基于靈敏度分析的MPV白車身輕量化優(yōu)化研究

江想蓮 王子劍 王定虎

摘 要：為使白車身結(jié)構(gòu)輕量化，以降低整車質(zhì)量，本文以某MPV的白車身作為研究對象，首先建白車身有限元模型，計算車身彎曲扭、轉(zhuǎn)剛度對車身的料厚的靈敏度分析，結(jié)合靈敏度系數(shù)對車身輕量化優(yōu)化設計，并進行剛度和碰撞性能分析驗證，經(jīng)驗證滿足目標要求。本次研究結(jié)果對車身輕量化優(yōu)化具有重大指導意義。

關鍵詞：靈敏度；輕量化；剛度

隨著越來越多的消費者購買汽車，改善人們生活水平的同時，其燃油、排放也為能源供給、環(huán)境保護和道路交通安全也帶來巨大壓力。因此節(jié)能減排也成為汽車工業(yè)面臨的一個重大挑戰(zhàn)。汽車的輕量化也成為實現(xiàn)節(jié)能減排的一個重要手段，有試驗表明，汽車質(zhì)量沒減輕10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，同時可直接提高汽車的比功率，使得汽車的動力性能提高，因此汽車輕量化技術對降低油耗、減少排放的起著至關重要的作用[1]。

目前汽車輕量化技術已經(jīng)成為汽車工業(yè)界的研究熱點，汽車輕量化是指在保證汽車原有的行駛安全、結(jié)構(gòu)強度、舒適性等性能不降低，汽車造價不被提高的前提下，有效地減輕汽車的重量；主要采取材料輕量化和結(jié)構(gòu)輕量化兩種方式實現(xiàn)汽車的輕量化目標[2]。本文則采用結(jié)構(gòu)輕量化方式對白車身主要結(jié)構(gòu)的料厚進行輕量化優(yōu)化，結(jié)合彎扭剛度對結(jié)構(gòu)料厚對的靈敏度實現(xiàn)對白車身高效的輕量化優(yōu)化。

1 車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析

1.1 靈敏度分析基本理論

靈敏度是優(yōu)化設計中某個設計變量的變化對系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)特性的影響程度，即結(jié)構(gòu)性能參數(shù)Ti對設計參數(shù)Xi變化的敏感性，可表示為[3]：

在有限元線性靜態(tài)的優(yōu)化分析中，約束和目標函數(shù)均可能為靜力平衡方程位移解的響應，由于彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的載荷F均為常量，因此目標函數(shù)或約束等有關節(jié)點位移函數(shù)的性能參數(shù)對設計變量的靈敏度可表示為下式[4]，其中T表示為結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，d表示為性能參數(shù)相關的節(jié)點位移，x表示為結(jié)構(gòu)變量：

1.2 變量的設定

本次分析以白車身為研究對象，同時兼顧整車強度以及抗撞性要求，前機艙的主要梁架件均未參與本次靈敏度分析，主要選取結(jié)構(gòu)料厚偏大的結(jié)構(gòu)件設計為變量，主要包括有側(cè)圍內(nèi)外板總成、前后地板總成以及部分前壁板組件，本次參與料后靈敏度優(yōu)化結(jié)構(gòu)件共有143個。

1.3 約束和目標函數(shù)的確定

為減輕白車身質(zhì)量，滿足輕量化設計要求，降低成產(chǎn)成本，確定白車身質(zhì)量為目標函數(shù)，并保證彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度在+5%到-5%范圍內(nèi)變化，確定以彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束條件。

1.4 彎曲扭轉(zhuǎn)剛對料厚靈敏度分析

利用靈敏度分析方法，找出對彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度影響顯著的零部件，對于靈敏度系數(shù)較小的零件綜合考慮碰撞、疲勞和輕量化等性能要求，減薄其料厚以達到輕量化目的。本次白車身對鈑金料厚靈敏度系數(shù)分布結(jié)果如下圖1所示。

結(jié)合上述分析結(jié)果，在靈敏度系數(shù)中選取彎曲剛度靈敏度系數(shù)小于0.1%，扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度系數(shù)小于0.5%的結(jié)構(gòu)件進一步進行料厚減薄驗證分析共56個零件。

2 白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案

根據(jù)分析結(jié)果且綜合碰撞、疲勞、振動、安裝功能等性能要求篩選出31個零件，如下圖2所示，結(jié)合對標經(jīng)驗及板材選取原則將這31個零件減薄處理，減薄方案如下列表1。

3 性能驗證

白車身減重前質(zhì)量為398.8kg，本次減薄方案使得車身質(zhì)量下降5.9kg，滿足本次減重目標5kg，對減重后的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度進行驗證性分析，得出彎曲剛度值由10127.4N/mm下降至9791.8N/mm，較比原數(shù)據(jù)下降3.31%，扭轉(zhuǎn)剛度值由735.0 KN.m/rad下降至713.8KN.m/rad，較比原數(shù)據(jù)下降289%，均滿足前期剛度下降3%以內(nèi)的目標定義。

由于本次減重件中部分可能影響整車正面和后面抗撞性，因此需要對車輛100%正面碰撞和后碰進行驗證性分析，經(jīng)過驗證縱梁前段支撐板Ⅱ的刪除致使正面碰撞加速度值超出目標值，對于該件輕量化處理恢復原有的狀態(tài)，最終驗證100%正面和后碰碰撞結(jié)果如下表圖所示，表2分析結(jié)果顯示100%正面碰撞的加速度稍有提高均在設計目標范圍之內(nèi)，前門壓縮量、前圍板侵入量、三踏板的入侵量及轉(zhuǎn)向管柱侵入量等均稍有提高且符合設計要求；乘員艙的地板縱梁、A柱、門檻未發(fā)生彎折變形，見圖3。表3和圖4結(jié)果顯示，車輛在后面碰撞過程中，縱梁整體變形較小，變形合理；油箱沒有與其它部件接觸碰撞，塑性變形最大值為0.072，小于極限值0.2，滿足設計要求。

本次優(yōu)化方案除縱梁前段支撐板Ⅱ外共19個件經(jīng)過剛度和抗撞性驗證均滿足預定目標，最終達到減重5.22kg，為后期輕量化設計提供直接指導意見。

4 結(jié)論

（1）通過剛度靈敏度分析方法，能較為穩(wěn)定、客觀、高效對車身結(jié)構(gòu)進行輕量化，可以避免以往僅依靠經(jīng)驗的盲目性。

（2）采用剛度靈敏度分析，對車身結(jié)構(gòu)件進行減薄優(yōu)化，并對減重后模型進行了剛度和碰撞性能驗證，保證其性能均在目標范圍內(nèi)，最終質(zhì)量減輕5.22kg。

（3）靈敏度分析法可為設計提供較優(yōu)的材料分布方案，尤其是在設計早期，可以獲得到更好設計基礎，，降低設計成本以及減小設計周期。

參考文獻：

[1]Bendyk J.Light Metal in Automotive Applications[J].Light Metal Age，2000，58（10）：34-35.

[2]繆增華，蔡華國，張劍，等.基于料厚靈敏度的轎車車身剛度優(yōu)化[J]，Altair 2013技術大會論文.

[3]楊萬慶.基于靈敏度分析的白車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計，大眾汽車，2014-8，20（8）.

[4]翟曉彬，何志剛，張敏中，等.城市客車車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及優(yōu)化，機械設計與制造，2007-1，1.