基于NVH性能的某平臺化車身輕量化設計

摘 要：平臺化開發是汽車行業快速推出新車型的重要手段。在平臺化車型開發的過程中，汽車的NVH性能以及汽車輕量化是重要的性能指標。本文提出了基于NVH性能的平臺化車身輕量化設計方法，主要是通過對平臺化的通用零部件進行篩選，同時在通用零部件中篩選出關鍵通用零部件，以零部件的厚度為自變量，以車身的剛度以及模態為約束目標，以車身質量為優化目標，得到優化后的通用零部件的最優組合，并進行驗證，實現了白車身的剛度與模態滿足開發要求，平臺化車身達到輕量化的目的。

關鍵詞：平臺化車身 NVH 輕量化 關鍵通用零部件

1 緒論

隨著汽車行業的發展，為了更加快速地推出新的車型，形成消費群體的覆蓋，各個車企在不斷地進行開發策略的探索，力求可以有效地縮短開發周期，降低開發成本，其中平臺化開發的理念成為車企的主要手段之一。平臺化開發需要各車企結合本車企的自身特點，包括現有的設計開發流程、生產制造等特點，從而形成適合本車企的平臺化設計開發流程，例如大眾汽車以動力總成的位置不同而采用的模塊化平臺設計方法（MQB、MLB、MHB、MQB），雷諾以及日產以功能分布為設計出發點的CMF模塊化設計，本田汽車以下車體的分布為基礎的模塊化設計，以及目前國內汽車企業中江淮汽車的和悅平臺，奇瑞汽車的MIX平臺，吉利汽車的MBA平臺架構等平臺化開發策略。雖然各車企有著不同的平臺化開發策略，但是所追求的目標基本是一致的，主要為一方面保證零部件的通用率，另一方面是需要保證汽車的性能要求，其中NVH性能以及輕量化目標是其中的重要目標。

2 汽車輕量化設計開發現狀

汽車的輕量化設計一直受到許多學者的研究，其中崔新濤對多材料結構汽車車身輕量化設計方法進行了研究與闡述[1]；高大威等人通過對動力電池包進行結構優化，實現了純電動車的輕量化設計[2]；丁明德等從性能與成本角度出發，在某純電動汽車上運用復合材料，并進行了相關的CAE分析，實現了機艙支架的輕量化設計[3]；謝嘉悅等基于隱式參數化方法提出了電動汽車全參數化車身的平臺化與模塊化的設計開發建模策略，其中重點探究了輪距、軸距、車高、前段長度以及后端長度變化對汽車剛度與模態性能的影響，為實現性能驅動的電動汽車設計提供了參考[4]。同時為了推動綠色能源與可持續發展，提升市場競爭力，汽車輕量化設計越來越受到車企的重視。車企通常會采用多種方式進行輕量化設計，目前主要有進行采用高性能材料、結構優化等方式方法，在汽車平臺化設計的開發的過程中，汽車輕量化設計也至關重要。

3 基礎理論

3.1 模態理論

模態是結構系統的固有振動特性。在汽車的性能設計開發過程中，對車身進行模態分析，并使車身模態進行合理分布，可以有效地提高汽車的NVH性能。對結構系統進行模態分析時，振動微分方程為：

式中：為質量矩陣；為阻尼矩陣；為剛度矩陣；為車身系統的加速度向量，為車身系統的速度矩陣；為車身系統的位移向量，為激勵。

對于無約束的自由狀態下的車身系統，進行模態分析時，無需考慮外部激勵與阻尼。

假設車身系統做簡諧運動，位移可表示為：

式中：為振幅；為振動對應的圓頻率；為時間，為初始相位角。

將式（2）代入式（1）可得如下方程：

令式（3）的系數行列式為0，即：

其非零解中，即為固有頻率，代入式（3）所得特征向量即為對應的固有振型。

3.2 多目標優化理論

多目標優化方法可以在保證約束目標滿足設計要求的同時，實現目標優化，本文中是以剛度與模態為約束目標，白車身質量最小為優化目標，其中關鍵通用零部件厚度為變量，其數學模型為：

其中為白車身質量，為白車身的剛度，包括彎曲剛度與扭轉剛度；為白車身的模態，包括彎曲模態與扭轉模態，為關鍵通用零部件的厚度。

4 算例

4.1 有限元模型的建立

有限元分析技術可以對汽車的各種性能進行仿真分析，為了保證分析的精度，在平臺化車身的設計開發過程中，有限元模型的建立是進行其他分析的基礎。其中車身大部分由鈑金件組成，大部分采用殼單元進行劃分，網格主要采用四邊形單元進行劃分，其中會有少量三角形單元，本文所建立的白車身有限元模型材料參數如下表所示。

4.2 關鍵通用零部件的篩選

汽車平臺化設計的過程中，需要對汽車的通用零部件進行設計，這樣可以有效地節省制造成本，但在平臺化設計開發的過程中，通用零部件的設計需要滿足汽車性能需要。為了更快捷地進行平臺化車型的通用零部件設計，需要對通用零部件中影響汽車相關性能的零部件進行篩選，從而更加快捷地進行后續的設計開發，其中常用的方法包括經驗法和靈敏度分析法等。本文中，對某平臺車型的通用零部件進行了篩選，在通用零部件中主要是車身框架的零部件為影響白車身剛度與模態的關鍵通用零部件，通過工程經驗以及相關分析，影響白車身NVH性能的關鍵通用零部件主要為車身的橫梁與縱梁、門檻梁以及關鍵的接頭部分。

同時為了進行優化的過程中減少自變量，將對稱的關鍵通用零部件厚度設置為同一變量。

4.3 平臺化車身的剛度與模態分析

汽車NVH性能中，汽車的剛度是重要的性能指標之一，汽車的剛度會影響汽車NVH性能，也包括汽車的氣密性等性能。汽車在行駛的過程中，若汽車剛度性能不達標，會導致汽車動態氣密性較差，從而車內噪聲會增加。在汽車開發的過程中，主要是通過控制汽車的白車身剛度作為汽車的剛度指標，包括汽車的白車身彎曲剛度以及扭轉剛度。另外模態也是汽車NVH性能的重要指標之一，通過控制汽車模態的分布，可以有效地降低汽車的車內噪聲。通過對有限元模型施加合理的約束與加載條件以及其他的工況設置，可以有效地仿真計算出平臺化白車身的初始剛度與模態。

4.4 平臺化車身的輕量化設計

Isight集成軟件能完成多目標優化，也可以集成不同軟件，實現多軟件協同，完成多目標優化。本文通過Isight軟件進行后續的多目標優化，其中以關鍵通用零部件的厚度為自變量，白車身的扭轉剛度與彎曲剛度以及模態為約束目標，以白車身的質量作為目標，進行多目標優化。為了有效地節省計算的時間，需要提前進行對零部件的厚度進行自由組合計算出初始的值，設計出擬合的響應面，運用響應面的方式進行優化分析，可以有效地節省設計開發的時間周期。

將優化結果在有限元模型中進行驗證，對優化后的平臺化車身的剛度、模態進行分析。

優化后平臺化車身的彎曲、扭轉剛度以及模態等NVH性能依然滿足性能目標，輕量化減重達到8.7kg，輕量化效果顯著。

5 結論

汽車輕量化與NVH性能在汽車的開發過程具有重要意義，本文對平臺化車身的關鍵通用零部件進行篩選，以關鍵通用零部件厚度為自變量，白車身靜剛度與模態為約束目標，白車身質量最小為優化目標，進行了優化分析，得到了相應的關鍵零部件厚度的優化結果，最終實現了平臺化車身滿足剛度與模態性能要求的同時，汽車白車身質量減少了8.7kg。該方法對平臺化車身的設計開發有一定的參考價值。

基金項目：重慶旅游職業學院2023年度科研課題基于NVH性能的新能源汽車與傳統汽車的平臺化車身開發研究（xj2312）。

參考文獻：

[1]崔新濤.多材料結構汽車車身輕量化設計方法研究[D].天津：天津大學，2007.

[2]高大威，付靜江，王聰昌，等.純電動車動力電池包結構輕量化設計[J].公路交通科技，2023，40（06）：203-210.

[3]丁明德，張鵬，劉波.純電動汽車輕量化機艙支架總成優化與驗證[J].重慶交通大學學報（自然科學版），2021，40（11）：128-134.

[4]謝嘉悅，陳有松，沈國民.電動汽車全參數化車身平臺化與模塊化建模及性能帶寬研究[J].汽車工程學報，2023，13（01）：94-103.