基于DOE的汽車白車身結構優化

榮升格　周俊鋒　施帆君　胡駿

摘 要：汽車行業是我國國民經濟的重要支柱產業之一，同時也是一個國家安全的關鍵因素。隨著經濟的發展和人民生活水平的提高，汽車的保有量也在不斷增加，人們對汽車的要求越來越高，因此，對車身的設計提出了更高的標準和更高的質量需求。而DOE及輕量化在質量控制的整個過程中扮演了非常重要的角色，它是產品質量提高，工藝流程改善的重要保證。

關鍵詞：DOE 汽車 白車身 結構優化

1 引言

目前，國內大多數的汽車生產企業都在采用以HBS（SUV）為核心的技術來滿足用戶的不同需要，但由于車身的結構形式的多樣性，以及其性能的差異性，使得其在實際使用過程中存在著許多的問題與缺陷。本文針對以上的現狀進行研究，并結合國內外的相關理論，通過查閱大量的文獻資料，分析出適合于白車身結構優化的方法。

2 研究綜述

2.1 研究背景

隨著汽車行業的發展和人們對汽車的需求量越來越大，汽車保有量的增長速度也在不斷的加快中。由于汽車的普及和道路建設的完善，以及城市交通的日益擁擠，導致交通事故的發生頻率也在增加。據有關部門的數據顯示，我國每年因車禍造成的人員傷亡人數較多，并且死亡率高達30%。因此，如何提高公路的使用效率，降低事故的發生率成為了社會的熱點問題。

2.2 研究意義

目前，國內大多數的汽車廠都采用的是傳統的車身結構，即底盤的布置方式，這種設計的弊端就是容易使駕駛員產生疲勞感，從而影響到乘客的舒適度。為了解決這個弊端，國內外許多的廠家開始著手改善車身的外形、色彩、發動機的運行性能等方面的優化工作。對于白車身的改進，就需要對白車身進行優化，通過改變零部件的尺寸來達到減少碰撞的目的；同時，還可以根據不同的行駛環境來調整車型的大小與位置，以滿足更多的人出行的要求；最后，還能夠提升整車的安全系數，保證其具有良好的燃油經濟性[1]。

2.3 研究內容和方法

本文以汽車白車身結構優化為研究對象，在閱讀了大量文獻資料的基礎上，對汽車白車身進行了分析，并根據汽車結構的特點確定出合理的優化方案。

（1）首先，對汽車行業的發展現狀以及歷史數據等作簡要介紹，并通過對比得出優缺點，從而提出本文的研究方向。

（2）其次，針對目前的汽車市場狀況，對整車的零部件進行詳細的設計計算，包括各部件的尺寸、形狀和材料，最后再利用三維建模軟件，將各部分的零件模型導入到UG中，完成車身的拓撲布局。

（3）再次，運用有限元方法，建立出一個新的白車身結構的優化框架，并將其與傳統的LUG的車型結構相比較驗證其可行性。

（4）最終，在綜合考慮各種因素的情況下，選出最優的方案來解決實際問題。

3 白車身結構分析

3.1 白車身模態

白車身是汽車的主要結構件之一，它由車身骨架、前圍板和后圍板等組成，其作用是承受來自路面傳來的各種載荷，并將力傳遞到車身的各個部位[2]。在白車身的設計中，要對各部件進行合理的布置和協調，以保證整車的性能得到充分的發揮與利用。在對汽車的結構分析中，必須考慮到以下幾點：

（1）各零部件之間的相互關系。如前車的左右兩個車門的安裝孔的位置，以及它們的大小尺寸，都要嚴格按照白車身的要求來確定。

（2）各部分的連接方式。如前車的前后兩門的安裝孔的形狀，及內外門的外徑的選擇等。

如果采用傳統的方法來計算，不僅會導致工作量的增大，而且還浪費材料，并且由于不能準確的表達出實際的受力情況，所以這種方法也不適合此次的研究課題。而采用現代的計算機仿真技術，則可以很好的解決這個問題。同時還能提高數據的準確性與可靠性，從而使試驗的結果更具有說服性。每一階模態都會對應有一個模態頻率，在對應的模態頻率下會有對應的模態振型。在車身模態中，最值得我們去關注的就是車身一階彎曲模態頻率與一階扭轉模態頻率，如下圖所示。

3.2 靈敏度

靈敏度是指汽車的抗干擾能力，它是指汽車在行駛過程中，能夠以較小的加速度保持零駛的程度大小[3]。當車身的抗干擾性能較差時，就需要通過增加車身的阻尼來提高其靈敏度。而當車身的抗干擾性能較好時，就可以采用優化后的LMCS-51進行優化。在實際的汽車生產中，由于各種因素的影響和限制，車輛運行速度和車速會受到很大的局限性，而導致了其無法保證汽車的安全性能。所以針對這一問題，要對車架的結構參數以及車架的材料選擇等方面加以考慮。同時還應該對車架的各零部件的尺寸、形狀、重量等予以分析，以便于確定最優的設計方案。為了使車身的響應特性得到改善，必須要對各部件的布局圖譜及相關數據進行詳細的計算與校準。

3.3 白車身結構的阻尼

對汽車的結構進行優化時，要考慮到白車身的阻尼問題。在汽車的結構中，主要是通過改變車身的高度、底盤的位置和以及車架的材料來實現的；而在白車身的結構中，則需要對車架的位置和形狀加以控制，從而達到減小振動的目的。而在白車身的結構中，則可以利用緩沖器的作用來降低整車的質量。對于不同的車型而言，其采用的減速器的類型也是不相同的：低檔、高功率的轎車，一般選用低轉速的齒輪減速器，高檔客車則多選擇低速的減速箱。

所以，針對以上的分析，提出了以下的方案：

（1）根據前輪驅動的模型來確定出一個較為合理的減震器的安裝形式，然后再將這個安裝方式的具體尺寸定下來。

（2）依據前輪的傳動系統的布置情況，再將這種改裝的具體參數的大小與速度的快慢結合起來，最終設計出一種更為有效的輪胎減震裝置。汽車的主要結構參數和性能參數：整車裝備質量（kg）：汽車完全裝備好的質量，包括潤滑油、燃料、隨車工具、備胎等所有裝置的質量。最大總質量（kg）：汽車滿載時的總質量。最大裝載質量（kg）：汽車在道路上行駛時的最大裝載質量。對于汽車不同條件下的載荷分子如表1。

4 車身結構設計

4.1 車身尺寸確定

對于汽車而言，車身是整車的主要部分，其尺寸大小直接決定了車輛的行駛性能和駕駛員的舒適程度。因此，在進行車身優化設計時，必須充分考慮到汽車的實際使用情況，并對其進行合理的調整和修改。由于汽車的車身結構具有一定的復雜性、多樣性，所以在對車身結構的優化時，要根據不同的車型、用途以及駕駛條件來確定相應的車身尺寸。

例如：發動機的懸架系統，當發動機懸架的行程較短時，為了提高其乘坐的穩定性和安全性，可以將發動機的前懸掛的傳動機構的長度設置的較長一些，這樣一來，就會使輪胎的磨損加快，從而降低了客車的載重能力。當發動機的后橋的寬度較小時，則需要增加后輪的驅動裝置，以此來保證車內的座椅等的布置空間。

4.2 車身模態分析與計算

由于汽車車身結構的復雜性和多樣性，其固有的非線性特征也是影響汽車車身結構優化的重要因素之一。為了保證車輛的行駛平順性和安全性，必須對車身的各零部件進行合理的設計與優化。因此，在對整車模型的建立過程中，需要考慮到以下幾個方面的問題：

1）確定各部件的幾何參數；

2）選擇合適的裝配方案；

3）計算出各個構件的數據結果。

本文主要針對汽車白車身的模態分析與研究，而在實際的工程應用中，可以以白車身的前五大前艙為例，結合汽車的底盤結構，利用UG軟件，以車內的空間布置為依據，采用基于UG的三維建模方法，并運用MATLAB，完成車內的二維造型。

4.3 車身的強度

從車身的結構可以看出，車身主要承受來自于發動機、底盤、車身總成等零部件的載荷作用，而這些部件的強度和剛度直接影響著汽車的行駛安全。

（1）整車的質量輕，強度高，強度高，穩定性好，在實際的汽車上，由于汽車的重量較輕，所以在進行車輛的優化設計時，要考慮到不同的車型所需要的減重量也是不盡相同的；

（2）車身的剛度要好，剛度過大的時候，會有較大的振動和噪音，過大的話，會使駕駛員產生不舒適感，從而降低了乘坐的舒適性。

（3）在客車的內部空間內，要盡量保證各零件的相對位置，如果不能滿足要求，就可能導致碰撞的發生；

（4）為了提高各部件的抗疲勞性能，對其的材料也提出了一定的標準：高溫合金的構件，必須具有足夠的抗彎能力，以防止出現裂紋，焊縫處容易形成應力集中，造成裂紋的擴展或者斷裂。

5 基于DOE的白車身結構拓撲優化

5.1 車身結構拓撲優化前處理

前處理是車身結構設計中的重要環節，其主要目的是對整車的行駛工況進行分析，車身結構拓撲優化的過程中，需要對各部件的位置關系以及各部位的布置情況做詳細的調查研究，并根據相關的數據確定出車身的基本尺寸。在汽車白車身的實際作業中，由于白車身的外形比較復雜，所以在加工的時候，會出現很多的問題：

（1）車架與底盤的連接處，存在著各種不同的變形；

（2）車架與轉向的接縫處也有一定的應力集中現象，并且這種應力的分布也會隨著溫度變化而產生相應的改變；

（3）前梁的剛度較大，導致前后梁的剛度發生變化，從而影響了整個的造型。

5.2 白車身結構拓撲優化模型的簡化

為了使汽車白車身結構優化后的效果達到最優，需要對汽車白車身結構進行拓撲優化。在這里，主要是對前懸架的三維模型和橫梁的二維圖的分析以及在不同的工況下的仿真結果的對比研究。

對于前懸架的拓撲優化，由于其本身的特點就是，它可以通過改變車橋的連接方式，來實現其與整車的匹配性，從而提高車輛的行駛平順性。

5.3 白車身結構優化實驗

1.白車身結構約束條件有：

（1）發動機功率。汽車在行駛過程中，由于曲柄連桿機構的運動形式不同，其曲柄連桿的轉速也不相同，因此，在滿足強度條件的同時，還應盡可能的提高曲軸的輸出轉矩。

（2）底盤的承載能力和穩定性。對于白車身來說，其質量越大，整車越容易發生故障。而當車身的重量增加時，車身結構的整體剛度就會變小，從而導致車身的振動加劇。所以，對汽車白車身進行優化設計，使地板的承受力保持穩定，是保證汽車白車身的重要環節。

（3）空氣的流動速度和溫度的調節性能。當車內的氣流流速與外界的熱交換頻率一致時，車內會產生一定的舒適感，而當兩者之間的距離達到一個合適的值時，則可以通過改變進風口的大小來控制。

2.針對以上白車身結構優化方案，通過對整車模型的模擬與試驗，得到了優化結果。

（1）首先，在白車身的前輪進行了改進，改變了前輪的驅動方式，使其轉向過程更加靈活，并且減少了后輪擺角的變化范圍，從而提高汽車的行駛平順性。

（2）其次，在白車身的后橋，由于采用的是電控單元式的布置形式，所以可以有效的降低地板的載荷量，同時也能減小車身的重量和質量。

（3）再次，在底盤的前后各部位，都增加了一個大梁，這樣就能更好的減輕車身的承載力，而且還能夠增強其穩定性。

5.4 汽車白車身結構拓撲優化數值仿真

1.本章主要是針對上文所提出的車身結構拓撲優化模型，進行了以下的計算分析：

（1）對整車的零部件進行建模，并對其尺寸、形狀等參數進行了確定，最后將其與實際的車型行駛環境相結合，得到了白車身結構優化的結果；

（2）在前車板和后車架的連接處，通過改變車身的高度來實現車身的輕量化設計，然后將前車板和后輪的連接方式改為可拆卸的連接；

（3）在前輪的連接處，采用可拆卸的連接方法，即根據白車身的不同部位，來選擇合理的過渡形式，從而達到減少白車身的重量以及提高汽車的安全性能的目的。

2.通過對車身結構的優化分析，可以得到汽車白車身的設計參數，從而對汽車的整車性能有一個全面的了解。

1）在白車身的前輪計的布置位置上，因為前輪計是直接影響著車輛行駛的方向、速度以及安全性的因素之一，所以要保證其的安裝高度不能太高，否則會導致輪胎的磨損加劇，并且還會引起車輪的跳動。

2）前輪的車頭角的設置要合理，這樣會使車的操縱性、穩定性等都有所改善。而且在不同的區域內，都需要根據實際情況來調整，以達到最佳的效果。

6 結論

本次研究主要是通過對汽車白車身進行優化，以提高汽車的舒適性和安全性，從而提升經濟效益。

參考文獻：

[1]李禎平. 某低速電動汽車白車身輕量化研究[D].湖南大學，2021.

[2]李長玉，余莎麗，林子涵，張繼華.自然激勵下某電動汽車白車身模態參數識別[J].電子測量與儀器學報，2020，34（08）：167-173.

[3]杜建邦. 某電動汽車有限元分析與輕量化設計[D].山東理工大學，2020.