摘要：在車(chē)身開(kāi)發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段,，提出了不同工況下評(píng)價(jià)白車(chē)身輕量化效果的輕量化指標(biāo),，并建立了全參數(shù)化概念車(chē)身模型,。以某新車(chē)型白車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)為例，對(duì)其全參數(shù)化概念車(chē)身進(jìn)行以彎曲剛度,、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)以及白車(chē)身質(zhì)量為設(shè)計(jì)響應(yīng)的車(chē)身截面形狀和尺寸的集成輕量化設(shè)計(jì),，最后針對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行正碰,、側(cè)碰,、偏置碰的性能驗(yàn)證。結(jié)果表明：本文提出的方法具有較好的輕量化設(shè)計(jì)效果,。

0 引言

隨著近年來(lái)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)的快速發(fā)展，汽車(chē)保有量每年都快速上升,。能源和環(huán)境已經(jīng)成為影響汽車(chē)發(fā)展的一個(gè)重要因素。數(shù)據(jù)顯示,，對(duì)于質(zhì)量為1000kg的轎車(chē),，質(zhì)量降低10%就可以節(jié)約8%的能源消耗,，減少約4%的排放量。因此，輕量化技術(shù)對(duì)于提高汽車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性和降低排放量有很大的好處,。該技術(shù)已經(jīng)成為各汽車(chē)制造商用于加強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力的一個(gè)關(guān)鍵因素。文獻(xiàn)[1-2]對(duì)白車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)方法做了大量研究,，但主要針對(duì)板料厚度為設(shè)計(jì)變量，較難在更大程度上實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì),。德國(guó)SFE公司開(kāi)發(fā)了隱式全參數(shù)化概念車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件，實(shí)現(xiàn)了在車(chē)身設(shè)計(jì)早期階段進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的目的[3],。本文針對(duì)汽車(chē)開(kāi)發(fā)的概念設(shè)計(jì)階段傳統(tǒng)方法設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)、方案更改過(guò)程慢,，引入全參數(shù)化概念車(chē)身協(xié)同開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)方法。結(jié)合利用模塊化設(shè)計(jì)技術(shù),，快速化創(chuàng)建出詳細(xì)全參數(shù)化概念車(chē)身模型,。在保證白車(chē)身質(zhì)量不變情況下,，獲得了剛度、模態(tài)等性能較大提升的前期車(chē)身結(jié)構(gòu),，實(shí)現(xiàn)了概念車(chē)身的正向設(shè)計(jì),，達(dá)到了提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率,、縮短設(shè)計(jì)周期的目的。

1.輕量化指標(biāo)的提出及輕量化設(shè)計(jì)流程

汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)包括減重和性能提升兩個(gè)方面,。為表征白車(chē)身輕量化的效果,，寶馬公司提出輕量化系數(shù)的概念,，該系數(shù)L可用下式表示為

                            (1)

式中m為白車(chē)身質(zhì)量(不包括車(chē)門(mén)和玻璃)，Kg,；Ct為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度(包括玻璃),，N·m/(°),；A左右輪邊寬度與軸距的乘積所得的面積，L為輕量化系數(shù),，Kg/ N·m/[(°)·m2]。由(1)式分析可知,，輕量化系數(shù)L越小，白車(chē)身輕量化效果越好,。同理，如果白車(chē)身輕量化的水平是由其他性能參數(shù)的提高而實(shí)現(xiàn),，在公式(1)中CtA應(yīng)替換為其他對(duì)應(yīng)性能參數(shù)。為此,，本文分別稱(chēng)L1,L2,L3為扭轉(zhuǎn)剛度Ct、整體彎曲剛度K和一階尾門(mén)框扭轉(zhuǎn)模態(tài)ω性能提升的輕量化系數(shù),。

為能更直接表征輕量化效果，本文引用輕量化指數(shù)L?的概念[4],，其中L?可表示為

   (2)

Lm, Ln分別代表結(jié)構(gòu)優(yōu)化前后的輕量化系數(shù)。當(dāng)白車(chē)身質(zhì)量不變時(shí)方程(2)可簡(jiǎn)化為

  (3)

同理,，對(duì)應(yīng)于整體彎曲剛度K和一階尾門(mén)框扭轉(zhuǎn)模態(tài)ω性能提升的輕量化指數(shù)也可以表達(dá)成類(lèi)似(3)式的形式。其中,，Am，An分別為輕量化前后的左右輪邊寬度與軸距的乘積所得的面積,。利用上述輕量化指數(shù)L?表征的結(jié)構(gòu)優(yōu)化效果為白車(chē)身質(zhì)量不變時(shí)其性能提升的百分比。

為能夠在更大程度上實(shí)現(xiàn)白車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì),，本文針對(duì)截面形狀,、尺寸,，結(jié)構(gòu)位置等設(shè)計(jì)參數(shù)進(jìn)行以白車(chē)身剛度、模態(tài)以及質(zhì)量為設(shè)計(jì)響應(yīng)的輕量化設(shè)計(jì),，最后將獲得的最優(yōu)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于碰撞安全性的性能驗(yàn)證,，其設(shè)計(jì)流程如圖1所示,。

圖 1 輕量化設(shè)計(jì)流程

圖 2  接頭拓?fù)湮恢米兓?/span>

圖 3  截面變形過(guò)程

綜合所述,，利用本文提出的模型參數(shù)化技術(shù)可以方便地對(duì)概念車(chē)身進(jìn)行形狀和尺寸的集成優(yōu)化設(shè)計(jì)。

• 扭轉(zhuǎn)工況：在前保險(xiǎn)杠中心約束Z向自由度,，在后懸螺彈簧座中心左右兩邊分別約束X,、Y,、Z和X、Z向自由度,，在前懸中心處左右兩邊施加方向相反的力5537N,。
  

• 整體彎工況：在前懸中心左右兩邊分別約束X,、Y,、Z向自由度,，后懸中心左右兩邊分別約束Z向自由度,，在前排和中排座椅中心處左右兩邊均施加向下的1668N的力,。

• 一階尾門(mén)框扭轉(zhuǎn)工況：抽取白車(chē)身一階扭轉(zhuǎn)自由模態(tài),。

圖 4  某MPV全參數(shù)化概念車(chē)身模型

為實(shí)現(xiàn)MPV全參數(shù)化概念車(chē)身模型與整車(chē)其余各子系統(tǒng)有限元模型的集成裝配，將白車(chē)身,、門(mén)蓋系統(tǒng)、底盤(pán)件,、壁障,、零部件材料,、整車(chē)連接關(guān)系分別存放于6個(gè)不同的include文件中，通過(guò)主文件main.k調(diào)用上述6個(gè)include文件,，從而實(shí)現(xiàn)整車(chē)碰撞模型集成裝配,，如圖5所示,。本文在最后就輕量化車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行正碰、側(cè)碰,、偏置碰的性能驗(yàn)證,，以權(quán)衡汽車(chē)概念設(shè)計(jì)階段車(chē)身各性能之間的矛盾,。

圖5  碰撞工況集成過(guò)程

4. 輕量化設(shè)計(jì)方案

以某MPV（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“MPV”）開(kāi)發(fā)為例,，在概念設(shè)計(jì)階段根據(jù)車(chē)身總布置尺寸和造型面的約束，建立了其全參數(shù)化概念車(chē)身模型,，如圖4所示。結(jié)合模型參數(shù)化技術(shù)將截面的特性參數(shù)變量轉(zhuǎn)化為截面的幾何參數(shù)變量,，共設(shè)置了24個(gè)幾何設(shè)計(jì)變量，表1列舉了其中部分變量,。然后根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)合理設(shè)置關(guān)鍵截面（如A柱,、B柱,、C柱、D柱,、門(mén)檻梁,、頂蓋上邊梁等）的有效變化范圍。為有效減少設(shè)計(jì)變量的個(gè)數(shù),，利用拉丁方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法篩選了對(duì)白車(chē)身剛度、模態(tài)貢獻(xiàn)量較大的15個(gè)設(shè)計(jì)變量,。利用ASA算法進(jìn)行以白車(chē)身剛度、模態(tài)以及質(zhì)量為設(shè)計(jì)響應(yīng)的輕量化設(shè)計(jì),，最后將獲得的最優(yōu)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行基于碰撞安全性的性能驗(yàn)證,。

圖 6 某MPV全參數(shù)化概念車(chē)身模型

表1 部分截面設(shè)計(jì)變量表

表2 部分接頭和關(guān)鍵截面優(yōu)化前后對(duì)比結(jié)果

由表2分析可知，通過(guò)集成優(yōu)化循環(huán)參數(shù)化自動(dòng)修改控制關(guān)鍵截面形狀改變的變量取值來(lái)驅(qū)動(dòng)截面形狀的改變,，最優(yōu)化的截面特性參數(shù)大多夠能滿(mǎn)足工程設(shè)計(jì)要求，這為車(chē)身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作提供了非常有效的設(shè)計(jì)方案,。

表3 MPV優(yōu)化前后各輕量化系數(shù)對(duì)比結(jié)果

表4 輕量化前后MPV的輕量化指數(shù)提升百分比

由表4分析可知：在保持白車(chē)身質(zhì)量不變的情況下，扭轉(zhuǎn)剛度,、整體彎曲剛度和一階尾門(mén)框扭轉(zhuǎn)模態(tài)在優(yōu)化后的性能分別提升了13.97%,、12.38%,、10.62%,。在不增加的生產(chǎn)成本的提前下大大提升了白車(chē)身的主要性能,。驗(yàn)證了基于SFE_Concept全參數(shù)化概念車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法對(duì)白車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有很大的指導(dǎo)意義。

圖9 側(cè)碰性能驗(yàn)證

B柱內(nèi)板腰線位置優(yōu)化前最大侵入143mm,，最大侵入速度8.6m/s,，頂蓋位置最大侵入mm，最大侵入速度8.2m/s ,。B柱內(nèi)板腰線位置優(yōu)化后最大侵入135.8mm，最大侵入速度7.2m/s,，頂蓋位置最大侵入mm,，最大侵入速度7.0m/s,。

4.結(jié)論

利用模型參數(shù)化技術(shù)將關(guān)鍵截面的特性參數(shù)變量轉(zhuǎn)化為幾何參數(shù)變量，大大地簡(jiǎn)化了設(shè)計(jì)變量的定義過(guò)程,，實(shí)現(xiàn)了對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)形狀和尺寸的集成優(yōu)化設(shè)計(jì),，在保證白車(chē)身質(zhì)量不變情況下,，獲得了剛度,、模態(tài)等性能較大提升同時(shí)滿(mǎn)足碰撞性能不降低的前期車(chē)身結(jié)構(gòu),。證明了基于全參數(shù)化概念車(chē)身的形狀和尺寸集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法能夠高效指導(dǎo)概念車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)工作。

參考文獻(xiàn)

[1] 蘭鳳崇, 莊良飄, 鐘陽(yáng)等. 乘用車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)技術(shù)研究與實(shí)踐[J]. 汽車(chē)工程, 2010, 32(9): 763-769.

[2] 韓旭,，朱平，余海東等. 基于剛度和模態(tài)性能的轎車(chē)車(chē)身輕量化研究[J]. 汽車(chē)工程，2007,，29(7): 545-549.

[3] J.Hilmann,M.Paas, A.Haenschke, T.Vietor．Automatic Concept Model Generation for Optimizationand Robust Design of Passenger Cars[J]．Advances in Engineering Software,2007, 38(1l-12): 795-801．

[4] 馬鳴圖，路洪洲,，李志剛．論轎車(chē)白車(chē)身輕量化的表征參量和評(píng)價(jià)方法木[J]．汽車(chē)工程，2009,，31（5）：403-407．

[5] SFEGmbH, SFE_CONCEPT Handbook v.4.2.3 , 2008．