汽車車身輕量化設計方法探析

李云

摘 要：車身輕量化是當前汽車車身設計與發展的必然趨勢，先進技術為車身輕量化提供了可能。然而，輕量化設計必須全面考慮汽車車身材質、汽車車身的靈敏性和汽車車身的碰撞安全性。因此，輕量化設計成為當前汽車車身設計的重要研究內容。研究汽車車身輕量化設計方法不僅能夠促進汽車車身輕量化的發展，而且對汽車制造業的進步意義深刻。為此，本文從汽車車身輕量化設計的基本方法入手，探索了汽車車身輕量化設計有限單元建模及基本性能，并從靈敏度、高強度鋼材、碰撞安全性這三個方面探索了車身輕量化設計的具體方法。

關鍵詞：汽車 車身 輕量化 設計 方法

中圖分類號：TF426 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2018）06（b）-0079-02

1 汽車車身輕量化設計的基本方法

1.1 結構優化設計

優化設計主要將原有系統設計為帶有變量的數學模型，通過變量的選取來實現設計要求，并使設計滿足約束條件。結構優化設計主要包括形貌優化設計、拓撲優化設計和尺寸優化設計這三種方法。從結構拓撲優化方面來講，設計人員需要了解結構的振動特性、靜動態特性等性能，進而對結構進行拓撲優化設計。而結構的拓撲優化最大特點就是在設計之前，運用一定受力條件和外界條件就能夠找出結構材料的最佳分配方案，進而得到結構的部分參數，為后續設計提供條件。從結構形貌優化設計方面來講，形貌優化設計主要目的是尋找最佳的結構形狀設計方法。例如，在設計車身鈑金件形貌的時候，可以采取最佳加強筋布置方案，在減小鈑金件質量的基礎上增強鈑金件的剛度和強度。從結構形狀優化設計方面來講，形狀優化設計主要改變結構的形狀來增強結構剛度的設計方法。形狀優化設計最為簡單和使用，能夠在確定目標之后，在約束條件和設計變量的要求下進行優化設計。

1.2 有限單元分析技術

有限單元分析技術是當前工程問題分析的有效手段，主要通過計算矩陣對每一步過程進行計算，能夠將顯示的工程問題轉化為數學問題進行分析和解決。而有限單元分析技術在解決復雜工程問題的時候需要設置很多條件，計算時間較長，對計算機硬件設備和有限單元分析軟件提出了更高的要求。

1.3 新型材料的應用

新型材料的應用能夠加快汽車車身的輕量化設計。然而，新型材料的應用會增加車身制造的成本，如果想要降低車身的質量，實現輕量化設計可以選擇纖維復合材料。具體來講，汽車車身輕量化設計主要在發生在開發設計階段，對車身概念、車身動靜態剛度、車身碰撞安全性等進行設計。其中，新型材料主要包括鋁合金、塑料、鎂合金等低密度材料和高強度鋼等高強度材料。在運用新型材料的時候應充分考慮新型材料的其強度、剛度、成本、回收利用優勢等。目前，汽車車身設計仍然主要使用鋼材。而高強度鋼具有較高的拉伸強度和較大的屈服強度，能夠增強汽車車身的吸收能量能力和抗變形能力，優化汽車車身的動態性能，降低車身質量，實現車身輕量化設計。同時，高響度鋼的固有頻率、動靜態剛度以及碰撞安全性與其他材料相比有著巨大優勢，已經成為汽車車身輕量化發展的重要方向。另外，鎂合金的加工性能較高，減震性和抗凹性突出，在汽車車身輕量化發展中有著良好的應用前景。然而，由于鎂合金容易被腐蝕、回收成本和制造成本較高，鎂合金在當前汽車車身輕量化設計應用仍然有較大的問題。

2 汽車車身輕量化設計有限單元建模

2.1 有限元建模

在開展汽車車身輕量化設計之前，設計人員應充分掌握汽車車身的固有振動頻率參數、靜態剛度參數等，為汽車車身基本性能參數設計提供基礎。設計人員可以通過有限元建模方法來得到汽車車身的參數。為此，設計人員應根據汽車車身結構建立精確的有限元模型。具體來講，設計人員可以對汽車車身鈑金件結構進行簡化和處理，去掉對鈑金件結構影響較小的小孔、倒角等結構。在建立有限元模型之后，設計人員需要根據鈑金件材料和鈑金件的厚度選擇合適的模擬焊接方法。

2.1.1 選擇單元種類

由于汽車車身鈑金件的厚度和長寬度尺寸較大，在建立鈑金件結構模型的時候，可以將鈑金件結構看作殼結構，運用四邊形殼單元模擬汽車車身鈑金件。然而，在比較復雜的鈑金件結構方面，為了保證模擬網格的質量，可以使用三角形單元和四角形單元混合的方式對網絡進行劃分。并且，網格的密度和尺寸會影響模擬的精確性。如果網格密度過大、網格尺寸過小會導致模擬時間較長，模擬效率較低。因此，在網格劃分的過程中要充分考慮模型的精確性以及模擬計算效率，選擇合適的網格尺寸。

2.1.2 結構簡化

汽車車身由眾多鈑金件拼焊而成，結構比較復雜。并且，鈑金件的結構也比較復雜，大多數鈑金件都設置了加強槽和加強筋，鈑金件結構十分不規則。在這種情況下，有限元模型的建立應對汽車車身結構和鈑金件結構進行簡化，以提高建模質量和建模效率。而結構簡化應保證鈑金件的力學性能，不能去除鈑金件結構上必要的加強筋結構。同時，在結構簡化之后，有限元模型與鈑金件實際結構必然會存在誤差，設計人員要將誤差控制在允許的范圍內。

2.2 汽車車身模態分析

模態分析對汽車車身的動態分析具有重要的作用，是實現汽車車身動態分析的有效途徑。現實生活中，汽車車身一般由眾多鈑金件焊接而成，而整個車身系是一個整體的振動系統。并且，這一振動系統會在外界刺激下產生振動，例如，發動機振動、車身在路面作用下的振動、汽車傳統系統振動等。如果汽車車身的固有頻率與外界刺激的頻率相近時便會產生共振現象。在汽車車身輕量化設計過程中引入模態分析方法能夠有效避免共振現象。具體來講，在汽車車身輕量化設計過程中，可以將汽車車身模態分析結果作為車身優化設計的驗證數據。并且，設計人員可以對汽車車身進行模態分析，加強對汽車車身動態性能的研究。另外，設計人員可以通過模態分析得到汽車車身的固有振動頻率的參數，并將參數作為強量化的數據參考指標。

3 基于靈敏度的汽車車身輕量化設計的方法

3.1 車身靈敏度分析

靈敏度分析是汽車車身輕量化設計的重要方法，能夠定量計算汽車車身設計的安全系數和余量，并估算汽車車身結構修改所要達到的效果，進而節省設計時間，提高汽車車身輕量化設計的經濟效益。

3.2 基于靈敏度分析的車身設計的原則

首先，基于靈敏度分析的車身輕量化設計應將車身的物理問題轉化為數學問題，運用數學手段來實現車身輕量化設計。為此，設計人員應合理選取設計變量，確定問題所使用的函數和問題的約束條件。其次，基于靈敏度分析的車身輕量化設計應將物理問題轉化為數學模型，通過求數學模型極值來解決汽車車身設計問題，找出汽車車身靈敏度分析的設計變量、目標函數、約束條件等要素。具體來講，設計變量的選擇要能夠影響目標函數值和計算效率，盡可能少地選取變量個數。再次，設計變量之間應互不干涉，使設計變量處于一定的變化范圍之內。并且，靈敏度分析要充分考慮汽車車身的設計條件，將設計條件進行分類，在分類的基礎上進行分析。最后，目標函數的選擇應選取與汽車車身設計變量相關的函數，確保通過函數能夠得到汽車車身輕量化設計的結果。

3.3 基于靈敏度分析的汽車車身輕量化設計的流程

在進行汽車車身輕量化設計的時候，要確保汽車車身的性能符合汽車車身設計的標準和要求。尤其在靈敏度分析的時候，要將車身鈑金厚度作為變量，將車身扭轉剛度、彎度、第一階模態等作為設計的約束條件，以最小車身質量為設計目標對汽車車身進行輕量化設計。同時，在輕量化設計過程中，設計者要充分考慮零件厚度變化對鈑金沖壓成本的影響，確保最小的制造成本增加。

4 基于碰撞安全性的車身輕量化設計

汽車車身輕量化設計應滿足碰撞安全性的要求，通過碰撞模擬對車身安全性進行驗證。為此，設計人員在汽車車身輕量化設計過程中應重視汽車碰撞安全性的要求，在碰撞安全性的基礎上開展車身輕量化設計。

4.1 建立整車碰撞有限元模型

從單元類型方面來講，設計者可以將汽車車身鈑金件選用殼單元作為單元類型，在模擬碰撞剛性圓柱的時候對剛性材料賦予薄殼單元進行碰撞圓柱模擬。從模擬材料方面來講，模擬材料直接影響著模擬結果的可靠性。設計者可以根據普通鋼和高強度鋼材料的密度、泊松比、彈性模量、拉伸強度、屈服強度等參數進行碰撞模擬。從側面碰撞圓柱的確定來講，設計人員應按照我國發布的《汽車側面碰撞乘員保護標準》確定碰撞模型。從接觸方面來講，汽車側面碰撞模擬通常采用自動接觸的方式。這是因為自動接觸能夠有效設備模型單元殼的厚度，并在接觸過程中按照殼厚度進行處理。

4.2 輕量化設計的不同方案

在碰撞安全性方面，筆者設置了三種不同的碰撞方案，并對這三種方案進行了比較。第一種是在輕量化設計之前對車身進行有限元模型設計，第二種是通過修改車身鈑金零件厚度構建限元模型，第三種對高強度鋼輕量化車身進行了設計。從節點侵入量方面來講，第二種放慢的節點入侵量會在某一時段略高于第一種方案，說明輕量化設計之后，車身碰撞安全性符合要求，安全性能下降很小。第三種方案的節點入侵量在大多數時間段內都小于第一種方案，這說明高強度鋼的運用不僅能夠實現車身輕量化，而且增強了車身的碰撞安全性。

5 結語

總之，通過上述分析，我們可知，作為一個汽車大國，在現代化汽車制造技術不斷發展的今天，為實現我國汽車制造產業在當今可持續發展目標的實現。我們要加強技術轉型與創新，通過汽車輕量化設計來促進汽車質量的提升，為我國汽車經濟的綠色化、集約化發展而努力。

參考文獻

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