面向設計的車身結構輕量化設計研究

面向設計的車身結構輕量化設計研究

車載結構輕量化的現狀目前，承包車已成為主要車輛的主機類型。由于需要承受汽車的主要載荷,所以必須具有足夠的剛度和強度,而這往往是以增加車身質量為代價。為了提高車輛的動力性,減少能源消耗,降低生產與運行成本,進而減少排放,必須進行汽車輕量化核心技術的開發(fā)與應用。然而如何對各類車型的輕量化程度進行評估,行業(yè)內尚在商榷。目前國際上傾向于采用輕量化系數L來評價乘用車的輕量化效果。輕量化系數L的物理意義是白車身具有單位性能所需要的質量,具體定義為L=M×103A?CT(1)L=Μ×103A?CΤ(1)式中:M為白車身質量,kg;A為由軸距、輪距決定的白車身投影面積,m2;CT為白車身靜態(tài)扭轉剛度,N·m/(°)。國外從20世紀80年代初就開始進行汽車輕量化研究,效果比較明顯的是用輕型材料替換車身原有鋼材,目前已制造出部分產品,還有一些學者通過有限元法對車身梁截面尺寸進行優(yōu)化設計。我國的汽車輕量化技術起步較晚,主要集中在高強度鋼板的推廣使用。目前有關車身結構輕量化的理論研究和實踐已經取得了大量成果,但大多集中在對現有車型的輕量化改型設計,輕量化的潛力較小。為了提高輕量化程度,必須在設計階段就將輕量化思想融入到車身結構設計中,即在設計初期就通過CAE技術對設計進行分析、評價和優(yōu)化,確定可行的輕量化方案,從而提高初始設計水平。目前,車身輕量化的途徑主要有兩種:結構輕量化設計和使用輕型材料,但是綜合運用這兩種方法進行車身輕量化的研究開展得比較少。另外,在國內現階段的研究中,經常是把板料厚度和材料參數對汽車性能的影響分開來考慮,因而割裂了車身吸能部件板料厚度和材料參數的匹配問題,忽略了輕量化與耐撞性的矛盾。鑒于以上的輕量化研究現狀,筆者基于CAE技術,綜合運用結構輕量化和材料輕量化兩種手段,兼顧輕量化與耐撞性,提出一套面向設計的車身結構輕量化設計方法,并將其應用于某SUV的開發(fā),從而減少設計的盲目性,達到L≤4.8的預期目標,實現以更低的開發(fā)成本提高車身研制水平的目的。1存在的問題和方案工程實踐中車身結構輕量化的措施目前還主要依賴于設計經驗和試驗,故往往趨于保守。國外20世紀80年代末期發(fā)展起來的結構修改靈敏度分析方法,是在有限元法的基礎上分析對各變量響應的變化規(guī)律,進而以靈敏度為基礎對車身進行優(yōu)化,從而在車身的設計階段有效地評估車身結構特性,并針對其不足之處提出改進設計的思路和方案。面向設計的車身結構輕量化設計是在設計階段應用靈敏度分析方法和基于梯度法的修正可行方向優(yōu)化算法,在保證車身結構性能要求的前提下,提高材料的利用率,從而達到車身結構輕量化的目的,其設計流程如圖1所示。首先,利用設計階段的CAD初步數據建立有限元模型進行車身結構剛度、模態(tài)分析和碰撞安全性評估。然后,以此為基礎運用靈敏度分析技術和基于梯度法的修正可行方向優(yōu)化算法,結合扭轉工況分析的應力結果制定保證扭轉剛度、彎曲剛度、1階扭轉模態(tài)頻率和1階彎曲模態(tài)頻率等主要性能指標不變或略有提高的輕量化方案,并提交項目組進行可制造性評審。評審通過后驗算優(yōu)化的模態(tài)和剛度,并進行輕量化效果評估。最后,對碰撞安全性影響較大的減薄件作材料替換后的碰撞安全性進行驗證。至此,設計階段的車身結構輕量化設計即告完成。之后,在試制試裝階段對樣車進行試驗,驗證仿真結果并對模型進行修正,為后續(xù)的改進設計提供參考。2標準車框架的平滑設計2.1白單車模態(tài)和靜態(tài)剛度采用HYPERMESH前處理軟件建立某SUV白車身的有限元模型。單元的平均大小為10mm,總數662237個(主要是板殼單元),其中四邊形單元619510個,三角形單元35235個(占5.3%)。焊點采用CWELD單元模擬。計算得白車身總質量為314.6kg。車身結構的低階彈性模態(tài)基本上不受其他附件的影響,反映了車身的整體剛度性能,同時也是NVH性能評價的關鍵指標,對其進行分析可為輕量化效果評估和車身NVH特性研究提供重要依據。采用MSC.NastranSOL103(線性模態(tài)求解器)在自由狀態(tài)下計算得兩個重要的整體模態(tài):1階扭轉模態(tài)(35.3Hz)和1階彎曲模態(tài)(40.9Hz)。白車身的靜態(tài)剛度直接關系到車身的模態(tài)、強度、碰撞安全性和操縱穩(wěn)定性,是車身的基本性能指標。一般車身的靜態(tài)剛度越大,質量越輕,動態(tài)剛度越大。靜態(tài)剛度計算包括扭轉和彎曲兩種工況,它們代表了車身承受的兩種主要載荷。采用MSC.NastranSOL101(線性靜力學求解器)計算得白車身扭轉剛度為14227N·m/(°),彎曲剛度為13650N/mm。2.2輕量化方案的確定由輕量化系數的定義可知:要減小輕量化系數,一方面要適當降低車身質量,另一方面要提高車身的扭轉剛度,但實際上這兩個要求存在一定的矛盾,因而須要進行多目標優(yōu)化。對此,采用文獻中的“乘除法”,它屬于解多目標規(guī)劃問題的評價函數法。參考輕量化系數的定義構造評價函數為h=M/CT,于是,將“白車身質量M最小”和“白車身靜態(tài)扭轉剛度CT最大”兩個優(yōu)化目標合并成一個,即“評價函數h最小”,從而轉化為單目標約束優(yōu)化問題。單目標約束優(yōu)化問題可以表述為{minF(X)gj(X)≤0j=1,2,?,l(2){minF(X)gj(X)≤0j=1,2,?,l(2)式中:F(X)為目標函數,X為由設計變量和狀態(tài)變量組成的向量,gj(X)為約束函數。求解多元函數F(X)的優(yōu)化問題時采用的是基于梯度的修正可行方向優(yōu)化算法——利用目標函數和約束函數的梯度信息,確定尋找方向,在設計空間內搜尋滿足條件的最優(yōu)解。以一個二維設計空間中的優(yōu)化問題為例(圖2),目標函數為F(X),兩個約束函數分別為g1(X)和g2(X),約束邊界為約束函數等于零時的曲線。圖中還畫出了幾個目標函數為常數的等值曲線,最優(yōu)點為兩個約束邊界的交點,即X*處。優(yōu)化求解開始時,先沿著目標函數梯度的負方向前進,遇到約束邊界條件后沿著約束邊界在使目標函數減少的方向上選擇搜索方向,最終找到最優(yōu)解。對于本實例,首先利用扭轉工況分析的應力結果(圖3),保留應力較大的單元可進一步確定需進行板厚靈敏度分析及優(yōu)化的區(qū)域。根據分析域,結合經驗和實際生產中的一些限制,最終選定150個零件的厚度作為優(yōu)化變量(圖4),其厚度的變化范圍為初始厚度的±20%。采用MSC.Nastran的線性優(yōu)化求解器進行板厚靈敏度分析,并以評價函數h最小為目標進行初步優(yōu)化。經上述靈敏度分析和數據處理后,得到一系列經過百分比歸一化后的相對靈敏度。零件的扭轉剛度相對靈敏度高,說明其對扭轉性能的相對貢獻量比較大,一般應對其進行加強或者增厚。對扭轉剛度相對靈敏度低的零件應該區(qū)別對待:對于本該充分發(fā)揮其抗扭作用而實際上沒發(fā)揮的零件,應采取措施使其盡量分擔扭轉載荷;對于與碰撞安全性、抗彎性關系不大,且沒有特殊用途的零件,要作為輕量化的重點對象。由于受到如變更的零件數須盡量少,零件厚度的調整應根據現有材料的牌號進行圓整,調整量要適度,以盡量不改動相應的加工模具等實際生產的限制,必須與其他部門進行密切溝通,并根據反饋意見,結合扭轉工況下的應力數據,參考初步優(yōu)化結果制定多套輕量化方案供決策者選擇。多目標數學規(guī)劃法每次運算只能得到一個非劣解,不能滿足快速制定多套輕量化方案供決策者選擇的工程要求。而靈敏度方法可滿足此要求,因為根據靈敏度信息能比較快速、準確地估算每一次修改所帶來的結果。圖5為各輕量化方案的目標函數分布圖。由于兩目標的量綱不同,因而對其進行了歸一化。經歸一化后,各目標的數值越小越好。經多方討論,由決策者選擇了其中一套輕量化方案。表1列出了該輕量化方案在優(yōu)化前后厚度變化較大的部分零件。對輕量化后的模型進行低階整體模態(tài)、扭轉剛度和彎曲剛度的驗算,并且計算其車身結構質量和輕量化系數。輕量化前后的車身結構各主要性能指標的變化情況見表2。在前縱梁底面中心線、門檻下邊梁板件接合處和后縱梁底面中心線上選取若干節(jié)點,以取值點X坐標為橫坐標、繞X軸的轉角為縱坐標做出扭轉工況下的縱向變形曲線,如圖6所示。經過輕量化設計后,車身結構質量下降了4.9kg,模態(tài)和剛度等主要性能指標都有不同程度的提高,輕量化系數L降低到4.53,達到L≤4.8的目標。優(yōu)化后的車身扭轉變形減小,扭轉剛度顯著提高,且更趨于均勻協(xié)調。3碰撞安全試驗3.1提高材料的屈服強度車身結構的輕量化一方面可以提高車輛的動力性,減少能源消耗,降低成本;另一方面會對車身的碰撞安全性產生影響。如何協(xié)調輕量化和耐撞性的矛盾是車身輕量化技術應用的關鍵。材料替換一般依據等強度原則,即替換前后材料的板件截面積與替換材料的屈服強度之積不變。而在實際應用中,一般要保證材料替換后該乘積略大于原設計,即Sσs≥Soσso(3)式中:S為替換材料的板件截面積,σs為替換材料的屈服強度,So為原板件截面積,σso為原材料的屈服強度。由于板件截面積與板件厚度T呈正比,于是替換材料的屈服強度為σs≥Toσso/T(4)式中:T為替換材料的板件厚度,To為原板件厚度。選出對碰撞安全性影響較大的減薄件(圖7),依據上述的等強度原則對其進行不同程度的材料升級,部分減薄件的材料替換方案見表3,升級后的材料具有更高的屈服強度。接著進行正面40%重疊可變形壁障碰撞和側面碰撞的安全性驗證。3.2柱中心—正面40%重疊可變形壁障碰撞安全性驗證根據E-NCAP的要求,建立了正面碰撞模型(圖8)。乘員所受到的傷害與車身結構的變形關系密切,所以可以車身加速度、A柱與B柱的相對位移量、前擋板侵入量、轉向柱中心X、Z方向的侵入量,以及制動踏板侵入量作為正撞安全性評價指標。從后側門門檻中部加速度曲線(圖9)可以看出,輕量化前后加速度變化趨勢基本一致,其峰值分別為49.38g和50.88g,差距非常小,不會對正面碰撞安全性造成影響。如表4所示,輕量化后A-B柱相對位移量的峰值和穩(wěn)定值稍有增加,前擋板侵入量、轉向柱中心點在X、Z方向的侵入量均有所減小,制動踏板侵入量峰值略有增加而穩(wěn)定值有所減小。總體來看,輕量化后各評價指標的變化都非常小,說明輕量化對正面碰撞安全性影響很小。3.3b柱結構輕量化根據E-NCAP的要求建立側面碰撞模型,見圖10。側面碰撞安全性主要以B柱的侵入量和侵入速度作為評價指標。B柱侵入量的測點位置如圖11所示,在左側B柱從下到上依次選擇7個節(jié)點(P1～P7),這些節(jié)點均位于B柱上,它們的Z向坐標依次為:50、200、400、600、800、1000和1150mm,左、右B柱相對應節(jié)點在Y向的相對位移即該點的侵入量。側面碰撞時胸部位置侵入速度的大小對乘員傷害的影響很大。為了保證側撞安全性,要求B柱侵入速度小于7m/s。P3～P5的位置大致與假人胸部位置相對應,因此選擇這3點的侵入速度作為評價指標。如表5所示,對于優(yōu)化前后的侵入量峰值,B柱下端P1～P33個位置小幅減小,上端P4～P74個位置稍有增加;對于侵入量穩(wěn)定值,除B柱最頂端P7的侵入量有微小增加外,其他6個點的侵入量均有小幅減小;侵入速度沒有明顯變化?？梢?輕量化后各評價指標的變化都非常小,不會對側面碰撞安全性造成影響?？傮w來看,輕量化后的側面碰撞安全性略有提高。4測試工作的完成情況白車身試制試裝完成之后,有必要對其進行實測試驗。試驗結果可用于檢查評估已經建立的模型,進而可以對其進行適當修正,為后續(xù)的改進設計提供參考。在開發(fā)實例中,試制試裝后的試驗工作已經完成。對實物樣車進行了模態(tài)和剛度等測試分析。由試驗結果可知:1階扭轉模態(tài)頻率、1階彎曲模態(tài)頻率的計算值(圖12)與試驗值(圖13)相比,誤差分別為0.83%和1.2%,吻合較好,從而在一定程度上驗證了前期白車身模型的精度和可靠性。5梯度法+傳統(tǒng)增廣拉格式(1)綜合運用結構輕量化和材料輕量化兩種手段,兼顧輕量化和耐撞性相互矛盾的要求,提出了面向設計的車身結構輕量化設計流程,并將其成功