基于靈敏度方法的白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升研究

王小留

（上海汽車集團(tuán)股份有限公司乘用車公司技術(shù)中心，上海 201804）

前言

隨著汽車的發(fā)展，汽車已經(jīng)不僅僅是一個代步工具，人們對汽車的性能以及安全舒適性提出越來越高的要求。白車身扭轉(zhuǎn)剛度是整車剛度的基礎(chǔ)，其對整車的 NVH性能，碰撞安全性能都有著直接的關(guān)系。整車剛度不足，會導(dǎo)致整車的模態(tài)頻率偏低，從而會導(dǎo)致汽車在行駛過程中容易因外界的低頻激勵引起共振，產(chǎn)生大幅度的振動與噪音。整車剛度不足也會導(dǎo)致汽車在行駛過程中產(chǎn)生大的變形，所以提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度對整車性能具有重要意義。

白車身扭轉(zhuǎn)剛度的高低主要受車身結(jié)構(gòu)、型腔斷面和材料厚度的影響。一般情況下，優(yōu)先通過優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面來提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。而往往車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面受造型風(fēng)格，人機(jī)布置等限制，有時某些車型在造型風(fēng)格和人機(jī)布置上會嚴(yán)重限制車身結(jié)構(gòu)形式和型腔斷面的大小，這些車型往往在優(yōu)化完車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面的情況下，白車身扭轉(zhuǎn)剛度往往難以滿足整車的性能要求，這時需要通過采用新材料新工藝或通過合理增加材料厚度的方式來提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，本文主要介紹后者，即通過重量靈敏度分析的方法，合理分配和改變材料料厚來高效提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。

1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度仿真方法

白車身扭轉(zhuǎn)剛度仿真方法是通過約束白車身的后端，下圖1所示，在白車身前端的減震塔處施加扭轉(zhuǎn)載荷進(jìn)行評估。不同的地方在于，不同的企業(yè)在約束加載位置和測試所包含的零件上略有不同。

圖1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度約束和加載示意圖

2 重量靈敏度分析法

靈敏度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：高靈敏板件、低靈敏板件和負(fù)靈敏板件。適當(dāng)加厚高靈敏板件、減薄不靈敏板件和負(fù)靈敏板件，可以實(shí)現(xiàn)白車身的性能改進(jìn)和輕量化設(shè)計(jì)（1）。

靈敏度分析是通過計(jì)算機(jī)批量求解，通過批量設(shè)置每個零件厚度變化，求解每個零件厚度變化帶來的車身性能變化。車身性能指標(biāo)有模態(tài)、剛度和強(qiáng)度等，本文中車身性能只討論白車身扭轉(zhuǎn)剛度。當(dāng)白車身模型中零件厚度為 T（單位：mm）時的白車身扭轉(zhuǎn)剛度為KT（單位：Nm/°），在軟件中設(shè)置零件厚度變化量△T（單位：mm），算出白車身模型中零件厚度為（T+△T）時對應(yīng)的白車身扭轉(zhuǎn)剛度（KT+△KT），把白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT與零件厚度變化量△T之比定義為厚度靈敏度的話，那么厚度靈敏度表示單位厚度變化引起的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量。如果用零件的厚度靈敏度來衡量零件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)的話，該值很容易受到零件大小的影響，大的零件由于覆蓋的面積廣，零件質(zhì)量大，料厚改變時往往對白車身扭轉(zhuǎn)剛度值影響很大，但同時也會增加很多重量。為了排除零件大小的影響，更加合理的評估零件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)，引入重量靈敏度的定義：即在零件CAD模型中算出零件厚度變化量△T所引起的零件重量的變化量△M（單位：Kg），把白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT與零件重量的變化量△M 之比△KT/△M定義為重量靈敏度，它表示單位重量變化引起的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量，用KT'表示。某個零件的重量靈敏度KT'的值越大，說明在增加同等重量的前提下，該件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升貢獻(xiàn)值越大。在車身結(jié)構(gòu)一定的情況下，如果要通過合理分配零件料厚來提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度，那么分配零件料厚的原則是對重量靈敏度 KT'值高的零件進(jìn)行加厚，對重量靈敏度 KT'值低的零件進(jìn)行減薄。通過重量靈敏度分析的方法可以指導(dǎo)白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升的設(shè)計(jì)和白車身的輕量化設(shè)計(jì)。

3 某車型設(shè)計(jì)分析

下圖2為某車型后部區(qū)域結(jié)構(gòu)，因設(shè)計(jì)需要，沒有衣帽架處環(huán)狀結(jié)構(gòu)，且由于受造型和布置限制，導(dǎo)致尾門洞上部區(qū)域型腔斷面被壓縮到極限狀態(tài)，當(dāng)車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面優(yōu)化結(jié)束后，該車型的白車身扭轉(zhuǎn)剛度為17640 Nm/°，仍然不滿足項(xiàng)目上定義的目標(biāo)要求18500 Nm/°。基于這個現(xiàn)狀，結(jié)合重量靈敏度分析，考慮通過合理分配零件材料厚度以達(dá)到合理提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度的目的。

圖2 某車型斷面受限示意圖

在車身結(jié)構(gòu)和型腔優(yōu)化結(jié)束后的白車身模型中，批量設(shè)置每個零件（僅設(shè)置上車身的零件，下車身的零件為架構(gòu)沿用件）的厚度變化量△T為 0.1mm，求解出每個零件厚度變化 0.1mm時所帶來的白車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化量△KT，再算出每個零件厚度變化量0.1mm所對應(yīng)的重量變化量△M，根據(jù)重量靈敏度的定義 KT'=△KT/△M，從而能得到每個零件在當(dāng)前料厚下重量靈敏度，重量靈敏度值排名前十的零件如下圖3所示，從零件分布可以看出重量靈敏度值高的零件都分布在尾門洞區(qū)域，提升尾門洞區(qū)域的這些零件料厚可以有效提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。

圖3 某車型重量靈敏度值排名前十的零件示意圖

表1 重量靈敏度值信息表

對重量靈敏度排名前十的零件進(jìn)行編號，分別命名為 1號零件、2號零件、3號零件……10號零件，表1是這10個零件的料厚增加0.1mm時對應(yīng)的重量變化量△M，白車身扭轉(zhuǎn)剛度變化量△KT，及其對應(yīng)的重量靈敏度KT'值。

從上表可以看出，如果對排名前十的零件都進(jìn)行增厚，每個零件都增厚 0.1mm的話，那么整個白車身將增重0.727kg*2（左右對稱件），而白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升 220 Nm/°*2，仍然沒有達(dá)到該車型對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的要求 18500 Nm/°。通過這種簡單直接加厚的方法，雖然白車身扭轉(zhuǎn)剛度得到相對明顯的提升，但是增加的重量是不是最少，也就是這種方法是不是相對合理，需要繼續(xù)探討。根據(jù)重量靈敏度的定義，給零件分配料厚的原則是對重量靈敏度 KT＇值高的零件進(jìn)行加厚，顯然如果零件的重量靈敏度值隨著料厚變化不變的話，那么只需對1號增重2kg，就能把白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到18500 Nm/°，如果零件的重量靈敏度值隨著料厚變化而會發(fā)生變化的話，那么每次零件增厚后，則需要重新尋找重量靈敏度值最高的零件，并對其加厚，以此類推，直到把白車身扭轉(zhuǎn)剛度提升到目標(biāo)值。

4 試驗(yàn)設(shè)計(jì)

為了弄清楚重量靈敏度KT'與零件料厚T之間的關(guān)系，當(dāng)某個零件自身料厚增厚后，一方面要研究該零件自身的重量靈敏度的變化，另一方要研究該零件增厚后對周邊零件的重量靈敏度的影響。我們選取重量靈敏度排名前四的零件進(jìn)行增厚，如果每對一個零件增厚0.1mm就計(jì)算一次重量靈敏度的話，四個零件每個零件都增厚0.6mm，那么計(jì)算機(jī)將要進(jìn)行24次的批量計(jì)算，為了節(jié)約計(jì)算機(jī)資源，減少計(jì)算次數(shù)，對重量靈敏度排名前四的零件同時增厚 0.1mm，研究這四個件增厚后自身的重量靈敏度的變化以及這四個件增厚后對其余六個未增厚零件的重量靈敏度的影響，為了重點(diǎn)研究重量靈敏度值高的零件，同時規(guī)定，當(dāng)某個零件的重量靈敏度值低于250 Nm/（°*Kg）時，則該件在下一輪的計(jì)算中不進(jìn)行加厚。計(jì)算得出的重量靈敏度KT'及其對應(yīng)的料厚見表2。

表2 重量靈敏度KT＇及其對應(yīng)的料厚

5 重量靈敏度與零件料厚的關(guān)系

從表2中我們先分析未加厚的5-10號零件的重量靈敏度的變化情況，從表中不難看出當(dāng)其余四個零件的料厚在增加時，該六個件的重量靈敏度基本保持不變，其變化規(guī)律如表3，總結(jié)出規(guī)律為：當(dāng)某一零件料厚 T保持不變時，隨著周邊零件料厚的增加，其重量靈敏度 KT'基本維持不變，也就是周邊零件料厚T變化對其重量靈敏度KT'影響很小。

表3 5-6號零件重量靈敏度變化曲線

再分析四個增厚零件重量靈敏度的變化情況，可以看出4號零件當(dāng)料厚只提升了0.1mm，其重量靈敏度急劇下降，其值就低于 250 Nm/（°*Kg），3號件料厚從 1.0mm 加到1.3mm時其重量靈敏度值也低于250 Nm/（°*Kg）。該四個件的變化規(guī)律如下表4所示，總結(jié)規(guī)律為：隨著零件自身料厚的增加，其重量靈敏度KT＇呈逐漸變小的趨勢，且基本呈線性變化，不同的零件其變化的趨勢略有不同。

表4 1-4號零件重量靈敏度變化曲線

6 設(shè)計(jì)優(yōu)化

根據(jù)第5節(jié)得到的重量靈敏度和料厚的關(guān)系我們知道，在車身結(jié)構(gòu)不變的情況下，重量靈敏度 KT'與其他周邊零件料厚變化基本無關(guān)，只與其自身料厚T變化相關(guān)，并基本成線性關(guān)系。根據(jù)這個規(guī)律我們前后只需選取兩組不同料厚的組合，批量計(jì)算2次零件的重量靈敏度，然后可以采用差值法推算出中間各個料厚的重量靈敏度值。為便于理解，我們舉個例子加以說明，我們選取1-6號零件用差值法算每個料厚的重量靈敏度值，具體步驟如下：

第一步：計(jì)算出1-6號零件當(dāng)前料厚下的重量靈敏度KT'值，料厚T和重量靈敏度KT'見表5中的“Case1”列；

第二步：計(jì)算出1-6號零件另一組料厚下的重量靈敏度KT'值，料厚T和重量靈敏度KT'見表5中的“Case2”列；

第三步：根據(jù)線性規(guī)律推算出Case1與Case2之間的料厚對應(yīng)的重量靈敏度 KT'值，見表中“推算過程”列，從而得到六個零件不同料厚所對應(yīng)的重量靈敏度KT'值。

第四步：根據(jù)重量靈敏度 KT'的大小排名，在提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度時，依次選取重量靈敏度 KT'值高的零件進(jìn)行增厚。

優(yōu)化后的差值法，最大的優(yōu)勢是前后只需要兩次批量計(jì)算零件的重量靈敏度 KT'值，減少了計(jì)算次數(shù)，加快了優(yōu)化過程，節(jié)省了計(jì)算資源。

表5 用差值法計(jì)算各個零件不同料厚的KT'

7 總結(jié)

本文基于某車型，在車身結(jié)構(gòu)和型腔斷面優(yōu)化結(jié)束后，該車型的白車身扭轉(zhuǎn)剛度仍不達(dá)標(biāo)的情況下，采用重量靈敏度分析的方法，研究了如何快速合理分配料厚來提升白車身扭轉(zhuǎn)剛度。總結(jié)了兩條重量靈敏度 KT'與零件料厚的關(guān)系規(guī)律：

（1）規(guī)律一，當(dāng)某一零件料厚 T保持不變時，隨著周邊零件料厚的增加，其重量靈敏度 KT'基本維持不變，也就是周邊零件料厚T變化對其重量靈敏度KT'影響很小；

（2）規(guī)律二，隨著零件自身料厚的增加，其重量靈敏度KT'呈逐漸變小的趨勢, 且基本呈線性變化，不同的零件其變化的趨勢略有不同。

根據(jù)重量靈敏度 KT'與零件料厚的關(guān)系規(guī)律，采用差值法推算每個零件不同料厚下的重量靈敏度 KT'的話只需批量計(jì)算兩次，加快了優(yōu)化過程，節(jié)省了計(jì)算資源。

這種基于重量靈敏度分析的方法，不僅可以用于白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升優(yōu)化，對模態(tài)的提升優(yōu)化也同樣有效。該方法在設(shè)計(jì)開發(fā)過程中對零件料厚優(yōu)化及減重設(shè)計(jì)具有一定的指導(dǎo)意義。

參考文獻(xiàn)

[1] 基于白車身模態(tài)結(jié)果的靈敏度分析.汽車NVH仿真.

[2] 周杰梁.白車身結(jié)構(gòu)測試仿真及優(yōu)化.上汽安全與CAE技術(shù)[J].