基于靈敏度分析的車身輕量化設(shè)計
2021-03-12 18:09:09· 來源:天津汽車研究所
摘要為滿足車身輕量化的設(shè)計需求,對某混合動力汽車進行了有限元模型建立,對白車身進行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的校核;隨后對車身板件進行靈敏度分析,以彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束,以質(zhì)量最小為目標(biāo),進行多目標(biāo)優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化計算,白車身彎
摘要
為滿足車身輕量化的設(shè)計需求,對某混合動力汽車進行了有限元模型建立,對白車身進行彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的校核;隨后對車身板件進行靈敏度分析,以彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束,以質(zhì)量最小為目標(biāo),進行多目標(biāo)優(yōu)化。經(jīng)優(yōu)化計算,白車身彎曲剛度提升3.4%,扭轉(zhuǎn)剛度降低1.3%,白車身質(zhì)量降低2.37%,為低速輕型混合動力汽車的輕量化設(shè)計提供了一定的參考依據(jù)。
隨著汽車制造技術(shù)的不斷發(fā)展,車身作為汽車的重要組成部分,其重要性不言而喻,車身性能應(yīng)滿足安全性、可靠性、舒適性及輕量化等要求。隨著全球能源問題、環(huán)境問題的日益嚴(yán)峻,節(jié)能環(huán)保已成為各國關(guān)注的焦點,自從國家發(fā)布《節(jié)能與新能源汽車技術(shù)路線圖》之后,輕量化技術(shù)已經(jīng)上升為國家發(fā)展戰(zhàn)略?;旌蟿恿囈缘湍芎?、低污染等優(yōu)點逐漸成為傳統(tǒng)汽車行業(yè)發(fā)展的主要方向,對車身進行輕量化研究可以有效地降低整車質(zhì)量,延長續(xù)駛里程。文章以某混合動力汽車為研究對象,在白車身有限元分析的基礎(chǔ)上基于車身板厚靈敏度進行了車身輕量化設(shè)計,為混合動力低速汽車設(shè)計提供了參考。
1 文章標(biāo)題
白車身的剛度特性是體現(xiàn)汽車安全性的重要指標(biāo)。車身剛度指車身受到外載荷時表現(xiàn)出抵抗彎扭變形的能力,是用來衡量汽車正常行駛時的許可變形。汽車車身剛度不足,不僅影響著行駛安全性,而且會給產(chǎn)品以及品牌形象帶來不可預(yù)期的負(fù)面影響,白車身剛度分析也是整車開發(fā)的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。
汽車行駛時最重要的工況為彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況,彎曲剛度是衡量車身剛度的重要指標(biāo),車身合理的剛度將大幅提升整車的性能。計算時假定車身張力一樣,并且車身整體是一根具有均勻彎曲剛度的簡支梁,如圖1所示。

在進行白車身彎曲剛度測試時,車身結(jié)構(gòu)遠(yuǎn)比簡支梁更復(fù)雜,得到白車身彎曲工況下的剛度值(EI/(N/mm))為彎曲總載荷與豎直方向上最大變形量的比值,如式(1)所示。


扭轉(zhuǎn)工況是指汽車行駛到凹凸不平路況的一種情況,也是汽車日常行駛常常遇到的情況之一,在有限元分析中,白車身前后軸間平均扭轉(zhuǎn)剛度的計算公式,如式(2)所示。

根據(jù)企業(yè)提供的相關(guān)信息在AnsysWorkbench軟件中建立有限元模型。該白車身是由大量厚度各異的鈑金件沖壓組裝而成,在建模過程中采用Shell181薄板單元建立有限元模型,如圖2所示,通過有限元軟件設(shè)置車身材料為結(jié)構(gòu)鋼Q235,對車身不同構(gòu)件采用Bonded綁定連接來模擬車身連接。車身鋼板厚度,如表1所示。

白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度的計算方法較多,每個車企也不盡相同,文章通過門檻梁加載方法計算其白車身彎曲剛度,約束白車身左前懸置處z方向自由度,右前懸置處y,z方向自由度,左后懸置處x,z方向自由度,右后懸置處x,y,z方向自由度,在其車身的門檻梁兩側(cè)各施加2500N的垂向載荷,其示意圖如圖3所示。通過在前減震器懸置處加載力偶,約束左后、右后懸架x,y,z方向自由度來模擬白車身扭轉(zhuǎn)工況并計算其扭轉(zhuǎn)剛度,該車前軸最大載荷為3857.7N,前軸輪距為1310mm,由式(3)得出,模擬扭轉(zhuǎn)的最大載荷為2526.8N,其示意圖如圖4所示。

通過AnsysWorkbench軟件進行白車身約束、加載、求解,其應(yīng)力云圖,如圖5所示。從圖5可得到,其最大變形量為0.4617mm,在車門B柱位置。通過式(1)計算可得到,白車身最大彎曲剛度為10829.54N/mm。對于不同車型,其白車身彎曲剛度的范圍一般不同,經(jīng)濟型轎車白車身彎曲剛度范圍為8000~12000N/mm。該車為低速混合動力車,價格低廉,屬于經(jīng)濟型轎車,滿足其彎曲剛度需求。

通過對扭轉(zhuǎn)剛度的仿真計算,得到扭轉(zhuǎn)剛度應(yīng)力云圖,如圖6所示。通過圖6可得到,白車身右懸架支撐最大應(yīng)變?yōu)?.799mm,左懸架支撐最大應(yīng)變?yōu)?1.859mm。通過式(2)可得到,車身最大扭轉(zhuǎn)角為0.227°,扭轉(zhuǎn)剛度為11131.27N·m/(°),其參考值為10000N·m/(°),基本滿足扭轉(zhuǎn)剛度需求。

2 車身輕量化設(shè)計
為滿足輕量化設(shè)計需要,提升車身的性能指標(biāo),對白車身進行結(jié)構(gòu)多目標(biāo)優(yōu)化處理,通過改變車身板件厚度實現(xiàn)白車身輕量化的目標(biāo)。
該白車身由大量鈑金件拼接而成,可將設(shè)計變量X定義為白車身鋼板厚度,根據(jù)白車身剛度計算分析,初步確定了變量名稱及對應(yīng)數(shù)值,如表2所示。

目標(biāo)函數(shù)為設(shè)計變量的函數(shù),隨著設(shè)計變量的變化而變化,為實現(xiàn)節(jié)能減排,優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)以白車身的質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù),記為f(x)。
在多目標(biāo)優(yōu)化中,為了保證優(yōu)化后的性能,要對其邊界條件進行約束,一方面約束設(shè)計變量的邊界條件,另一方面約束白車身性能指標(biāo)。白車身最重要的性能指標(biāo)為車身剛度,設(shè)置白車身彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度為約束條件。
在車身輕量化優(yōu)化過程中,影響白車身剛度和質(zhì)量的設(shè)計變量較多。為了能夠準(zhǔn)確地分析對汽車性能影響較大的部件有哪些,減少設(shè)計優(yōu)化的盲目性,需對整車設(shè)計變量進行靈敏度分析。白車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析就是確定白車身性能響應(yīng)對板厚度變化的靈敏度,通過WorkbenchDesignofexperiment得到151組樣本點,經(jīng)計算得到車身響應(yīng)面模型及設(shè)計變量對車身性能響應(yīng)的靈敏度值,如表3所示。

從表3中可以分析出,設(shè)計變量P2對其車身彎曲剛度較為敏感,設(shè)計變量P2,P5,P8對其扭轉(zhuǎn)變形影響較大,P16,P19對其車身彎曲、扭轉(zhuǎn)變形影響不大。通過表3中對質(zhì)量的靈敏度的百分比可清晰得出,車門、前底板、前圍板、后底板的厚度對車身質(zhì)量影響較大。通過靈敏度分析可以有選擇性地進行約束優(yōu)化,對車身質(zhì)量影響較大但對車身性能影響較小的板件厚度進行優(yōu)化處理。
通過對設(shè)計變量的靈敏度分析得出,車門厚度的變化對其車身剛度有著重要影響,懸架支撐厚度及前圍板的厚度對其扭轉(zhuǎn)剛度影響較大。文章的最終目的為在滿足行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的情況下實現(xiàn)白車身的質(zhì)量降低,通過WorkbenchOptimization模塊設(shè)置約束條件,以彎曲變形值和扭轉(zhuǎn)變形值最小為約束,以總質(zhì)量最小為目標(biāo)進行優(yōu)化求解。
通過計算迭代,使用Optimization模塊,得到3組最優(yōu)解集點,考慮到整車的彎曲和扭轉(zhuǎn)特性,選取一組最優(yōu)解集點,使得白車身質(zhì)量從210.97kg下降到205.98kg, 減少了4.99kg, 占原來白車身質(zhì)量的2.37%。優(yōu)化后彎曲變形值為0.446mm,扭轉(zhuǎn)變形最大值為1.798mm,最小值為-1.742mm,扭轉(zhuǎn)角為0.23°。以企業(yè)常見材料厚度進行圓整,其改變車身板件厚度值,如表4所示,將圓整后的鋼板厚度代入白車身有限元模型,設(shè)置相同的約束和載荷,并計算出車身性能,如表5所示。


3 結(jié)論
基于某混合動力低速汽車,對其白車身進行了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的校核計算。通過門檻梁加載的方法對白車身進行了模擬計算,得到白車身的彎曲剛度為10829.54N/mm;通過前減震器懸置處加載力偶的方法對白車身扭轉(zhuǎn)剛度進行模擬計算,得到白車身扭轉(zhuǎn)剛度為11131.27N·m/(°)。通過對車身板件進行靈敏度分析,得出其兩側(cè)車門板、前懸架支撐板、前圍板對車身彎曲扭轉(zhuǎn)剛度影響較大;通過多目標(biāo)優(yōu)化,使得白車身質(zhì)量降低2.37%,彎曲剛度增加3.4%,扭轉(zhuǎn)剛度減小1.3%,均在合理范圍之內(nèi),并給出優(yōu)化后車身各板件的厚度修改值。在滿足車身剛度的性能下實現(xiàn)了車身減重,為該類車型的改進設(shè)計提供了參考依據(jù)。
作者:馮國勝 張新路 張星馳 馬駿長
公眾號編輯:冷棘宇
來源:《汽車工程師》
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