面向實際工程應用的白車身輕量化設計研究

魏福林，田宇黎，王克，張晶，高鵬

（100176 北京市 北京新能源汽車股份有限公司）

0 引言

近年來，由于車身的質量直接影響到汽車的舒適性和安全性，其結構設計得到了越來越廣泛的重視，國內對車身基于各個性能的結構優化設計與研究也越來越深入和廣泛。文獻[1-2]對汽車車身包含結構設計與CAE 分析在內的設計流程進行了較為完整的總結與介紹。文獻[3-6]對車身的剛度、模態、碰撞等基礎性能進行了結算與分析，并結合多目標優化理論進行了結構尺寸的輕量化設計。綜上,大多數對車身的輕量化設計更多的是利用現代CAE 與CAO 分析理論與應用軟件，實現理論層面的車身輕量化設計。然而，上述偏理論研究的科研成果在處理實際工程應用問題時，在工作效率、實用性等方面均存在一定程度的不足。

本文從車身結構輕量化方面的實際工作出發，結合靈敏度法在車身輕量化設計中的意義，探索與建立了較為完善且貼合實際的車身結構輕量化方法，并將此方法應用于某車型車身結構中，實現了良好的輕量化效果。

1 車身輕量化路線設計

車身輕量化的理論路線大致如圖1 所示。首先，通過靈敏度分析，確定待優化的車身零部件設計變量；其次，確定車身優化前后需評估和分析的性能指標，以此作為優化過程中的約束條件；第三，將質量最小作為優化過程中的目標函數；最后，結合零部件加工工藝性能，對優化方案和結果進行整合和完善，并確定最優輕量化方案。車身輕量化的工程路線總結如圖2 所示。按照實際工程經驗將車身輕量化分門別類細化為材料輕量化、工藝輕量化和結構輕量化3 個子方向，針對每個子方向上的特點，結合車身這一具體的結構特征，對其再進行二級細化，使車身輕量化的途徑和方法落到實處，具體到每個更具體的對策上。

圖1 車身輕量化的理論路線Fig.1 Theoretical route of body weight reduction

圖2 車身輕量化的工程路線Fig.2 Engineering route of body weight reduction

比較圖1和圖2 兩種輕量化的路線可以發現：車身輕量化理論路線將輕量化問題抽象為一個解數學優化模型的問題，其理論性和邏輯性較強，執行起來具有一定的工作量和工作強度，更適合用于周期性較長的科學研究；車身輕量化工程路線更多的是結合工程與項目經驗，將在實際中能實現輕量化的方法進行條理與全面的總結，其門類性和敘述性較強，執行起來簡單明了，更適合周期較短的實際工程問題。

本文在對車身進行輕量化設計的過程中，將兩種輕量化路線進行結合，各取所優，形成一套新的較為系統且全面的輕量化方法路徑，詳見如圖3 所示。首先，對車身彎曲剛度和扭轉剛度進行了靈敏度計算，基于靈敏度計算結果進行輕量化設計對象的選取，明確待輕量化的車身零部件；然后，從材料、工藝、結構3 個方面入手，探討并給出詳細的輕量化設計方案；最后，從零部件成形性、剛度模態、碰撞安全3 個方面，驗證車身輕量化方案的可行性，如若其中某一方面的性能不滿足指標要求，則可根據零部件數據庫信息對輕量化方案進行修正，直至滿足各項性能指標。

圖3 本文車身輕量化路線圖Fig.3 Lightweight roadmap of vehicle body in this paper

2 車身性能靈敏度分析

2.1 靈敏度法

一個系統的響應是由構成此系統的各個零件的屬性決定的，而零件的各個屬性又對系統響應的影響程度各不相同。靈敏度評價指標可以發現哪些屬性對系統響應的影響較大或較小，從而為設計者提供修改建議，Pandey 等就將結構反應靈敏度的倒數作為一種廣義的結構冗余性測度[7]。

在靈敏度評價指標中，把一些系統的參數利用變量xi來參數化。對于設計目標g 來說，與設計變量xi之間就形成函數關系，即g=G(xi)，如果設計變量xi有微小變化，設計目標將產生相應的變化：

當設計變量變化同樣的值時，即Δxi=Δ 時，而設計目標的變化量 Δg 各不相同，即ΦG/Φxi可以定義為設計目標 g 對設計變量xi的靈敏度。

本文以某B 級經濟型轎車為研究對象，其車身模型如圖4 所示。以車身剛度對各零部件厚度的靈敏度分析為例，其彈性靜力學有限元平衡方程為

圖4 車身分析模型Fig.4 Body in analysis model

式中：n——自由度；[K]n×n——總剛度矩陣；[Y]n×1——結構位移向量；[F]n×1——載荷向量。

將式（2）對設計變量x 求導可以得到

考慮到載荷不隨設計變量變化而變化，對式（3）進行整理，得到結構位移向量對厚度設計變量x 的靈敏度計算公式

2.2 車身性能靈敏度計算

2.2.1 車身彎曲剛度靈敏度

車身總成的彎曲剛度靈敏度分析結果如圖5所示。由于零件數目比較多，只給出靈敏度較高的零部件名稱和編號見表1 所示。從圖5 和表1可以看出，地板總成中的中央通道、前地板、后地板座椅橫梁對地板總成的彎曲剛度性能較為靈敏，靈敏度次之的是前地板各加強板、中央通道各個橫梁，靈敏度最弱的是門檻梁內外板及加強件等。根據此靈敏度分析結果可以展開對性能不敏感零部件的輕量化處理。

圖5 彎曲剛度靈敏度Fig.5 Bending stiffness sensitivity

表1 零件編號對照表Tab.1 Part number comparison

2.2.2 車身扭轉剛度靈敏度

車身總成的扭轉剛度靈敏度分析結果如圖6所示，靈敏度較高的零部件名稱和編號見表2 所示。從圖6 和表2 中知，側圍總成中的A 柱、前風窗邊梁、頂蓋邊梁對側圍總成的彎曲剛度性能較為靈敏，靈敏度次之的是B 柱、C 柱等各個零部件，靈敏度最弱的是側圍各個零部件的加強件。

圖6 扭轉剛度靈敏度Fig.6 Torsional stiffness sensitivity

表2 零件編號對照表Tab.2 Part number comparison

為了保證輕量化后的車身模型性能不發生較大變化，后續將重點對性能影響較小，即靈敏度結果較低的零部件，進行車身結構輕量化、弱化設計，盡量避開表1和表2中所列的零部件。當然，通過對具體零部件的結構進行分析之后，結合其他車型相對應的零部件結構特征以及設計準則，即汽車零部件數據庫信息，對性能靈敏度較高的零部件也可嘗試進行性能完善性輕量化工作，進行適當減重設計。

3 車身輕量化具體實施方案

3.1 車身材料輕量化設計

在車身材料輕量化方面，通過厚度減薄和高強減薄技術手段，對整車材料進行優化選材，從而實現減重的目的。具體實施措施是參考已對標車型的零件信息，對覆蓋件或者非承力零件的厚度直接進行減薄，對高強結構件，根據強度等效原則，實施高強減薄選材策略，具體實施方案見表3，共提出材料輕量化方案12 個，共計減重4.439 kg。

表3 車身材料輕量化方案統計表Tab.3 Statistics of lightweight schemes for body materials

3.2 車身結構輕量化設計

在車身結構輕量化方面，主要是通過厚度減薄、尺寸減小、減重孔設計、結構形貌優化、零部件合并、零部件拆分等輕量化手段，最終使結構得以小型化、精簡化、薄壁化、中空化，實現零部件的輕量化的目的。本節將復雜多樣的輕量化方法進行分類總結，并且將每一類輕量化方法應用到該白車身具體零部件中去，由于篇幅有限，每一類方法在此只舉一例，最后以表格的形式進行總結。

3.2.1 結構尺寸優化

以A 柱下端外板為例，對其進行結構搭接尺寸的調整。A 柱下端外板與門檻梁前端連接，在功能上其主要作用是將前艙、前指梁等結構傳來的正碰力傳遞給門檻梁，因此，在對該部位進行輕量化時，需考慮零部件及搭接結構的強度要滿足一定的要求。一般而言，兩個零部件的搭接尺寸L 按照公式L=6×板厚+10 計算，得到該部位的搭接邊尺寸大概在17.2 mm，考慮到該部位的傳力特殊性，對計算結果進行圓整為20 mm。實際測量該模型中兩零件的搭接尺寸為28 mm 左右，因此對兩零件的搭接邊尺寸縮短8 mm，將A 柱下端外板的后方長度尺寸減小8 mm。輕量化前后示意圖如圖7、圖8 所示。

圖7 A 柱下端外板尺寸優化前后Fig.7 A-pillar lower outer plate before and after optimization

圖8 前縱梁內板加強板減重孔優化前后Fig.8 Longitudinal stiffener before and after optimization

3.2.2 結構形狀優化

以前縱梁內板加強板為例，對其進行減重孔形狀優化設計。對比分析左右2 個前縱梁內板加強板發現，左側加強板減重孔開孔特征尺寸較大一些，右側加強板減重孔開孔特征尺寸較小一些。從輕量化的角度考慮，可考慮將右側加強板的減重孔尺寸加大，使其與右側加強板的減重孔形狀尺寸一樣，如圖8 所示。

3.2.3 結構數量優化

以后隔物板和后隔物板連接板為例，對其進行結構零件合并。3 個零件的厚度值分別是后隔物板1 mm、后隔物板連接板0.95 mm，合并后將后隔物板的厚度降低為0.95 mm，后隔物板連接板的厚度不變。合并前后的示意圖如圖9 所示，合并前3 個零件重5.31 kg，處理后零件總重4.896 kg，共實現減重414 g。

圖9 后隔物板結構數量優化前后Fig.9 Septum plate before and after optimization

從以上3 個方面出發，結合本車身結構形貌特征，共提出結構輕量化方案17 個，涉及到的具體零部件信息見表4 所示，共計減重2.149 kg。

表4 車身結構輕量化方案統計表Tab.4 Statistics of lightweight schemes for body structure

（續表）

3.3 車身工藝輕量化設計

在車身工藝輕量化方面，往往通過革新成形工藝來滿足材料與結構的變化，如高強鋼激光拼焊、熱沖壓技術、輥壓技術等等，要確保零部件輕量化，采用先進成形工藝是關鍵。基于先進成形工藝的經驗，綜合考慮高強鋼材料和與之相適應的先進成形工藝，結合該車身結構特征，對個別零部件的工藝作出如表5 所示的調整。工藝調整方案共計6 條，實現減重6.605 kg。

表5 車身工藝輕量化方案統計表Tab.5 Statistics of lightweight schemes for body technology

4 車身輕量化方案性能評估

4.1 剛度模態性能評估

車身的剛度模態是車身兩項比較基礎的性能分析對象，在一般的車身設計過程中，主要是對車身的彎曲剛度、扭轉剛度、一階扭轉模態和一階彎曲模態4 個性能指標進行分析。本文車型性能指標參考文獻[8]設置如表6 所示，連同輕量化前后的車身性能數值一并分析后統計進表6。數據分析發現，輕量化前后車身剛度模態性能變化不大，均在要求的范圍之內。

表6 車身剛度模態統計表Tab.6 Body stiffness modal statistics

4.2 碰撞安全性能評估

碰撞安全性能是整車被動安全領域的分析內容，也是所有車型在設計過程中需要分析的一個性能指標。碰撞安全性能分析指標主要有正碰B柱下端加速度、正碰前圍入侵量、側碰B 柱入侵量以及側碰B 柱入侵速度。將本文車型整車進行輕量化前后的碰撞計算分析后的結果統計進表7。數據分析發現，輕量化前后整車碰撞性能仍滿足五星級碰撞安全要求。

表7 整車碰撞性能五星級數據統計表Tab.7 Five-star data statistics of vehicle crash performance

5 結論

（1）基于當前車身輕量化的理論路線與工程路線，結合實際工作情況，將兩種路線各取所優，設計了面向工程應用的新的車身輕量化路線。

（2）針對某車型車身模型，通過仿真計算得到了車身232 個零部件的彎曲剛度與扭轉剛度性能靈敏度計算結果，并對性能影響比較大的零部件名稱進行統計。

（3）從材料、結構、工藝三個方面對車身進行了具體輕量化設計，提出輕量化方案35 個，減重13.193 kg，減重比3.95%。對車身輕量化方案進行車身剛度、模態以及碰撞安全性能的仿真計算與評估。結果顯示，車身剛度、模態以及碰撞安全三個性能指標均在設計范圍之內，符合車身性能設計要求。