CN102938004B

CN102938004B - 一种白车身轻量化优化设计方法

Info

Publication number: CN102938004B
Application number: CN201210410455.1A
Authority: CN
Inventors: 梁林
Original assignee: Anhui Jianghuai Automobile Group Corp
Current assignee: Anhui Jianghuai Automobile Group Corp
Priority date: 2012-10-24
Filing date: 2012-10-24
Publication date: 2014-12-03
Anticipated expiration: 2032-10-24
Also published as: CN102938004A

Abstract

本发明提供了一种白车身轻量化优化设计方法，包括的步骤有：a）根据现有库存材料，建立离散化的材料参数；b）选取白车身零件进行减重；c）判断减重后的零件是否符合性能要求，选取减重后符合性能要求的零件作为设计变量；d）对减重前的白车身进行自由模态分析，求得其基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率；e）以基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率作为设计变量的约束条件，以质量最轻为目标函数对各零件进行优化，得到新的白车身。本发明选取了合适的设计变量，保证了白车身设计结果与实际生产相符。

Description

一种白车身轻量化优化设计方法

技术领域

本发明涉及汽车设计领域，具体涉及白车身的轻量化设计方法。

背景技术

目前，汽车结构轻量化是一个重要研究领域，其中，采用有限元分析、优化设计的方法是一个重要方向，但是，如何选取设计变量和确定约束条件，以使设计获得的新的车身结构与实际生产相符，一直是困扰技术人员的难题。而且，在减重后，白车身各种性能能否满足设计要求，以及哪些零件仍然具有潜在的减重空间，也是设计人员需要考虑的问题。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种通过选取合适的设计变量和确定约束条件来实现白车身轻量化优化设计的方法。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种白车身轻量化优化设计方法，包括的步骤有：

a）根据现有库存材料，建立离散化的材料参数；

b）选取白车身零件进行减重；

c）判断减重后的零件是否符合性能要求，选取减重后符合性能要求的零件作为设计变量；

d）对减重前的白车身进行自由模态分析，求得其基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率；

e）以基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率作为设计变量的约束条件，以质量最轻为目标函数对各零件进行优化，得到新的白车身。

优选地，如上所述的白车身轻量化优化设计方法，还包括步骤：

f）计算新的白车身的弯曲刚度、扭转刚度和体积对设计变量的灵敏度，再根据计算结果选择零件进行进一步优化。

g）对新的白车身的强度进行校核，以判断新的白车身整体强度是否仍然符合要求。

优选地，在步骤b）中，所选取的减重零件包括顶盖外板、顶盖前横梁、顶盖后横梁、右侧围外板、右侧围后下内板、右侧围后内窗框、左侧围外板、左侧围后下内板和左侧围后内窗框中的一个或者多个。

优选地，在步骤b）之前，还存在步骤：

h）判断白车身是否处于量产阶段。

优选地，当白车身处于量产阶段时，在步骤b）中，减重时的减薄量在0.1mm以内。

步骤a）至步骤c）为设计变量选取过程，由于在步骤a）中对材料参数进行了离散化，因此保证了在后续轻量化设计过程中，优化后的零件厚度是已有库存材料所具有的，而且通过步骤b）和c），确保了设计变量不会影响白车身的设计性能要求，因此设计变量的选择是合适的。而且，以模态分析结果作为约束条件，保证了优化设计后的新的白车身的整体性能。

进一步地，对新的白车身进行灵敏度分析，为设计人员进一步对白车身进行减重提供了参考方向。

进一步地，对新的白车身强度进行校核，保证了新的白车身强度仍然符合要求。

进一步地，选取顶盖外板、顶盖前横梁、顶盖后横梁、右侧围外板、右侧围后下内板、右侧围后内窗框、左侧围外板、左侧围后下内板和左侧围后内窗框作为减重零件，符合一般车型的零件组成特点，减少了工作量。

进一步地，由于存在步骤h），因此设计人员能够根据白车身是否处于量产阶段而选择减重量范围，能够避免重新开模具，降低生产成本。而在量产阶段，选择0.1mm作为减重时的减薄范围，在避免重新开模具的同时保证了车身加工精度。

附图说明

接下来将结合附图对本发明的具体实施例作进一步详细描述，其中：

图1为本发明的实施例的顶棚雪载分析模型图；

图2为本发明的实施例的侧围屈曲抗凹分析模型图；

图3为本发明的实施例的某白车身自由模态分析模型图；

图4为本发明的实施例的某白车身弯曲刚度分析模型图；

图5为本发明的实施例的某白车身扭转刚度分析模型图；

图6为本发明的实施例的弯曲刚度和体积灵敏度柱状图；

图7示出了左右侧围减薄后的屈曲抗凹分析结果。

具体实施方式

接下来以某型白车身为例，结合附图详细描述本发明的白车身轻量化优化设计方法。

步骤a）中，需要根据现有库存材料，建立离散化的材料参数。假设现库存材料（以板材为例）如下：

SPCC（厚度单位：mm）:0.6,0.7,0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,1.8,2.0,2.5。

SPCD（厚度单位：mm）:0.6,0.7,0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,1.8,2.0。

SPCEN（厚度单位：mm）：0.6,0.7,0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,1.8,2.0。

并假设一个零件的材料是SPCC，原厚度是1.6mm,如不对材料参数进行离散化，则优化以后的厚度可能是1.4mm,虽然这样的优化结果理论上是正确的，但与实际生产不符，因为现有库存没有1.4mm厚的板材，这就造成了无效的优化设计。因此，材料参数的取值范围定义为离散值集合{0.6,0.7,0.8,1.0,1.2,1.5,1.6,1.8,2.0,2.5},而不能定义为连续区间【0.6,2.5】。

在进行白车身零件减重前，为了降低成本，优选存在步骤h）：判断白车身是否处于量产阶段。如果是新开发阶段，模具还未制造，则对零件减重（在本实施例中，意味着板材的减薄）幅度能够大些；如果是量产阶段，模具已经制造，则减重幅度需要小些，避免重开模具。一般，对于量产阶段的零件，如果减薄量在0.1mm范围以内,则不用重新开模具，能够降低成本。

假设该型白车身已经处于量产阶段。在步骤b）中，选取该车型的顶盖外板、两个顶盖前横梁、两个顶盖后横梁、右侧围外板、右侧围后下内板、右侧围后内窗框、左侧围外板、左侧围后下内板、左侧围后内窗框作为减重零件，而由于发动机舱纵梁、B柱及其加强板等作为安全性零件，中地板上横梁、后地板上横梁、地板左右纵梁、摆臂上支架等作为重要功能性零件，不列入减重选取范围。当然，针对不同的车型，能够选取不同的零件进行减重。由于该型白车身处于量产阶段，因此选择各零件减薄0.1mm，在避免了重开模具的同时，能够保证加工精度。图1和图2分别示出了顶棚雪载分析模型和侧围屈曲抗凹分析模型。本领域普通技术人员应当理解，采用abqus、ANSYS等软件均能够构造该模型，并进行非线性分析，软件的具体应用方法本说明书中不再详细描述。

c）判断减重后的零件是否符合性能要求，选取减重后符合性能要求的零件作为设计变量。对于构成顶棚的各零件，主要性能要求在于其雪载能力，而对于侧围零件，主要性能要求在于其屈曲抗凹能力。假设所选取的各零件原始厚度为0.8mm，减薄0.1mm，减重后的顶棚雪载分析结果如表1所示，侧围屈曲抗凹分析结果如图7所示。

表1减重后雪载分析结果

60cm雪厚时有无塑性应变	无
		60cm雪厚时变形（mm）	3.56
90cm雪厚时有无屈曲变形	无
		90cm雪厚时变形（mm）	5.66

根据表1，判断减薄后的顶棚雪载仍满足要求，根据图7，判断减薄后的侧围件仍满足屈曲抗凹性能要求，因此，判断在步骤b）中所选取的零件均能够作为设计变量。当然，当出现减薄后存在不满足性能要求的零件时，需要将此零件从设计变量中排除。在本实施例中，最终选取的部分设计变量如表3所示：

表3最终确定的设计变量

变量名	零件名称	设计变量取值(mm)
			t₁	顶盖外板	0.7，0.8
t₂	顶盖前横梁外板	0.7，0.8

t₃	顶盖前横梁内板	0.7，0.8
			t₄	顶盖后横梁外板	0.7，0.8
t₅	顶盖后横梁内板	0.7，0.8
			t₆	右侧围外板	0.7，0.8
…	…	…

从表3中可见，设计变量取值为离散的材料参数，且由于该车型处于量产阶段，因此减薄量在0.1mm以内。当然，本领域普通技术人员能够想象，如果该车型并非处于量产阶段，则设计变量取值范围能够更广。

d）对减重前的白车身进行自由模态分析（分析模型如图3所示），结果为f7=29.87Hz(基本频率),f9=33.04Hz（一阶弯曲频率）,f11=45.2Hz（一阶扭转频率）。本领域普通技术人员能够理解，该模态分析同样能够通过多种分析软件完成。

e）根据模态分析，确定约束条件为：

C₁=fre7-29.87≥0

C₂=fre9-33.04≥0

C₃=fre11-45.2≥0

以质量最轻为目标函数对各零件进行优化，得到新的白车身。优化后的结果分别如表4和表5所示。

表4部分变量优化前后的值

表5优化结果

约束及目标	约束值	优化结果
			fre7	29.87Hz	29.30Hz
fre9	33.04Hz	33.06Hz
			fre11	45.2Hz	45.23Hz
体积	4.415e+07mm³	4.248e+07mm³
			质量	343kg	336kg
减重		7kg

可见，经过轻量化优化设计后，白车身部分零件减薄，车身减重7kg，实现了白车身轻量化优化设计目的。

在进行白车身轻量化优化设计时，设计人员一般还想要知道该型白车身哪些零件对弯曲刚度、扭转刚度和体积的影响最大，以为进一步进行白车身减重提供定性参考，因此优选在白车身轻量化优化设计过程中增加步骤f）：计算新的白车身的弯曲刚度、扭转刚度和体积对设计变量的灵敏度，再根据计算结果选择零件进行进一步优化。图6示出了本实施例中的弯曲刚度和体积对各零件的灵敏度柱状图，其中sen_twist为弯曲刚度灵敏度，sen_v为体积灵敏度。图中的q1至q13代表构成白车身的不同零件。从图中可见，零件q5的弯曲刚度灵敏度相对较小，同时体积灵敏度相对较大，意味着q5能够在对弯曲刚度产生很小影响的条件下进一步减薄。

为了确保新的白车身强度仍然符合要求，优选存在步骤g）：对新的白车身的强度进行校核，以判断新的白车身整体强度是否仍然符合要求。白车身弯曲刚度分析模型和扭转刚度分析模型分别如图4和5所示。图4和图5中的模型同样能够通过多种分析软件构造并分析。如果新的白车身强度不满足强度要求，需重新进行设计。

本领域普通技术人员应当清楚，在本说明书中，虽然各步骤被赋予了字母标号a、b、c、d、e、f、g、h，但字母顺序并不严格对应步骤顺序，例如，步骤h是在步骤b之前完成的，能够位于步骤a、b之间或者位于步骤a之前，步骤d能够在步骤c之前的任何阶段完成，步骤f、g只要在步骤e之后即可完成，两者是可选且顺序互换的。

虽然本发明是结合以上实施例进行描述的，但本发明并不被限定于上述实施例，而只受权利要求的限定，本领域普通技术人员能够容易地对其进行修改和变化，但并不离开本发明的实质构思和范围。

Claims

1.一种白车身轻量化优化设计方法，包括的步骤有：

a)根据现有库存材料，建立离散化的材料参数；

h)判断白车身是否处于量产阶段；

b)选取白车身零件进行减重，当白车身处于量产阶段时，减重时的减薄量在0.1mm以内；

c)判断减重后的零件是否符合性能要求，选取减重后符合性能要求的零件作为设计变量；

d)对减重前的白车身进行自由模态分析，求得其基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率；

e)以基本频率、一阶扭转频率和一阶弯曲频率作为设计变量的约束条件，以质量最轻为目标函数对各零件进行优化，得到新的白车身。

2.根据权利要求1所述的白车身轻量化优化设计方法，还包括步骤：

f)计算新的白车身的弯曲刚度、扭转刚度和体积对设计变量的灵敏度，再根据计算结果选择零件进行进一步优化。

3.根据权利要求1或2中的任一项所述的白车身轻量化优化设计方法，还包括步骤：

g)对新的白车身的强度进行校核，以判断新的白车身整体强度是否仍然符合要求。

4.根据权利要求1所述的白车身轻量化优化设计方法，其特征在于，在步骤b)中，所选取的减重零件包括顶盖外板、顶盖前横梁、顶盖后横梁、右侧围外板、右侧围后下内板、右侧围后内窗框、左侧围外板、左侧围后下内板和左侧围后内窗框中的一个或者多个。