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[车身轻量化] 早期开发阶段白车身轻量化方法研究

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发表于 2020-7-8 10:01:07 | 显示全部楼层 |阅读模式

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汽车轻量化在线】早期开发阶段白车身轻量化方法研究

王峻峰,乔 鑫,王隆宇 (华晨汽车工程研究院 前期开发部,辽宁 沈阳 110141)

摘 要:为满足车身轻量化需求,提出一种在开发早期阶段进行白车身轻量化的方法,以控制车身性能与质量。通过考虑多工况下的白车身载荷传递路径,布置车身结构形式;结合隐式参数化建模技术,搭建全参数化白车身模型,从结构替换寻优方面提升车身性能,从断面尺寸优化及零部件厚度优化方面降低车身质量。通过在某SUV车身设计中应用此方法,在确保模态刚度性能满足要求的前提下,实现车身减重27 kg,为白车身后期的详细设计提供了合理的基础结构。
关键词:白车身;轻量化;隐式参数化;尺寸优化;厚度优化

0 引 言
随着汽车排放标准日趋严格,整车质量控制是降低汽车尾气排放的有效手段之一。大量研究表明,汽车质量每减少10%,燃油消耗可降低6%~8%,尾气排放减少5%~6%[1]。白车身作为汽车主要承载部件,其质量占整车质量比重较大,通过合理设计,可减轻整车质量,车身轻量化是开发阶段不可缺少的环节。
目前,车身轻量化方式手段较多,涉及结构设计,材料选择,成型与生产工艺等多个方面[2-3]。同时,从可行性分析到生产启动的各个阶段均要贯彻轻量化思想。在某SUV白车身的早期开发阶段,从结构设计与优化的角度,提出一种轻量化实施方法,实现车身结构从无到有再到优的过程,通过此方法,在开发早期阶段对车身性能和质量进行控制,形成较为理想的车身结构形式,降低后期详细设计阶段车身性能与质量不可控的风险。

1 早期开发的轻量化思路
在车身早期开发阶段中,车型定义、布置要求、各系统方案初步定义及技术竞品分析完成,造型C面发布,无车身具体数据。
为实现从无到有的过程,通过造型外CAS(Concept A Surface,汽车初步造型面)及布置要求,制定车身拓扑空间,获得考虑模态、刚度及碰撞工况下的车身载荷传递路径;结合此路径,形成初版车身结构形式布置方案。利用SFE- Concept隐式参数化建模技术实现布置方案的数字化与参数化,并得到初版的车身性能。
为实现从有到优的过程,通过对竞品车结构的研究及过往项目经验,并结合初始性能结果,优选出具有代表性的结构形式,结合参数化模型的快速更替与修改能力,进行结构拓扑方案替换与性能验证,确保车身质量在基本保持不变的前提下,对车型性能进行提升,在计划时间内使车身结构性能尽可能最大化,以获取较大的减重空间。之后利用断面尺寸优化与零部件厚度优化,对车身进行减重分析,实现质量下降。由于该阶段并无具体性能目标,其减重优化工作应以减重前的性能水平为约束进行优化;待后续阶段制定具体目标值后可利用此模型再次进行减重优化分析,获得满足目标要求的轻量化车身结构。

2 白车身轻量化分析
根据上述轻量化思路,结合某SUV车型白车身介绍其早期开发阶段的轻量化过程。

2.1 载荷传递路径分析
利用拓扑优化技术,以造型与内饰CAS、动力总成占用空间、轮胎包络、车门门口、假人脚的位置、最小离地间隙、座椅安装位置、备胎占用空间等信息为输入条件,建立此款SUV车型白车身的拓扑优化空间,如图1所示。

图1 拓扑优化空间定义

车身的载荷传递路径获取需充分考虑车身整体各项性能要求,在此考虑NVH(Noise、Vibration、Harshness,噪声、振动、声振粗糙度)、刚度及碰撞3个方面,将白车身模态、弯扭刚度、正碰、侧碰、偏置碰、后碰及顶压作为考察工况。由于碰撞工况属于结构非线性大变形分析,受拓扑优化技术限制,无法直接实现,需要将这类非线性工况等效为线性工况。从碰撞能量的角度考虑,采用平均碰撞力方式将碰撞载荷转化为线性载荷,则整个碰撞过程中的平均碰撞力
(1)
式中:f2(s)为整个位移域内碰撞力随位移变化的历程;s为位移;S为最大位移[4]。
最终,将多学科分析简化为模态与刚度两种分析类型。其中,对于模态工况,采用自由模态分析,对于弯扭刚度及顶压分析,采用静力学刚度分析方法进行加载约束;对于碰撞工况,将平均碰撞力转化为均布载荷并使用惯性释放方式的静力学分析。
对于约束,将车身整体优化空间划分为各个细分优化区域,并对每个优化区域施加体积、最大和最小成员尺寸及对称约束。
对于优化目标,将多工况下的多目标优化问题转换为以综合目标函数为目标的单目标优化问题,该函数由静态刚度和动态频率两部分组成,其中动态频率部分由平均频率法定义并加权,通过权重系数将两部分统一成一个函数[5-6]。同时,根据各工况不同的重要程度,定义每个工况的权重系数,根据决策论中的层次分析法制定各个分析工况的权重系数,通过配对比较法建立决策矩阵,决策矩阵的特征矢量就是目标函数中各工况的权重比。为了把决策层次的对比转化为数值的比较,给出初始重要性参考定义。配对决策矩阵一般具有不一致性,如果矩阵的非零特征矢量个数大于1,需要进一步判断哪一个特征矢量为所需的权重比矢量。若矩阵不满足一致性要求,需要重新建立配对矩阵[7]。最终得到的各工况下权重系数见表1。
表1 各工况下的权重系数


经迭代计算后,获得的白车身载荷传递路径如图2所示。
图2 白车身拓扑优化结果
图2结果为数值计算结果,没有考虑实际生产因素等方面的限制,因此需要筛选主要传递路径,并结合工程经验进行结构布置。识别出的各区域主要传递路径如图3所示,结构设计时可参考该路径对白车身纵梁及横梁进行布置。
图3 白车身各区域主要传递路径

2.2 隐式参数化模型建立与初始性能评估
布置方案确定后,以底盘硬点、典型断面、接头草数据和各零部件之间的搭建关系为输入条件,利用SFE Concept软件建立白车身隐式参数化模型,如图4所示。该模型初始质量为379 kg。
图4 白车身隐式参数化模型
隐式参数化模型可快速生成满足计算需要的有限元网格并进行相关分析。以白车身模态与弯扭刚度性能为主要考察指标,得到初始车身性能,见表2。从结果中可以看出,考虑了载荷传递路径的白车身结构形式,与企业标准相比,其各项性能较好。
表2 白车身初始性能


2.3 结构替换寻优
对初始结构有限元计算结果进行研究,找出相对薄弱部位,结合过往设计方案及竞品车优秀结构设计,筛选出替换方案,在保证白车身质量基本不变的前提下,继续提升各项性能。
从B柱下接头、B柱上接头、C柱下接头、D柱上接头、D柱下接头及后排座椅横梁区域进行设计方案替换,每个区域均有两个替换方案,寻求更优性能。具体方案见表3。
表3 结构替换方案


通过在隐式参数化白车身模型中对各方案进行替换与性能验证,选出性能较优的结构作为下一个对比方案的基础模型。最终B柱上、下接头及C柱下接头选择方案1;D柱上接头及后排座椅横梁选择方案2;D柱下接头选择原始方案。此时白车身质量为377 kg,比初始结构质量略有下降,模态与弯扭刚度性能有所提升,其各项性能见表4。
表4 结构替换后的白车身性能


注:性能变化为新旧结构性能差值与初始性能的比值。

2.4 断面尺寸优化
由于隐式参数化模型具有全参数化功能,几何结构的位置、尺寸和形状等可以任意改变,可记录改变的过程并保存为设计变量[8]。因此,基于此模型可以将零部件的断面尺寸作为优化变量,进行各零部件的尺寸优化分析,确定最优断面尺寸。
选取的尺寸优化变量见表5。
表5 断面尺寸优化变量


注:根据以往经验与竞品车数据确定各个变量的变化范围,其变化范围以5 mm为步距;各离散变量值以整车坐标系正向为正值,负向为负值。

利用优化拉丁超立方方法对计算样本进行抽样,该方法使得所有的试验点尽量均匀地分布在设计空间中,具有良好的空间填充性和均衡性[9]。考虑到变量数量及计算量,采用30个样本,确保近似模型的准确性。
模态及弯扭刚度近似模型的建立利用RBF(Radial Basis Function,径向基函数)法构建,精度水平均在0.9以上,满足近似模型精度要求。
利用Isight软件中的Pointer优化器,即智能自动优化专家,以当前性能水平为约束,质量最小为优化目标,得到最终的优化结果见表6。
表6 尺寸优化后的白车身性能


注:性能变化为尺寸优化性能与新结构性能的差值与新结构性能的比值。

经过尺寸优化后,该车身结构质量从377 kg降低到371 kg,减重6 kg,同时保证车身模态与弯扭刚度性能基本不变。
2.5 零部件厚度优化
从项目实践经验及大量参考文献可知,零部件厚度的最优化组合对白车身轻量化具有显著效果。白车身一般有300多个零部件,将每个零部件作为设计变量进行优化的计算量非常大,因此根据工程经验,从尺寸优化后的车身结构中挑选出对性能有一定影响的零部件92个,并结合灵敏度分析从92个零部件中筛选出影响较大的56个零部件作为优化变量,如图5所示。各零部件厚度变量水平是在考虑所用钢材能够生产的厚度及车身常用厚度的前提下定义的离散值。

图5 需进行厚度优化的零部件

对于厚度优化,基于优化拉丁超立方方法生成1 800个样本,利用RBF法构建模态及弯扭刚度近似模型,利用Pointer优化器,以各项当前性能水平为约束,质量最小为优化目标进行厚度优化分析。最终得到白车身的质量为352 kg,减重19 kg,效果明显,同时各项性能基本保持不变,见表7。
表7 厚度优化后的白车身性能


注:性能变化为厚度优化性能与尺寸优化性能的差值与尺寸优化性能的比值。

3 结 论
(1)在车身开发的早期阶段,可以借助基于拓扑分析技术得到的载荷传递路径分析结果作为布置车身结构形式的参考。同时,在无车身数据情况下可借助SFE Concept软件建立隐式参数化模型,将布置从想法转变为实际模型。之后通过结构替换提升车身性能,通过尺寸优化及厚度优化实现车身轻量化。
(2)通过将该轻量化方法应用于某SUV车型的白车身开发中,实现了该车身结构从无到有再到优的轻量化过程,且车身质量从初始结构379 kg降低到最终结构352 kg,减重26 kg,取得较好的轻量化结果,同时保证了车身具有良好的基础性能,后续的设计阶段可以参考此车身结构进行详细设计。

参考文献
[1]王登峰,蔡珂芳,马明辉,等. 基于隐式参数化模型的白车身轻量化设计[J]. 汽车工程,2018,40(5):610-616,624.
[2]陈虹.汽车车身轻量化研究和创新应用[J].上海汽车,2018(9):38-42,53.
[3]潘秀艳.汽车车身轻量化的关键工艺制造技术控制及研究[J].橡塑技术与装备,2016,42(6):28-29,31.
[4]王国春,段利斌,陈自凯,等. 基于渐进空间拓扑优化技术的白车身传力路径规划方法[J].中国机械工程,2015,26(20):2827-2834.
[5] Chen T Y ,Wu S C. Multiobjective Optimal Topology Design of Structures[J].Computational Mechanics,1998,21 (6):483-492.
[6]MARLER R T,ARORA J S. Survey of Multi-objective Optimiza- tion Methods for Engineering[J]. Structural and Multidisciplinary Optimiza- tion,2004,26 (6):369-395.
[7]兰凤崇,赖番结,陈吉清,等. 考虑动态特性的多工况车身结构拓扑优化研究[J].机械工程学报,2014,50(20):122-128.
[8]唐辉,门永新,毛雪峰,等. 基于隐式参数化的车身概念开发[J]. 汽车工程,2014,36(10):1248-1253.
[9]赖宇阳. Isight参数优化理论与实例详解[M]. 北京:北京航空航天大学出版社,2012:95.


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