基于白車身靜剛度優化車身輕量化研究

岳濤 汪小朋 陳樂強

摘 要：文章基于車身輕量化項目，從白車身靜剛度的角度出發，運用CAE方法對輕量化的方案進行優化分析，找出合適的輕量化方案。

關鍵詞：輕量化；車身；CAE

中圖分類號：U467 文獻標識碼：B 文章編號：1671-7988（2018）12-54-02

Abstract： This paper was written based on Lightweight-project， CAE-technology was used to find suitable the best Lightweight-method， from the point of body-in-white static stiffness optimization.

Keywords： Lightweight； body-in-white； CAE

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-54-02

引言

據研究資料顯示，若汽車整車重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽車整備質量，每減少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6升，汽車重量降低1%，油耗可降低0.7%。

目前國內外汽車輕量化技術發展迅速，主要的輕量化措施是輕量化的結構設計和分析，以及輕質材料在汽車上的應用，包括鋁、鎂、高強度鋼、復合材料、塑料等。其中結構設計方面，一般是通過更優化的設計，來減小車身骨架及車身鋼板的質量，同時對車身強度和剛度進行校核，以確保汽車在滿足性能的前提下減重。

白車身靜剛度主要包括靜態抗彎曲剛度和靜態抗扭轉剛度。車身的抗彎剛度和抗扭剛度在很大程度上決定著車身的品質。經受很大變形的柔性車身殼體，如果其抗扭剛度不夠的話，則將不能以應有的方式承受彎曲的作用，因此，良好的車身應當具有剛性殼體。車身是轎車的關鍵總成。車身結構必須具有足夠的剛度以保證其裝配和使用要求。

本文從車身剛度的角度出發，運用CAE方法，結合結構膠新技術，對車身輕量化進行研究。

1 有限元分析技術及使用軟件簡介

隨著計算機技術和數值分析理論的發展，CAE技術在現代汽車產品設計中扮演著越來越重要的角色，幾乎貫穿了汽車設計的全過程，它是計算機技術和工程分析技術相結合形成的新興技術。

MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一個大型結構有限元分析軟件，主要的分析功能有：靜力學分析、屈曲分析、動力學分析、熱分析、空氣動力學彈性及顫振分析、流固耦合分析、多級超單元分析、高級對稱分析等，本文主用運用Nastran對車身靜剛度進行分析。

2 某款轎車車身輕量化研究

根據輕量化項目要求，車身需要在不改變結構的情況下進行減重，減重后白車身的靜剛度維持減重前的水平。

2.1 現狀態車身靜剛度分析

在減重方案制作之前，需要對現狀態的白車身靜剛度進行性能摸底，按照項目要求，減重前的白車身靜剛度作為減重方案的設計目標。

沿左右縱梁布置位移測點，考察白車身在彎曲工況和扭轉工況下車身靜剛度。分析結果如下所示：

現狀態白車身靜剛度分析結果如下所示：

2.2 減重方案車身靜剛度分析

按照要求，對車身進行減重，減重方案如下所示：

包括側圍、頂棚、中央通道等比較大的件均進行了減薄處理，減重方案白車身靜剛度分析結果如下表所示：

從分析結果上看，減重方案對白車身靜剛度影響較大，扭轉剛度下降了7.68%，彎曲剛度下降了9.81%，不能滿足項目減重后車身剛度保持原先水平的要求，需要對減重方案進行優化。

2.3 車身減重方案優化

按照項目要求，不能對車身進行結構的改動，只能在鈑金的厚度上做優化，但是增加鈑金的厚度以達到車身剛度提升的方法有悖于項目減重的初衷，因此需要在減重方案的基礎上引進新的技術方案。

結構膠是近來新興的一種技術，結構膠強度高、抗剝離、耐沖擊、施工工藝簡便。用于金屬、陶瓷、塑料、橡膠、木材等同種材料或者不同種材料之間的粘接。可部分代替焊接、鉚接、螺栓連接等傳統連接形式。結合面應力分布均勻，對零件無熱影響和變形。

在車身連接薄弱的位置填加結構膠增強部件之間的連接，可有效的提升車身剛度，而且結構膠的質量很小，不會對車身質量造成很大的影響。

根據分結果，在車身較弱的位置填加結構膠進行分析。根據分析結果填加的結構架如下圖所示：

對優化方案進行白車身靜剛度分析，分析結果如下所示：

從分析結果上看，優化方案的分析結果扭轉剛度不但達到設計要求，而且還提升了4.4%，彎曲剛度有0.8%的下降，可以接受。從提供的結構膠材料參數來看，重量僅增加了0.141kg。

3 結論

汽車輕量化是現在和未來汽車發展的一個重要課題，在輕量化的同時，車身剛度不能有很大的變化，因此在制作方案的階段需要對方案的影響進行預測，CAE則是進行預測分析的最佳工具。

本文運用CAE方法從白車身靜剛度的角度對車身輕量化進行分析，并在減重方案的基礎上采用結構膠的方法對車身剛度進行優化，最終達到設計要求。

參考文獻

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[2] 龐劍，諶剛，何華.汽車噪聲與振動-理論與應用[M].北京：北京理工大學出版社，2006：280-282.