CAE在汽車輕量化設(shè)計扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度的仿真分析與應(yīng)用

 據(jù)統(tǒng)計，汽車每減輕其總質(zhì)量的10%，燃油消耗量可降低6%~8%，降低排放5%~6%。車身是汽車的重要組成部分，其重量約占整車重量的50%，采用CAE仿真分析對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計能有效降低汽車自重。

 作為輕量化的重要手段和工具，本文以靈敏度為手段，車身厚度為設(shè)計變量，以車身重量最小為優(yōu)化目標，以車身剛度、模態(tài)頻率為約束條件，進行輕量化設(shè)計，實現(xiàn)有效減重。

 以某車型白車身為例，應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計軟件OptiStruct，以扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析為基礎(chǔ)并應(yīng)用優(yōu)化算法，在重點保證白車身扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能的前提下，以車身質(zhì)量的最小化為目標，通過優(yōu)化各車身零件的厚度，實現(xiàn)減重31Kg，同時扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率均有一定程度的提高，最后應(yīng)用輕量化系數(shù)進行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評價。

 靈敏度基本原理

 車身結(jié)構(gòu)分析中的靈敏度分析是分析車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)uj（即設(shè)計目標）的變化對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)xi變化的敏感性，其敏感性定義為

 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型

 基于車身結(jié)構(gòu)剛度和固有頻率的優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型為：

 有限元仿真建模

 利用HyperMesh前處理建立某車型白車身有限元模型，采用acm單元模擬車身實體焊點，采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分，車身有限元模型如圖1所示，其中單元總數(shù)為680257個，四邊形單元591092，三角形單元1747個，三角形比例為2.87%，焊點總數(shù)為6557個。鈑金材料屬性：鋼（Steel），彈性模量（E）=210000MPa，泊松比=0.3，密度=7.9g/mm3。

圖1某車型白車身有限元模型

 扭轉(zhuǎn)剛度及靈敏度計算

 白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度作為白車身性能評價指標中比較重要的一種，用于反映白車身結(jié)構(gòu)最基本的靜態(tài)特性。因為汽車行駛過程中受到車輪作用而產(chǎn)生整車扭轉(zhuǎn)的情況非常普遍，因而白車身抗扭能力大小，直接影響到白車身疲勞壽命及白車身的舒適性。扭轉(zhuǎn)剛度評價指標一般包括扭轉(zhuǎn)角、前風(fēng)窗翹曲度、前中、尾門門框?qū)蔷€變化量等。

 扭轉(zhuǎn)剛度計算及結(jié)果

 （1）邊界條件

 分別約束白車身左右后懸架彈簧支座位置13、123平動自由度，并約束前防撞梁中心Z向平動自由度；載荷條件為在左右前懸架彈簧支座位置施加大小相等、方向相反的垂力7350N，施加扭矩為前軸許用軸荷，扭轉(zhuǎn)剛度計算計算公式如下：

 計算結(jié)果

 通過公式（2）得到前懸相對扭轉(zhuǎn)角為0.726deg，通過公式（1）得到扭轉(zhuǎn)剛度為11472N·m/deg，其左前縱梁扭轉(zhuǎn)位移曲線圖見下圖：

圖2扭轉(zhuǎn)位移曲線圖

 靈敏度計算及結(jié)果

 結(jié)構(gòu)靈敏度是指所關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能指標對某些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化梯度，白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析是車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化對車身結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)變化的敏感性。除了扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度外，為了更加有效地反映車身鈑金單位厚度對扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度，進行了歸一化處理，得到扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度，即扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值，它主要體現(xiàn)了厚度對扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻效率。扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度有正負號之分，由于質(zhì)量靈敏度為正，所以其符號與扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度一致。扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度正值表示結(jié)構(gòu)響應(yīng)位移的變化與板件厚度變化具有相同的趨勢，負值表示相反的趨勢。

 靈敏度計算的設(shè)計變量為車身板料厚度屬性，本文進行了對稱處理，即左右對稱件放入一個部件中，減少變量數(shù)量，提高計算效率，便于排序處理。計算中共選取了73個零件，以車身的初始設(shè)計厚度為初值，設(shè)置變量變化范圍±50%。響應(yīng)函數(shù)為左右前懸架中心點對應(yīng)的大梁上中心測點的Z向位移絕對值平均值d和白車身全局質(zhì)量。約束函數(shù)為將約束d定義在一定范圍內(nèi)。目標函數(shù)設(shè)為白車身重量最小。

 由于篇幅所限，僅列舉了某車型扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度前5位和后5位的零件及數(shù)值：

表1扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度前5位的零件及數(shù)值

表2扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度后5位的零件及數(shù)值

 輕量化設(shè)計

 輕量化評價和技術(shù)手段

 車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計是應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計的方法。在保證車身結(jié)構(gòu)性能要求的前提下，提高材料的利用率，減少冗余的材料，從而達到車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的。寶馬汽車公司的BrunoLudke提出了車身輕量化系數(shù)的概念，該系數(shù)可用下式表示：

圖3BMW輕量化系數(shù)表征

 從該公式可以看出，該系數(shù)為評價基于扭轉(zhuǎn)剛度的車身輕量化水平，主要用于車身結(jié)構(gòu)類似的車型扭轉(zhuǎn)剛度對標。從該式還可延伸到基于彎曲剛度、一階模態(tài)評價等，本文基于此進行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評價。

概念階段的輕量化設(shè)計，一般運用拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化等一種手段或多種手段相結(jié)合指導(dǎo)來改進車身結(jié)構(gòu)。在詳細設(shè)計階段，由于車身結(jié)構(gòu)框架基本成型，在不大幅修改模具的前提下很難進行大的結(jié)構(gòu)更改，因而此階段進行厚度靈敏度優(yōu)化是一種有效的、成本較小的輕量化手段。在保證車身結(jié)構(gòu)性能的前提下，通過對車身板件厚度的重新合理調(diào)整分配，實現(xiàn)車身輕量化。

 本文就是基于扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析，進行了厚度優(yōu)化，從而實現(xiàn)減重設(shè)計。

 輕量化方案

 對于扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度大的板件，進行增厚處理；對于扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度小的板件，進行減薄處理。厚度靈敏度優(yōu)化一般還需要綜合考慮扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度和扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度。對于某些質(zhì)量靈敏度貢獻較大，扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度小的板件在保證性能的前提下進行減薄，質(zhì)量減重較多，不過考慮到這類板件一般比較大，需要特別注意校核板件上的局部剛度或強度問題。厚度靈敏度優(yōu)化直接得到的結(jié)果會產(chǎn)生一些零件的板厚含有多位小數(shù)，一般取小數(shù)點后一位有效數(shù)字進行修正。不過由于各汽車企業(yè)沖壓薄板鋼規(guī)格有一定差異，并且考慮到一些車型車身鈑金的共用問題，還需企業(yè)根據(jù)現(xiàn)有的板材規(guī)格進行有選擇的應(yīng)用。

 本文基于扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度對73個零件進行了厚度優(yōu)化，對于靈敏度排名靠前的零件一般進行對于靈敏度排名靠前的零件一般進行加厚處理，而對于排名靠后的零件一般進行減薄處理，篇幅所限，僅列舉了前5位和后5位的零件厚度原始值和優(yōu)化值：

表3扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏前10位的零件厚度及優(yōu)化值

表4扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏后10位的零件厚度及優(yōu)化值

 輕量化結(jié)果

 該車型輕量化設(shè)計實現(xiàn)減重31Kg，質(zhì)量減輕6.94%。優(yōu)化后白車身扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形變形模態(tài)頻率分別提高4.4%和15.7%?；谂まD(zhuǎn)剛度的輕量化系數(shù)從8.4降低到7.5，基于一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化系數(shù)從4.8降低到3.8。優(yōu)化后還分別進行彎曲剛度、強度、安全校核。車身前彎、后彎剛度分別下降2.42%和7.95%，這是由于厚度優(yōu)化主要基于扭轉(zhuǎn)剛度的，扭轉(zhuǎn)剛度和門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的提升是在犧牲彎曲剛度的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。不過對于本文車身承載結(jié)構(gòu)而言，更關(guān)注扭轉(zhuǎn)剛度性能，優(yōu)化后的彎曲剛度仍然滿足設(shè)計目標要求。強度方面，輕量化對整體的應(yīng)力狀態(tài)影響不大，并且對部分高應(yīng)力區(qū)還有一定改善。

 該車型輕量化后經(jīng)過軟工裝可靠性試驗、安全碰撞試驗等驗證，滿足設(shè)計要求，說明減重是有效的。

 結(jié)語

 （1）以某車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析為基礎(chǔ)，應(yīng)用車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法，通過對車身部分零件的厚度進行優(yōu)化，實現(xiàn)車身輕量化優(yōu)化設(shè)計，并通過試驗驗證。

 （2）該車型輕量化設(shè)計減重31Kg，輕量化后扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率分別提高4.4%和15.7%，車身前彎、后彎剛度分別下降2.42%和7.95%，均滿足設(shè)計目標要求。

 （3）根據(jù)寶馬公司輕量化系數(shù)概念進行了擴展，并進行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評價。采用OptiStruct軟件對白車身進行輕量化設(shè)計，可以在滿足性能的同時實現(xiàn)減重軟件對白車身進行輕量化設(shè)計，可以在滿足性能的同時實現(xiàn)減重軟件對白車身進行輕量化設(shè)計，可以在滿足性能的同時實現(xiàn)減重軟件對白車身進行輕量化設(shè)計，可以在滿足性能的同時實現(xiàn)減重該方法簡便有效，可廣泛應(yīng)用于同類結(jié)構(gòu)的輕量化該方法簡便有效，可廣泛應(yīng)用于同類結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。

 有限元科技小編有話說

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