《乘用車白車身輕量化設(shè)計(jì)與評價(jià)方法》

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ICS32.020

T40

團(tuán)體標(biāo)準(zhǔn)

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乘用車白車身輕量化設(shè)計(jì)與評價(jià)方法

LightweightdesignandEvaluationmethodofpassengerCarBodyinWhite

（報(bào)批稿）

在提交反饋意見時(shí)，請將您知道的該標(biāo)準(zhǔn)所涉必要專利信息連同支持性文件一并附上

DraftingguidelinesforcommercialgradesstandardofChinesemedicinal

materials

XXXX-XX-XX發(fā)布XXXX-XX-XX實(shí)施

中國汽車工程學(xué)會(huì)發(fā)布

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乘用車白車身輕量化設(shè)計(jì)與評價(jià)方法

1范圍

本文件規(guī)定了乘用車白車身輕量化設(shè)計(jì)與評價(jià)方法。

本文件適用于乘用車白車身，類似車型（整車整備質(zhì)量小于3.5t的其他乘用車）可參照執(zhí)行。

2規(guī)范性引用文件

下列標(biāo)準(zhǔn)對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，其隨后所有的修改（不

包括勘誤內(nèi)容）或修訂版均不適用于本標(biāo)準(zhǔn)，但鼓勵(lì)根據(jù)本標(biāo)準(zhǔn)達(dá)成協(xié)議的各方研究使用這些文件

最新版本的可能性。

GB/T1.1-2020標(biāo)準(zhǔn)化工作導(dǎo)則第一部分：標(biāo)準(zhǔn)化文件的結(jié)構(gòu)和起草規(guī)則

GB/T3730.3-1992汽車和掛車的術(shù)語及其定義—車輛尺寸

GB/T4780-2020汽車車身術(shù)語

GB11551-2014汽車正面碰撞的乘員保護(hù)

GB20071-2006汽車側(cè)面碰撞的乘員保護(hù)

GB/T20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護(hù)

GB/T33582-2017機(jī)械產(chǎn)品結(jié)構(gòu)有限元力學(xué)分析通用規(guī)則

SAE-ChinaJ0702－2013普通乘用車白車身彎曲剛度測試方法

SAE-ChinaJ0701－2013普通乘用車白車身扭轉(zhuǎn)剛度測試方法

3術(shù)語和定義

下列術(shù)語和定義適用于本文件。

3.1白車身BodyinWhite-BIW

本文件所定義的白車身相當(dāng)于GB/T4780-2020中定義的車身骨架加上前防撞梁總成、后防撞梁

總成，即由車身結(jié)構(gòu)件與覆蓋件組成，其中新能源車型需包含動(dòng)力電池箱殼體，不包含電芯，所有

車型均不含四門兩蓋及全車玻璃，全新架構(gòu)非承載式白車身還應(yīng)包括底盤車架。

3.2白車身扭轉(zhuǎn)剛度TorsionalstiffnessofBIW

白車身產(chǎn)生單位扭轉(zhuǎn)角所需要的外加扭矩，它表征了白車身抵抗扭轉(zhuǎn)彈性變形的能力。

3.3白車身彎曲剛度BendingstiffnessofBIW

使白車身產(chǎn)生單位彎曲變形所需要的力，它表征了白車身抵抗彎曲彈性變形的能力。

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3.4投影面積Projectedarea

指乘用車前后輪距的平均值與軸距的乘積。

3.5白車身性能一階靈敏度One-ordersensitivityofBIWperformance

指白車身的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階整體彎曲模態(tài)頻率、一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率等性能指標(biāo)，

相對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量如尺寸變量和形狀變量等的一階導(dǎo)數(shù)值。

3.6白車身質(zhì)量一階靈敏度One-ordersensitivityofBIWmass

指白車身的質(zhì)量相對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的一階導(dǎo)數(shù)值。

3.7白車身一階相對靈敏度One-orderrelativesensitivityofBIW

指白車身性能的一階靈敏度除以白車身質(zhì)量的一階靈敏度。

3.8白車身貢獻(xiàn)度BIWcontribution

指白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量的變化對白車身正碰、側(cè)碰和正面偏置碰撞等非線性響應(yīng)性能影響的大

小。

3.9白車身非安全件Non-safetypartsofBIW

指對整車正碰、側(cè)碰和正面偏置碰撞性能影響都較小的白車身零件。

3.10白車身安全件SafetypartsofBIW

指對整車正碰、側(cè)碰和正面偏置碰撞性能之一影響較大的白車身零件。

4技術(shù)要求

4.1結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)提取

4.1.1白車身正碰結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)提取

按照GB11551-2014，進(jìn)行整車正面碰撞仿真分析，提取白車身結(jié)構(gòu)的正碰抗撞性評價(jià)指標(biāo)如前

端壓潰量、前門變形量、白車身吸能量、防火墻侵入量、B柱與門檻梁連接處的沖擊加速度等。

4.1.2白車身側(cè)碰結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)提取

按照GB20071-2006，進(jìn)行整車側(cè)面碰撞仿真分析，提取白車身結(jié)構(gòu)的側(cè)碰抗撞性評價(jià)指標(biāo)如

B柱侵入量、B柱侵入速度、白車身吸能量、非碰撞側(cè)B柱沖擊加速度等。

4.1.3白車身正面偏置碰結(jié)撞構(gòu)抗撞性指標(biāo)提取

按照GB/T20913-2007，進(jìn)行整車正面偏置碰撞仿真分析，提取白車身結(jié)構(gòu)的抗撞性評價(jià)指標(biāo)如

前端壓潰量、前門變形量、白車身吸能量、防火墻侵入量、B柱與門檻梁連接處的沖擊加速度等。

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4.2剛度模態(tài)性能指標(biāo)提取

根據(jù)白車身有限元分析或臺(tái)架試驗(yàn)，提取白車身結(jié)構(gòu)彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、一階整體彎曲模態(tài)、

一階整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

5設(shè)計(jì)方法

5.1白車身有限元建模

5.1.1網(wǎng)格劃分

用四邊形殼單元、三角形殼單元、梁單元、桿單元、焊點(diǎn)單元、膠粘單元、剛性單元對白車身進(jìn)

行網(wǎng)格劃分，為了保證有限元模型分析精度，單元的平均尺寸不超過10mm。

5.1.2單元質(zhì)量控制要求

按照GB/T33582-2017表B.3單元質(zhì)量檢查控制參數(shù)要求執(zhí)行。

5.1.3材料屬性輸入

根據(jù)白車身各零件承受靜、動(dòng)態(tài)和沖擊載荷時(shí)產(chǎn)生線彈性變形和非線性變形速率的大小，以及

材料靜態(tài)力學(xué)性能和不同應(yīng)變速率動(dòng)態(tài)力學(xué)性能特性，輸入各單元的靜、動(dòng)態(tài)材料屬性，包括密度、

泊松比、彈性模量、剪切模量等材料參數(shù)；對于產(chǎn)生非線性變形的零件，還需要根據(jù)零件塑性變形

速率的大小，輸入對應(yīng)應(yīng)變速率下材料的應(yīng)力、應(yīng)變關(guān)系數(shù)據(jù)。

5.1.4材料損傷失效模型

5.1.4.1白車身在碰撞大變形時(shí)需要考慮應(yīng)變速率的影響，對于白車身上的金屬件，推薦選用

Johnson-Cook材料模型，其流變應(yīng)力與應(yīng)變、應(yīng)變速率之間關(guān)系按式（1）進(jìn)行計(jì)算：

??

?=(?+???)(1+???)…………（1）

??0

??

?1?1

式中，—流變應(yīng)力，MPa）；ε—等效應(yīng)變；ε—為應(yīng)變速率（s）；ε0—參考應(yīng)變速率（s）；

A—材料屈服應(yīng)力（MPa）；B—應(yīng)變強(qiáng)化系數(shù)；n—應(yīng)變強(qiáng)化指數(shù)；C—應(yīng)變速率強(qiáng)化系數(shù)。

5.1.4.2對于Johnson-Cook材料模型，其失效應(yīng)變定義如式（2）：

??

??=[?1+?2????3][1+?4???]（2）

????

式中，f—失效應(yīng)變；D1至D4—材料常數(shù)；p—靜水壓力；σeff—等效應(yīng)力。當(dāng)損傷參數(shù)的累加

值滿足式（3）時(shí)，材料發(fā)生失效。

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D1（3）

f

根據(jù)金屬材料的缺口試樣拉伸試驗(yàn)、純剪切試樣拉伸試驗(yàn)以及平滑試樣的拉伸試驗(yàn)，通過擬合

得到Johnson-Cook材料失效模型的各項(xiàng)參數(shù)。

5.1.4.3對于白車身上的復(fù)合材料零部件，推薦使用Chang-Chang失效準(zhǔn)則，Chang-Chang失效準(zhǔn)

則包括纖維的拉伸和壓縮、基體的拉伸和壓縮四種失效模式，具體表達(dá)式如表1所示：

表1Chang-Chang失效準(zhǔn)則模式

失效模式失效準(zhǔn)則

22aaab

纖維拉伸efaa()()10,0

XStc

22aa

纖維壓縮ecaa()10,0

Xc

222bbab

基體拉伸embb()()10,0

YStc

2222bbcbbabY

基體壓縮edbb()[()1]()10,0

22SSYScccc

根據(jù)復(fù)合材料0°、90°和±45°單向板的準(zhǔn)靜態(tài)單軸拉伸、壓縮和面內(nèi)剪切試驗(yàn)，通過曲線擬

合得到Chang-Chang失效準(zhǔn)則表達(dá)式中的各項(xiàng)參數(shù)。

5.1.5白車身質(zhì)量（kg）

白車身有限元建模后的結(jié)構(gòu)質(zhì)量與白車身三維實(shí)體模型質(zhì)量相比其變化不應(yīng)超過5%，整車碰撞

有限元模型總質(zhì)量與設(shè)定的實(shí)車整備質(zhì)量相比其變化不應(yīng)超過40kg。白車身的質(zhì)量應(yīng)在輕量化設(shè)計(jì)

報(bào)告中注明。

5.2模型驗(yàn)證

5.2.1模型前處理

在進(jìn)行整車被動(dòng)安全性分析模型驗(yàn)證時(shí)，車身有限元模型中須包含白車身、四門兩蓋和門窗玻

璃模型。并需要正確處理它們與白車身之間的安裝連接關(guān)系。

5.2.2乘用車正碰模型驗(yàn)證

按照GB11551-2014，進(jìn)行剛性壁障整車正面碰撞仿真分析，沙漏能占總能量的百分比應(yīng)小于

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5%，且碰撞過程中能量要保持守恒。在假人傷害指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的前提下，提取白車身結(jié)構(gòu)

抗撞性評價(jià)指標(biāo)，如前端壓潰量、兩側(cè)B柱與門檻梁連接處的沖擊加速度、防火墻侵入量、前門變

形量、白車身吸能量，以及正碰過程中的能量變化曲線等，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，誤差應(yīng)小于10%。

5.2.3乘用車側(cè)碰模型驗(yàn)證

按照GB20071-2006，進(jìn)行移動(dòng)變形壁障整車側(cè)面碰撞仿真分析，沙漏能占總能量的百分比要小

于5%，且碰撞過程中能量要保持守恒。在假人傷害指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的前提下，提取白車身結(jié)

構(gòu)抗撞性評價(jià)指標(biāo)，如碰撞側(cè)B柱對應(yīng)假人不同位置處的侵入量和侵入速度、非碰撞側(cè)B柱與門檻

梁連接處的沖擊加速度、白車身吸能量，以及側(cè)碰過程中的能量變化曲線等，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，

誤差應(yīng)小于10%。

5.2.4乘用車正面偏置碰撞模型驗(yàn)證

按照GB/T20913-2007，進(jìn)行整車正面40%偏置碰撞仿真分析，沙漏能占總能量的百分比要小于

5%，且碰撞過程中能量要保持守恒。在假人傷害指標(biāo)滿足標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定要求的前提下，提取白車身結(jié)構(gòu)

抗撞性評價(jià)指標(biāo)，如前端壓潰量、兩側(cè)B柱與門檻梁連接處的沖擊加速度、防火墻侵入量、前門變

形量、白車身吸能量，以及正面偏置碰撞過程中的能量變化曲線等，并與試驗(yàn)結(jié)果對比，誤差應(yīng)小

于10%。

5.3白車身一階相對靈敏度分析

通過對白車身零件進(jìn)行一階相對靈敏度分析，確定白車身各設(shè)計(jì)變量一階相對靈敏度排序。

5.4白車身貢獻(xiàn)度分析

利用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DesignofExperiment—DOE）或最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計(jì)（OptimalLatinHypercube

Design—OptLHD）等方法對白車身各設(shè)計(jì)變量貢獻(xiàn)度進(jìn)行分析，確定出白車身各結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)變量對白

車身正碰、側(cè)碰和正面偏置碰撞工況下結(jié)構(gòu)抗撞性非線性響應(yīng)貢獻(xiàn)大小排序。

5.5白車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

5.5.1優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)

白車身的質(zhì)量，以及白車身正碰、側(cè)碰和偏置碰撞等結(jié)構(gòu)抗撞性指標(biāo)與白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、

整體彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率等與白車身質(zhì)量減小相互沖突的響應(yīng)量均可選作優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。

5.5.2約束條件

除了選作目標(biāo)函數(shù)以外的白車身性能響應(yīng)指標(biāo)，如白車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、一彎和一扭模態(tài)

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頻率不低于要求的限值；正碰和偏置碰撞的前端最大壓潰量、防火墻最大侵入量、前門最大變形量，

與側(cè)碰B柱典型位置的最大侵入量和侵入速度，以及正碰、側(cè)碰和偏置碰撞B柱沖擊加速度等結(jié)構(gòu)

抗撞性指標(biāo)小于要求的限值均可作為約束條件。

5.5.3設(shè)計(jì)變量

白車身優(yōu)化設(shè)計(jì)變量包含零件材料、尺寸和斷面形狀變量，對于復(fù)合材料零件還有鋪層順序、

層數(shù)和纖維方向變量。根據(jù)白車身一階相對靈敏度分析和結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，以及包含白車身的

整車碰撞有限元模型規(guī)模及計(jì)算機(jī)硬件條件，通過綜合權(quán)衡計(jì)算時(shí)間和輕量化效果，找出篩選白車

身設(shè)計(jì)變量的一階相對靈敏度和結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果的門限值，確定出對白車身剛度、模態(tài)線性響

應(yīng)和結(jié)構(gòu)抗撞性非線性響應(yīng)性能不敏感和較敏感的若干變量作為白車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化的設(shè)計(jì)變

量。

5.5.4輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

5.5.4.1直接優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

白車身直接優(yōu)化設(shè)計(jì)利用多目標(biāo)優(yōu)化算法，如粒子群算法、蟻群算法、模擬退火算法和遺傳算

法等，以及相應(yīng)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件平臺(tái)如iSight、Optimus和Optistruct等，通過直接調(diào)用整車

正碰、側(cè)碰和偏置碰撞有限元仿真分析模型，以及白車身有限元模態(tài)分析和彎、扭剛度分析模型，

通過優(yōu)化迭代進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)的輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定出滿足約束條件要求，且使各目

標(biāo)函數(shù)均能有效收斂的帕累托（Pareto）妥協(xié)解的前沿，直接優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠避免用樣本點(diǎn)擬合代

理模型產(chǎn)生的近似誤差。為了使設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化迭代能夠在各分析子任務(wù)之間自動(dòng)地交替進(jìn)行，需

要建立全參數(shù)化白車身有限元模型（如SFE-Concept參數(shù)化模型）。直接優(yōu)化設(shè)計(jì)方法流程如圖1所

示；以白車身質(zhì)量和B柱沖擊加速度最小作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的案例，采用直接優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對白車

身進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的Pareto妥協(xié)解前沿如圖2所示。從圖2中確定出滿足所有約束

條件要求、白車身質(zhì)量最小的解作為白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案；亦可以采用多準(zhǔn)則決策方法從

Pareto妥協(xié)解前沿中確定出白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

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圖1白車身輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

圖2車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化帕累托（Pareto）解集

5.5.4.2代理模型方法

代理模型（又稱近似模型）方法是以數(shù)理統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)，通過采集少量樣本數(shù)據(jù)，在保證精度前

提下，建立復(fù)雜仿真模型的近似模型。用代理模型方法進(jìn)行白車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟為：

5.5.4.2.1樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)采集

采用試驗(yàn)設(shè)計(jì)（DOE）或最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)等方法設(shè)計(jì)出設(shè)計(jì)變量樣本點(diǎn)的分布；利用

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白車身全參數(shù)化模型快速生成有限元模型；進(jìn)行各樣本點(diǎn)的有限元仿真分析計(jì)算，完成輸入/輸出樣

本點(diǎn)數(shù)據(jù)的采集，并匯總分析結(jié)果。

5.5.4.2.2代理模型選擇

根據(jù)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的與樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)采集結(jié)果，選擇確定合適的代理模型類型。

5.5.4.2.3擬合代理模型

根據(jù)選擇的代理模型，取采集全部樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)的80%-90%，對代理模型進(jìn)行曲線擬合，得到代

理模型函數(shù)；

5.5.4.2.4代理模型誤差分析與精度檢驗(yàn)

取剩余的10%-20%樣本點(diǎn)數(shù)據(jù)對代理模型進(jìn)行誤差分析和精度檢驗(yàn)，工程上常用的檢驗(yàn)方法有

決定系數(shù)（R2）法和相對最大絕對誤差（RelativeMaximumAbsoluteError-RMAE）方法。R2越接近

于1、RMAE越接近于0說明代理模型的精度越高。通過誤差分析判斷代理模型誤差大小是否在可

接受范圍內(nèi)，如果誤差在可接受范圍內(nèi)，即可作為最終的代理模型，如果模型誤差過大，需要增加

樣本點(diǎn)降低誤差，或更換代理模型重新進(jìn)行擬合和模型精度檢驗(yàn)，直到誤差達(dá)到要求的精度為止。

5.5.4.2.5代理模型的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

利用約束全局優(yōu)化算法（如非支配排序遺傳算法，粒子群算法，多島遺傳算法等）對代理模型

進(jìn)行輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，其優(yōu)化分析流程如圖3所示，是以白車身質(zhì)量最小和彎曲、扭轉(zhuǎn)

剛度最大作為優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)的案例，通過用代理模型法進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到的Pareto妥

協(xié)解前沿如圖4所示。從圖4中確定出滿足所有約束條件要求，白車身質(zhì)量最小的解作為白車身輕

量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。同樣，亦可以采用多準(zhǔn)則決策方法從Pareto妥協(xié)解前沿中確定出白車身輕量化

優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

圖3基于代理模型方法的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)流程

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圖4車身輕量化多目標(biāo)優(yōu)化Pareto解前沿

6白車身輕量化性能驗(yàn)證

6.1輕量化白車身有限元建模

把經(jīng)輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化得到的白車身優(yōu)化設(shè)計(jì)變量按照鋼板厚度規(guī)格和制造工藝要求進(jìn)行

相應(yīng)調(diào)整，得到經(jīng)工程圓整后的白車身輕量化設(shè)計(jì)方案。根據(jù)該設(shè)計(jì)方案對白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，

如果所建白車身模型為全參數(shù)化模型，結(jié)構(gòu)修改十分方便、快捷，將最終確定的白車身輕量化設(shè)計(jì)

方案數(shù)據(jù)文件輸入白車身全參數(shù)化模型，即可實(shí)現(xiàn)白車身結(jié)構(gòu)自動(dòng)修改；如果白車身模型為非參數(shù)

化模型，則需要對相關(guān)零件逐個(gè)進(jìn)行手工修改，再代入白車身模型才能完成結(jié)構(gòu)修改。再按照5.1的

要求重新進(jìn)行白車身有限元建模。

6.2白車身彎曲剛度

6.2.1白車身彎曲約束設(shè)置

按照SAE-ChinaJ0702-2013中規(guī)定的約束方式，在白車身與前后懸架減振器四個(gè)連接點(diǎn)處施加

球鉸約束，相當(dāng)于約束白車身上四個(gè)連接點(diǎn)處各節(jié)點(diǎn)的XYZ三個(gè)方向的移動(dòng)自由度如圖5所示。

圖5分析白車身彎曲剛度的約束方法

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6.2.2白車身彎曲加載

通過在座椅安裝位置施加均布載荷的方式對白車身進(jìn)行彎曲剛度計(jì)算加載，施加的最大載荷為

該車型最大載客量乘以750N，并向上圓整至1000N的整數(shù)倍。

6.2.3白車身最小彎曲剛度計(jì)算

當(dāng)在白車身上施加最大均布載荷時(shí)，提取白車身上的最大垂向位移值，并按式（4）計(jì)算出白車

身的最小彎曲剛度。

??min=?/??(4)

式中，??min—白車身最小彎曲剛度，N/m；?—施加到白車身上的最大載荷，N；??—白車身的

最大垂向位移值，m。

6.2.4輕量化白車身彎曲剛度評價(jià)

白車身的最小彎曲剛度，應(yīng)滿足該車型白車身彎曲剛度設(shè)計(jì)要求。如果不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根

據(jù)白車身彎曲剛度的相對靈敏度分析結(jié)果，調(diào)整對白車身彎曲剛度較敏感的輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行

結(jié)構(gòu)修改，再重新進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

6.3白車身扭轉(zhuǎn)剛度

6.3.1白車身扭轉(zhuǎn)約束設(shè)置

按照SAE-ChinaJ0701-2013中規(guī)定的約束方式，在白車身與后懸架減振器二個(gè)連接點(diǎn)處施加球

鉸約束，相當(dāng)于約束其二個(gè)連接點(diǎn)處各接點(diǎn)的X、Y、Z三個(gè)方向的移動(dòng)自由度，將前懸架減振器與

白車身二個(gè)連接點(diǎn)進(jìn)行剛性連接，約束其中點(diǎn)處的X、Y、Z、My、Mz五個(gè)自由度，只保留其繞X軸

轉(zhuǎn)動(dòng)的自由度Mx，如圖6所示。

圖6分析白車身扭轉(zhuǎn)剛度的約束方法

6.3.2白車身扭轉(zhuǎn)加載

采用在白車身與前懸架減振器連接點(diǎn)施加垂向集中反向載荷的方式對白車身進(jìn)行扭轉(zhuǎn)加載，載

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荷大小為該車型滿載時(shí)前軸荷的1/2，并向下圓整至1000N的整數(shù)倍，加載方式如圖7所示。

圖7分析白車身扭轉(zhuǎn)剛度的加載方式

6.3.3白車身最小扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算

當(dāng)在白車身上施加最大扭轉(zhuǎn)載荷時(shí)，提取白車身上二個(gè)加載點(diǎn)處的最大垂向位移值?1和?2，并

按式（5）計(jì)算出白車身的最小扭轉(zhuǎn)剛度。

??

?=(5)

?????

式中，?????—白車身最小扭轉(zhuǎn)剛度，???/???；?—施加在白車身上的垂直載荷，N；?—兩

加載點(diǎn)之間的水平距離，m；?—白車身前后軸間相對扭轉(zhuǎn)角度，deg；如圖8所示。

圖8白車身前后軸間相對扭轉(zhuǎn)角

θ角的計(jì)算如式（6）所示。

|?|+|?|

?=?????[12]（6）

?

式中，U1—左側(cè)加載點(diǎn)處的垂向位移，m；U2—右側(cè)加載點(diǎn)處的垂向位移,m。

6.2.2.4白車身扭轉(zhuǎn)剛度評價(jià)

計(jì)算得到的輕量化白車身最小扭轉(zhuǎn)剛度，應(yīng)該滿足該車型對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計(jì)要求。如果

不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)白車身扭轉(zhuǎn)剛度的相對靈敏度分析結(jié)果，調(diào)整對白車身扭轉(zhuǎn)剛度較敏感的

輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，再重新進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

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6.3白車身一彎和一扭模態(tài)頻率

對輕量化后的白車身有限元模型進(jìn)行自由模態(tài)分析，計(jì)算其一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，應(yīng)

該滿足對該車型白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率設(shè)計(jì)要求。如果不滿足設(shè)計(jì)要求，應(yīng)根據(jù)白車身一彎、

一扭頻率的相對靈敏度分析結(jié)果，調(diào)整對白車身一彎、一扭頻率較敏感的輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行結(jié)

構(gòu)修改，再重新進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，直至滿足設(shè)計(jì)要求。

6.4白車身結(jié)構(gòu)抗撞性

6.4.1正碰被動(dòng)安全性

按照GB11551-2014規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行整車正面碰撞仿真分析，車內(nèi)假人的傷害指標(biāo)應(yīng)滿

足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；如果不滿足正碰被動(dòng)安全性要求，應(yīng)根據(jù)白車身正碰安全件（前防撞梁、

吸能盒、前縱梁、前圍板等零部件）的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，調(diào)整對白車身正碰安全件貢獻(xiàn)度較大

的輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，重新按照GB11551-2014進(jìn)行正碰仿真分析和比較，直至滿足

正碰被動(dòng)安全性要求。

6.4.2側(cè)碰安全性

按照GB20071-2006規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行整車側(cè)面碰撞仿真分析，車內(nèi)假人的傷害指標(biāo)應(yīng)滿

足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；如果不滿足側(cè)碰被動(dòng)安全性要求，應(yīng)根據(jù)白車身側(cè)碰安全件（B柱、門檻

梁、車門防撞橫梁、車頂橫梁等零部件）的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，調(diào)整對白車身側(cè)碰安全件貢獻(xiàn)度

較大的輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，重新按照GB20071-2006進(jìn)行側(cè)碰仿真分析和比較，直至

滿足側(cè)碰被動(dòng)安全性要求。

6.4.3正面偏置碰撞安全性

按照GB/T20913-2007規(guī)定的試驗(yàn)方法，進(jìn)行整車40%正面偏置碰撞仿真分析，車內(nèi)假人的傷

害指標(biāo)應(yīng)滿足國家標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的要求；如果不滿足正面偏置碰撞被動(dòng)安全性要求，應(yīng)根據(jù)白車身正面

偏置碰撞安全件（前保險(xiǎn)杠防撞梁、吸能盒、前縱梁、前圍板等零部件）的結(jié)構(gòu)貢獻(xiàn)度分析結(jié)果，調(diào)

整對白車身正面偏置碰撞安全件貢獻(xiàn)度較大的輕量化設(shè)計(jì)變量并進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改，再重新按照GB/T

20913-2007進(jìn)行整車40%正面偏置碰撞仿真分析和比較，直至滿足正面偏置碰撞被動(dòng)安全性要求。

7白車身輕量化評價(jià)方法

7.1白車身輕量化系數(shù)

為了評價(jià)不同車型和級別乘用車白車身的輕量化水平，并使評價(jià)結(jié)果具有可比性，采用以下輕

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量化系數(shù)公式作為白車身輕量化效果的評價(jià)指標(biāo)，來對白車身輕量化水平進(jìn)行比較和評價(jià)，白車身

輕量化系數(shù)????按式（7）計(jì)算：

????3

????=×10（7）

???

式中，????—白車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量（kg）；??—白車身的靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度，???/???；?—四輪間的垂

向投影面積（即前、后輪平均輪距乘以軸距），m2；如圖9所示。

圖9白車身四輪間的垂向投影面積

7.1.1對于傳統(tǒng)燃料乘用車白車身，在計(jì)算白車身質(zhì)量MBIW和CT時(shí)，應(yīng)包含水箱橫梁如圖9所

示；不含四門兩蓋、全車玻璃與可拆卸的副車架。

7.1.2在7.1.1規(guī)定的基礎(chǔ)上，對于新能源乘用車承載式白車身，因動(dòng)力電池箱殼體連接到白車身

地板上，對白車身質(zhì)量MBIW和扭轉(zhuǎn)剛度CT影響很大，在白車身彎、扭和碰撞工況下起重要的承載

和傳力作用，在進(jìn)行白車身性能驗(yàn)證和輕量化系數(shù)計(jì)算時(shí)，均應(yīng)包含動(dòng)力電池箱殼體，但不包含其

內(nèi)部安裝的電池模組和控制器等零部件。

7.1.3在7.1.1規(guī)定的基礎(chǔ)上，對采用滑板式底盤平臺(tái)的全新架構(gòu)新能源乘用車非承載式白車身，

乘員艙與底盤車架機(jī)械連接，動(dòng)力電池倉連接在底盤車架前、后端結(jié)構(gòu)中間的框架內(nèi)部，因底盤車

架、動(dòng)力電池箱殼體對非承載式白車身質(zhì)量MBIW和扭轉(zhuǎn)剛度CT影響很大。它們共同承擔(dān)彎曲和扭

轉(zhuǎn)載荷，以及正碰、側(cè)碰和偏置碰沖擊載荷，在進(jìn)行白車身性能驗(yàn)證和輕量化系數(shù)計(jì)算時(shí)，除了乘

員艙外，還應(yīng)包含底盤車架和動(dòng)力電池箱殼體。同樣不包含動(dòng)力電池箱內(nèi)部電池模組和控制器等零

部件，如圖10所示。

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圖10滑板式全新架構(gòu)電動(dòng)汽車底盤車架、電池箱和非承載車身

7.1.4白車身扭轉(zhuǎn)剛度對其輕量化系數(shù)有較大影響。試驗(yàn)測量或有限元計(jì)算白車身扭轉(zhuǎn)剛度時(shí)，不

同約束和加載方式、車身最大扭轉(zhuǎn)變形量的提取位置、以及白車身上是否帶有前后風(fēng)擋玻璃和副車

架對其扭轉(zhuǎn)剛度影響很大，從而使計(jì)算出來的白車身輕量化系數(shù)不具有可比性，式（7）中白車身扭

轉(zhuǎn)剛度CT的仿真計(jì)算方法按照6.3節(jié)進(jìn)行，白車身扭轉(zhuǎn)剛度的物理試驗(yàn)測試方法按照SAE-China

J0701-2013測量。

7.2白車身輕量化效果評價(jià)

得到的白車身輕量化系數(shù)????應(yīng)該滿足對白車身輕量化設(shè)計(jì)的目標(biāo)要求，如果不滿足要求，重

新進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)的輕量化多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，來進(jìn)一步降低白車身質(zhì)量，增加白車身扭轉(zhuǎn)剛度，

直至滿足白車身輕量化系數(shù)的目標(biāo)要求。利用白車身輕量化系數(shù)進(jìn)行不同車型乘用車白車身輕量化

水平進(jìn)行評價(jià)比較時(shí)，按照傳統(tǒng)燃料車型白車身，裝用承載式車身結(jié)構(gòu)的新能源乘用車白車身，以

及裝用非承載式車身結(jié)構(gòu)的滑板式全新架構(gòu)新能源乘用車白車身三種類別分別進(jìn)行評價(jià)和比較，才

具有可比性。

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參考文獻(xiàn)

[1]Wang,Dengfeng,Cai,Kefang.Multi-objectivecrashworthinessoptimizationofvehicle

bodyusingparticleswarma