(jié)構(gòu)膠粘接和異種材料鉚接等先進連接技術(shù)，平臺車身主要應(yīng)用了以下先進工藝：

3.1 激光拼焊

激光拼焊指將若干不同材質(zhì)、不同厚度、不同涂層的鋼材、不銹鋼材、鋁合金材等采用激光源進行自動拼合和焊接而形成一塊整體板材、型材、夾芯板等，以滿足零部件對材料性能的不同要求。

在平臺車身上應(yīng)用如前機艙縱梁、B柱內(nèi)板、中通道、門內(nèi)板等對碰撞變形有不同料厚需求的零部件，滿足車身性能前提下減重狀況如下所示：

圖10

3.2 液壓成型

液壓成型是指以管材作為坯料，在管材內(nèi)部施加超高壓液體同時，對管坯的兩端施加軸向推力，進行補料。在兩種外力的共同作用下，管坯材料發(fā)生塑性變形，并最終與模具型腔內(nèi)壁貼合，得到形狀與精度均符合技術(shù)要求的中空零件。

圖11

與沖壓焊接工藝相比，液壓成形技術(shù)和工藝有以下主要優(yōu)點：

1）減少零件和模具數(shù)量，降低模具費用，液壓成形件通常只需要1套模具，而沖壓件大多需要多套模具；

2）提高強度與剛度，尤其是疲勞強度，如液壓成形的散熱器支架，其剛度在垂直方向可提高39%，水平方向可提高50%；

3）節(jié)約材料，減輕重量；

3.3 粘接工藝&鉚粘技術(shù)

粘接技術(shù)是指利用適宜的膠粘劑作為工藝材料，采用適當?shù)慕宇^形式和合理的粘接工藝而達到連接目的的連接技術(shù)，與其他連接方法相比，膠粘連接有其獨特優(yōu)勢：膠粘采用面接觸而非點或線接觸，與點焊及鉚接相比，不易產(chǎn)生應(yīng)力集中，連接強度和剛度以及疲勞強度也相對較高，而且連接范圍廣，能應(yīng)用于輕金屬、鋼材以及不同材料的連接，在車身結(jié)構(gòu)中不易于點焊操作且承受沖擊載荷較小的部位可考慮采用膠粘工藝，例如車身后輪罩優(yōu)化搭接結(jié)構(gòu)后減重0.1kg。

另外由于膠粘的破壞形式為突然性開裂，失效時承受的載荷瞬間將為零，在車身結(jié)構(gòu)應(yīng)用中可能存在安全隱患，故而粘接一般是和鉚接一起形成鉚粘復合連接共同應(yīng)用于車身結(jié)構(gòu)，如捷豹Jaquar XJ 全鋁車身、BMW I3、BMW5、BMW7車身重普遍使用了鉚粘復合連接技術(shù)，由于此次國產(chǎn)車型平臺車身主要以鋼制本體為主，鉚粘技術(shù)可作為后續(xù)平臺升級車型的備選工藝。

綜上所述，采用先進制造工藝技術(shù)、連接技術(shù)的輕量化設(shè)計后車身減重1.6kg。

4 輕量化結(jié)果說明

對平臺原型車進行多目標優(yōu)化計算，滿足車身彎曲剛度（＞18000）、扭轉(zhuǎn)剛度（＞18000）、模態(tài)的目標情況下重量減輕39.9kg（原車重量335kg），輕量化系數(shù)2.97，達到平臺車身設(shè)定的重量目標。

表2

5 總結(jié)

在平臺開發(fā)初期規(guī)劃出平臺的開發(fā)車型，然后對原型車根據(jù)布置方案和框架進行拓撲優(yōu)化，由點、線、梁、截面、接頭、曲面的方式建立基于特征參數(shù)化框架的車身模型，在質(zhì)量最低、剛度性能滿足目標要求前提下，采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料優(yōu)化、先進制造工藝及連接工藝等設(shè)計方法進行車身減重，相對原型車，平臺車型基本減輕 39.9kg,輕量化系數(shù)2.97，達到車身平臺輕量化設(shè)計要求。

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Study on the lightweight design method of body platform

Ye Baowen, Wu Chunfu, Chen Dong, Geng Furong
( Guangzhou automobile research institute, Guangdong Guangzhou 510000 )

In this paper, The lightweight design method based on a domestic vehicle platform development when used as the research object, it is introduced the design method for development process such as the concept of parametric technology,topology optimization, shape optimization, Material thickness optimization,composite materials using etc,The bending stiffness, torsional stiffness and modal performance of the platform were compared and analyzed before and after lightweight design, body weight loss Under the premise of meeting the performance, It provides an effective design method for lightweight body platform.

Platform lightweight; body platform; esign method

U467.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988 (2017)20-42-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.014

葉寶文，（1984-）本科，工程師，主要從事汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方面工作。