基于拓撲的新能源商用車身輕量化設計

摘要：當前低碳背景下的新能源重卡競爭格局和行業政策對重卡車身提出輕量化要求。以某駕駛室平臺為基礎，結合“材料應用驅動輕量化，綜合成本及重量”的輕量化策略，通過CAE驅動下的基礎車傳力路徑、靈敏度分析等多工況拓撲引導，進行輕質合金、高強鋼應用的多材料車身工程設計，同時對設計數模進行有限元分析，結果表明工程方案的結構性能和碰撞安全達成設計目標。

關鍵詞：輕量化設計；多工況拓撲；多材料車身；系統方案

中圖分類號：U467.1" 收稿日期：2024-01-09

DOI：10.19999/j.cnki.1004-0226.2024.03.007

1 前言

“雙碳”戰略的持續發力，極大地對推動了商用車行業中重卡領域的電動化發展，新能源重卡的應用場景越來越豐富，在牽引、自卸等細分市場中的滲透率不斷提高。由于新能源汽車對“電動化”“智能化”技術需求，車身質量相比傳統汽車有所增加，更需要通過降低車身質量來增大續駛里程，解決里程焦慮、整車耐久性等問題[1]。從整車競爭力角度對車身輕量化提出期望：在保證性能、成本可接受的情況下，越輕越好。

政策層面《新能源汽車產業發展規劃2021-2035》中關于“三縱三橫”部署要求突破汽車輕量化技術。中國汽車工程協會發布《節能與新能源汽車技術路線2.0》，形成產業總體+九大技術發展方向，明確了：2015-2030年輕量化階段目標及技術路線，車身以“鋼”為主向“多材料混合”發展，多元化材料體系成為汽車輕量化的主流趨勢。

本文以現有駕駛室平臺為基礎，通過面向服役工況的多工況仿真引導，對某新能源重卡白車身進行輕量化開發，在保證結構性能不降低的情況下，減重25%以上。

2 車身輕量化設計策略

通過世界主要汽車產業發達地區的輕量化技術路線調查可知，目前輕量化車身的四種技術路線，分別是鋼板車身、鋁合金車身、碳纖維車身及多種材料混合車身，其中多種材料混合車身是車身輕量化的發展趨勢[2]。材料進步推動汽車輕量化，技術驅動也是圍繞著材料降本、連接、模擬及再循環利用技術的突破，其發展的核心是為用戶提供安全可靠的節能車身，發展趨勢為合適的材料用在合適的位置，實現材料及其性能的最佳平衡。

本文車身輕量化策略基于輕量化技術路線的調查，在結合國內外輕量化政策趨勢分析上制定的。本項目在基礎車工程數據基礎上，開發輕質合金、高強鋼應用的多材料車身。總體開發策略為“材料應用驅動輕量化，綜合成本及重量”。

3 車身輕量化設計方法

有限元分析與計算機輔助優化技術的結合是優化車身設計的有力手段。在車身結構分析中，以車輛的每個部件為對象進行材料選擇，然后進行深入研究[3]。CAE分析優化的方法為保證現有車身各項性能（模態、剛度、碰撞安全性）指標不降低的前提下，以車身總質量最小化為目標，通過確定靈敏度分析及拓撲優化的響應、約束進行分析優化[4]。

a.基于基礎車性能的有限元模型分析結果，確定目標車輕量化設計目標。

b.對基礎車進行傳力路徑分析，識別重要傳力部件，在結構設計中應予以增強或者保留；以料厚為設計變量，對基礎車進行模態、剛度等靈敏度分析，識別各工況和復合工況下的零件敏感度貢獻量，引導工程有針對性地進行結構設計；以截面尺寸為設計變量，對基礎車關鍵截面進行質量、模態、剛度等靈敏度分析，識別斷面尺寸貢獻量，引導工程有針對性地進行增強或減弱設計。

c.對CAE引導下的目標車工程方案進行有限元分析，驗證輕量化設計目標達成情況，輕量化設計流程如圖1所示。

4 車身輕量化設計目標

輕量化設計開發是多學科的系統性工作，狹義的輕量化是減重設計，廣義的輕量化活動是圍繞客戶價值來開展、基于性能保證和提升的前提下的零件減重工作[5]。

輕量化目標的設定從目標設定的全面性、合理性來定義。全面性是基于研究對象全生命周期的指標定義，考慮重量、成本、性能等方面；合理性主要基于設計策略和基礎車模態、剛度、碰撞等有限元模型分析結果，高強鋼車身、輕質材料車身和多材料混合車身全生命周期的指標定義值存在明顯的差異性，合理性的輕量化目標還需以基礎車指標為參考綜合評定。通過對基礎車數模的有限元分析，綜合考慮本項目的輕量化策略確定的目標車主要輕量化性能大綱如表1所示。總體輕量化目標為：降重25%以上，成本上浮100%以內，性能不降低。

5 基礎車多工況拓撲分析

拓撲優化是優化材料在設計空間上的分布，主要用于車身概念設計，研究結構材料布局，優化結果決定了車身的最優拓撲，也就決定了車身的最終形狀與性能，能保證結構設計的后續尺寸和形狀優化是在材料分布最優形式下進行的，能夠有效提高材料利用率[6]。

基礎車多工況拓撲分析的目的是識別重要傳力部件、各零件厚度敏感度和斷面尺寸靈敏度貢獻量，引導目標車工程設計。

5.1 傳力路徑分析

傳力路徑分析主要是基于載荷能量傳遞的白車身架構拓撲，其目的是識別重要傳力部件，在結構設計中應予以增強或者保留，分析工況為正面A柱撞擊、正面擺錘撞擊和頂部強度。分析方法為懸置安裝點全約束，基于各加載過程中的等效靜載荷（峰值載荷）。分析結論為A/B柱、風窗上橫梁、地板縱梁是正面A柱撞擊的關鍵傳力部位，風窗上/下橫梁、A/B柱、門框上/下邊梁、地板縱梁是正面擺錘撞擊的關鍵傳力部位，風窗上橫梁、門框上邊梁、后圍上橫梁、B/C柱是頂部強度的關鍵傳力部位。

5.2 斷面靈敏度分析

結合車身設計流程，在車身結構設計概念階段優化典型斷面結構，提高斷面特性[7]。斷面靈敏度分析是以關鍵截面尺寸為變量，分析截面尺寸對白車身模態和剛度的敏感性。B柱截面長度、地板橫梁2寬度對白車身模態較敏感，如圖2所示；前圍上橫梁寬度、地板左右縱梁高度、上邊梁寬高度、A柱寬度對扭轉剛度較敏感，如圖3所示；地板橫梁1寬度、地板橫梁2高度、A/B柱長度、頂蓋前梁寬度對彎曲剛度較敏感，如圖4所示。

5.3 厚度靈敏度分析

靈敏度分析是結構優化的基礎，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：高靈敏板件、低靈敏板件和負靈敏板件。適當加厚高靈敏板件、減薄不靈敏板件和負靈敏板件，可以實現白車身的性能改進和輕量化設計[8]。基礎車料厚靈敏度分析是以零件厚度為設計變量，以白車身質量最小為優化目標，分析零件對白車身質量、模態和剛度的敏感性。

左右側圍外板、后圍外板、左右側圍內板等零件厚度對白車身模態較敏感，如圖5所示。后圍左縱梁、后圍下內板、后圍外板、前圍外板本體、加速踏板左右安裝板等零件厚度對白車身扭轉剛度較敏感，如圖6所示。右縱梁、右邊梁中段、右地板面板、右門洞下橫梁加強板、右縱梁前懸加強板等零件厚度對白車身彎曲剛度較敏感，如圖7所示。

6 目標車工程方案設計

6.1 車身框架和接頭設計

車身框架和接頭的設計主要是根據碰撞傳力路徑分析結果，如圖8所示，設計重要傳力件的布局和結構，保證車身框架在沖擊、碰撞等工況下的穩定性，具體設計要點如下：

a.由于工程硬點制約，目標車的車身框架布局與基礎車保持一致。

b.重要傳力件的結構會因輕量化材料、工藝的應用重新設計，但需滿足等強度設計原則。

c.在機械布置、結構可行的情況下考慮改善關鍵接頭的截面剛強度和連貫性，以優化連接處傳力特征。

考慮以上因素的目標車身框架和接頭的目標車車身框架和接頭設計如圖9所示，其中紅色為關鍵接頭部件，灰色為車身框架。需要特別說明的是該方案只是基于傳力路徑分析結果的初步方案，后續在白車身各子系統的工程方案設計時還需根據系統設計邊界、料厚靈敏度分析及斷面靈敏度分析結果進行具體部位的優化設計。

6.2 系統方案設計

系統方案設計在工程可行的前提下對白車身前圍、地板、側圍等各總成的分塊形式、材料分布、連接方式、零件結構等設計，是一個不斷迭代、達成目標的過程。其基本的設計思路如下：

a.基于競品對標、技術成熟度分析，以輕量化目標為導向的系統設計構想。

b.基于設計構想和初步的車身框架與接頭方案的結構設計。

c.基于基礎車多工況拓撲分析結果來優化設計。

6.2.1 前圍總成

前圍由“整體鋼制內外板沖焊”結構更改為“分體上鋼下鋁”結構，關鍵傳力部件①鋼板材料升級，低靈敏度零件②③以鋁代鋼，上下“SPR+結構膠”連接，減重15.2 kg，輕量化率45%，目標車前圍方案如圖10所示。

6.2.2 側圍總成

側圍由“整體鋼制內外板沖焊”結構更改為“鋁外板+鋁內板+A/B柱熱成型鋼”結構，關鍵傳力部件④⑤⑥材料升級，低靈敏度零件⑦⑧以鋁代鋼，內外板分總成“SPR+結構膠+螺接”連接，減重18.5 kg，輕量化率22.1%，目標車側圍方案如圖11所示。

6.2.3 后圍總成

后圍由“整體鋼制內外板沖焊”結構更改為“鋁外板+鋼骨架”結構，關鍵傳力部件⑨接頭截面優化，低靈敏度零件⑩以鋁代鋼，?更改為骨架結構，外板與骨架“SPR+結構膠+”連接，減重16.7 kg，輕量化率32.2%，目標車側圍方案如圖12所示。

6.2.4 頂蓋總成

頂蓋總成的關鍵傳力部件?以鋁代鋼，采用擠壓鋁材，關鍵傳力部件?考慮在后續的優化過程中按需調整，低靈敏度零件?以鋁代鋼，外板與骨架“SPR+結構膠”連接，減重13.9 kg，輕量化率26.7%，目標車頂蓋方案如圖13所示。

6.2.5 地板總成

地板由“鋼制面板+骨架”結構更改為“鋁面板+一體壓鑄縱梁+擠壓鋁橫梁”結構，關鍵傳力部件???集成為一體式鋁合金壓鑄件，?調整為鋁合金擠壓型材；低靈敏度零件?與地板中間面板集成為一個件，以鋁代鋼。地板總成綜合運用“SPR+結構膠+螺接+FDS等”連接，減重22.2 kg，輕量化率20.5%，目標車地板方案如圖14所示。

基于設計構想和基礎車多目標拓撲分析的工程方案確定后，還需結合法規符合性、造型適應性、布置符合性、結構可行性等工程實際對方案迭代優化，這里就不贅述了。需要特別說明的是，在對方案進行迭代優化的過程中，尤其對于白車身模態、剛度等性能改進過程中，還需充分考慮基礎車關鍵斷面靈敏度分析結果，期望以最小大改動量達成性能目標。

7 目標車結構性能驗證

7.1 結構性能分析

對目標白車身設計數模進行進行自由模態、彎扭剛度分析，白車身一階模態24.2 Hz，扭轉剛度值62 278 N?m/°，彎曲剛度值8 305 N/mm，結構性能基本達成設計目標，計算云圖如圖15、圖16、圖17所示。

7.2 碰撞安全分析

采用LS-Dyna 971 R6.1求解器，對目標車身設計數模進行正面A柱撞擊、正面擺錘撞擊和頂部強度測試，結果表明碰撞后假人生存空間和駕駛室懸置處應力滿足設計要求。

7.2.1 駕駛室連接有效性評價

根據目標車身正面擺錘撞擊能量變化，可以看出，沙漏能占總能量的比率控制在5%以內，目標車身正面擺錘撞擊彈簧作用力曲線顯示前懸彈簧受拉作用力最大為13922.3 N，小于35 000 N，可保持有效連接。

根據目標車身正面A柱撞擊能量變化，可以看出，沙漏能占總能量的比率控制在5%以內，目標車身正面A柱撞擊彈簧作用力曲線顯示前懸彈簧受拉作用力超過35 000 N，左前懸彈簧拉斷，其余3處懸置可以保持有效連接，駕駛室連接未失效，認為考核結果合格。

根據目標車身頂部強度承載力曲線變化，并結合頂部碰撞反作用力的變化情況可知，駕駛室在20°側碰完成后頂部靜壓承載能力超過100 kN，滿足法規頂部靜壓要求。

7.2.2 駕駛室假人生存空間評價

以上測試完成后的假人生存空間詳見表2，目標車在碰撞完成后的假人生存空間滿足要求，考核合格。

8 結語

本文通過輕量化技術路線和輕量化車身發展調查，確定了“材料應用驅動輕量化，綜合成本及重量”的輕量化策略；以某量產車型為基礎車，通過傳力路徑分析、車身靈敏度等多工況分析引導系統方案設計；對目標車設計方案進行有限元分析，結果表明達成降重25%以上，成本上浮100%以內，性能不降低的總體設計目標。

參考文獻：

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[8]王小留.基于靈敏度方法的白車身扭轉剛度提升研究[J].汽車實用技術，2018，44（9）：40-43.

作者簡介：

魏益冰，男，1986年生，工程師，研究方向為車身結構與輕量化設計。

朱國華，男，1987年生，副教授，研究方向為汽車新材料、新結構、新工藝及輕量化設計。