CN106021668B - 一种汽车车身骨架轻量化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车车身骨架轻量化方法，包括如下步骤：建立车身骨架的参数化有限元模型，参考汽车实际运行工况，计算车身骨架的相应骨架总成的力学性能，通过对计算结果的分析，得到车身骨架上的相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况；根据步骤(1)中所得到的相应薄壁构件梁的应力承载情况，结合相应部位的功能需要及装配工艺要求，选取满足该应力承载情况而且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状对相应薄壁构件梁进行优化改进，以减轻车身骨架质量。通过改变薄壁构件梁的可以满足应力承载情况且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状实现对薄壁构件梁的优化，可以较大幅度的实现对薄壁构件梁的轻量化设计，进而有效的减轻车身骨架的质量。

Description

一种汽车车身骨架轻量化方法

技术领域

本发明涉及一种汽车车身骨架轻量化方法。

背景技术

我国汽车工业近年来不断发展壮大，已成为全球第一大汽车生产国和消费国，随之而来，对石油资源的需求及对大气环境的排放物均与日俱增。汽车轻量化技术，作为一项基础节能技术，可提升汽车的经济动力性，降低燃油消耗，减轻汽车尾气排放量。

客车骨架主要由薄臂构件组焊形成的多维度空间桁架，薄臂构件是由薄板经过冲压、翻边后与其他结构焊接在一起形成的，截面形状复杂多样，截面轮廓可以是开口和闭口形式。客车的整个车身骨架通常由车身前围骨架、车身后围骨架、车身左侧围骨架、车身右侧围骨架、车身顶盖骨架、车身地板骨架及车架组成。

目前，客车骨架的轻量化主要围绕新型轻质材料和结构优化两个方面。客车采用的新型轻质材料主要有铝合金、碳纤维及其他复合材料等，如申请公布号为CN102815338A的中国发明专利申请中所公开的轻量化全承载式客车车体骨架结构就采用全铝材质制作，如申请公布号为CN103979016A的中国发明专利申请中所公开的轻量化电动汽车车身骨架就是采用碳纤维材料制作，虽然减轻了整车重量，但成本相对较高。

针对客车骨架结构优化，在申请公布号为CN103823944A的中国发明专利中公开了一种客车车身骨架高刚度及轻量化灵敏度分析方法，该方法首先由箱型端面梁建立客车骨架组件参数化有限元模型，并对骨架上配置上悬架结构，以便施加弯扭工况；客车骨架组件参数化有限元建模是灵敏度分析的基础，是将多个梁结构共用一组截面参数，并将这些梁结构置于一个组件中，使客车骨架组件参数化有限元建模更加贴近工程实际；其次，定义客车静态扭转刚度、静态弯曲刚度、动态频率刚度、这三个指标都是各组件箱梁端面几何尺寸参数的隐式非线性函数；然后，将以上的三个指标分别对整车质量求导数得到静动态刚度灵敏度分析公式，最后，综合灵敏度分析结果，对灵敏度高的组件，增大其箱梁端面尺寸，从而提高车身静动态刚度，小幅增加车身质量，对灵敏度低的组件，减少其箱梁端面尺寸，从而小幅降低车身静态刚度，大幅减轻车身质量，最后得到高刚度、轻量化的车身结构。

但上述的这种车身骨架高刚度及轻量化灵敏度分析方法需要较深的理论基础，将研究成果快速应用于客车新产品研发设计中，还存在一定的难度，车身设计周期也较长。而且，上述分析方法中确定以箱型端面梁即矩形梁来组装客车骨架，再通过减小灵敏度低的组件的箱梁的端面尺寸来实现轻量化改进设计，但由于其仍然采用矩形梁结构，箱梁依然具有四个侧面，减轻的质量较少，轻量化设计改进的幅度有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种汽车车身轻量化方法，以解决现有技术中车身骨架轻量化分析方法中对灵敏度较低的组件通过减少其箱梁端面尺寸的方法来减轻车身质量使得轻量化改进幅度有限的技术问题。

为实现上述目的，本发明所提供的汽车车身轻量化方法的技术方案是：一种汽车车身骨架轻量化方法，包括如下步骤：

(1)建立车身骨架的参数化有限元模型，参考汽车实际运行工况，计算车身骨架的相应骨架总成的力学性能，通过对计算结果的分析，得到车身骨架上的相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况；

(2)根据步骤(1)中所得到的相应薄壁构件梁的应力承载情况，结合相应部位的功能需要及装配工艺要求，选取满足该应力承载情况而且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状对相应薄壁构件梁进行优化改进，以减轻车身骨架质量。

步骤(1)中的相应骨架总成为顶盖骨架总成、左侧围骨架总成、右侧围骨架总成、前围骨架总成、后围骨架总成、地板骨架总成和车架总成中至少一种。

步骤(1)的汽车实际运行工况为典型工况组，典型工况组包括基础工况和辅助工况，基础工况包括弯曲工况和扭转工况，辅助工况包括侧翻工况和制动工况。

步骤(2)中确定所述的相应薄壁构件梁的截面形状进行优化改进后，重构车身骨架的有限元模型，并在参考弯曲工况和扭转工况的情况下，校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度。

在校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度后，结合侧翻工况及制动工况对车身骨架局部区域进行细节完善，形成车身骨架的最终有限元模型。

本发明的有益效果是：本发明所提供的汽车车身轻量化方法中，建立车身骨架的参数化有限元模型，参考汽车实际运行工况，计算车身骨架的相应骨架总成的力学性能，通过对计算结果的分析，得到车身骨架上的相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况，根据相应薄壁构件梁的应力承载情况，选取满足该应力承载情况且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状对相应薄壁构件梁进行优化改进，进而减轻车身骨架的质量，实现对车身骨架的轻量化设计。本发明所提供的车身骨架轻量化方法中，通过改变薄壁构件梁的可以满足应力承载情况且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状实现对薄壁构件梁的优化，这样可以较大幅度的实现对薄壁构件梁的轻量化设计，当对车身骨架的多个骨架总成的多个薄壁构件梁进行这种轻量化设计时，即可有效的减轻车身骨架的质量。

附图说明

图1为本发明所提供的汽车车身轻量化方法的一种实施例的流程图；

图2为客车顶盖骨架的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

本发明的汽车车身骨架轻量化方法的具体实施例，该实施例中的车身骨架轻量化方法具体包括如下步骤：

(1)建立车身骨架的参数化有限元模型，参考汽车实际运行工况，计算车身骨架的相应骨架总成的力学性能，通过对计算结果的分析，得到车身骨架上的相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况；

(2)根据步骤(1)中所得到的相应薄壁构件梁的应力承载情况，结合相应部位的功能需要及装配工艺要求，选取满足该应力承载情况而且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状对相应薄壁构件梁进行优化改进，以减轻车身骨架质量。

上述步骤(1)中的相应骨架总成包括顶盖骨架总成、左侧围骨架总成、右侧围骨架总成、前围骨架总成、后围骨架总成、地板骨架总成和车架总成。

步骤(1)的汽车实际运行工况为典型工况组，典型工况组包括基础工况和辅助工况，基础工况包括弯曲工况和扭转工况，辅助工况包括侧翻工况和制动工况。

实际上，在步骤(2)中确定所述的相应薄壁构件梁的截面形状进行优化改进后，重构车身骨架的有限元模型，并在参考弯曲工况和扭转工况，校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度。并且，在校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度后，结合侧翻工况及制动工况对车身骨架局部区域进行细节完善。

如图1、图2所示，以客车车身骨架为例：

(1)建立前置客车的车身骨架的参数化有限元模型，注意合理处理各骨架总成的薄壁构件梁的接头连接方式，最大程度的贴合实际客车车身骨架结构的受力方式。

(2)确定以客车的弯曲工况和扭转工况为基础分析工况，再通过侧翻及制动工况辅助完善，形成典型工况组。

(3)在弯曲工况和扭转工况下，计算客车车身骨架的力学性能，通过对计算结构的分析，得到客车车身骨架各总成的应力承载情况，具体可参见表1：

注：随着圆圈中黑色区域越多，表示承受应力越大。

表1

从表1可知，在弯曲工况和扭转工况下，客车车身骨架的地板骨架、侧围骨架和车架为主要承载总成，而前围骨架、后围骨架及顶盖骨架所承受的载荷相对较小，可作为重点的轻量化对象进行深入研究。

(4)根据客车车身骨架的各总成的承载力分析结构，得到相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况，如图2所示的顶盖骨架为例，客车的顶盖骨架为主要由顶盖横梁1、内饰固定纵梁2和风道固定纵梁3焊接组成的空间方框结构，顶盖骨架的顶盖横梁1、内饰固定纵梁2和风道固定纵梁3所承受的主要应力形式见表2：

注：随着圆圈中黑色区域越多，表示承受应力越大。

表2

(5)根据客车车身骨架用薄壁构件梁的截面形式，建立常用截面力学特性表，如表3，结合具体的焊接固定方式，列出了常用截面的弯曲变形、扭转变形、弯曲刚度、扭转刚度等指标，此处仅列举4个截面形状的力学特性表，具体见表3：

表3

(6)根据本实施例所展现的客车顶盖骨架顶盖横梁1、内饰固定纵梁2和风道固定纵梁3所承受的主要应力，顶盖横梁1既承受弯曲应力又承受扭转应力，在不影响功能的前提下，截面形式由“□”调整为内饰固定梁2主要承受弯曲应力，在保证刚度相当的情况下，内饰固定梁部分薄臂结构梁由“□”调整为由于功能和当前工艺需要，风道固定纵梁(3)的截面形式仍为“□”。

(7)在客车车身骨架的其他部位不变的情况下，重构车身骨架的有限元模型，并计算车身骨架的刚度，与原车身骨架结构的刚度进行标度，刚度变化在1％内。同时，核查顶盖骨架横梁1和内饰固定梁2的应力及相关零部件的应力水平，保证在可控范围内。最终，确定顶盖骨架横梁1规格为40×40×2.0的截面形状为的薄壁构件梁，内饰固定梁规格为40×30×20×1.25的截面形状为的薄壁构件梁。

按照本发明所述客车骨架轻量化方法，实施例中顶盖横梁1和内饰固定梁2截面形式和尺寸调整，在保证原设计结构刚度强度相当的情况下，客车顶盖骨架总成轻量化约20kg，轻量化效果较明显，且基于此方法完成了实车试制，验证了本发明所提供的轻量化方法可行。

实际上，在对车身骨架进行刚度和强度校验时，如果优化后的车身骨架的刚度和强度不符合相关参数规定时，需要重新对相应骨架总成的相应薄壁构件梁的截面形状进行优化，以保证最终的车身骨架的刚度和强度满足相应的要求。

上述实施例中，以车顶骨架为例，也可以按照这种方式对前围骨架总成及后围骨架总成，甚至侧围骨架总成和车架总成，进行相应总成的应力承载分析，并对应分析相应总成的各薄壁构件梁的承载应力分析，同样可以对其他骨架总成的相应薄壁构件梁进行截面形状的优化改进。

上述实施例中，汽车实际工况以典型工况组来作为判断标准，在其他实施例中，汽车实际工况也可以参考其他的工况来衡量车身骨架的相应骨架总成的力学性能。

Claims (3)

1.一种汽车车身骨架轻量化方法，其特征在于：包括如下步骤：

（1）建立车身骨架的参数化有限元模型，参考汽车实际运行工况，计算车身骨架的相应骨架总成的力学性能，通过对计算结果的分析，得到车身骨架上的相应骨架总成的相应薄壁构件梁的应力承载情况；

（2）根据步骤（1）中所得到的相应薄壁构件梁的应力承载情况，结合相应部位的功能需要及装配工艺要求，选取满足该应力承载情况而且可减轻薄壁构件梁质量的截面形状对相应薄壁构件梁进行优化改进，以减轻车身骨架质量；

步骤（1）的汽车实际运行工况为典型工况组，典型工况组包括基础工况和辅助工况，基础工况包括弯曲工况和扭转工况，辅助工况包括侧翻工况和制动工况；步骤（2）中确定所述的相应薄壁构件梁的截面形状并进行优化改进后，重构车身骨架的有限元模型，并参考弯曲工况和扭转工况，校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度。

2.根据权利要求1所述的汽车车身骨架轻量化方法，其特征在于：步骤（1）中的相应骨架总成为顶盖骨架总成、左侧围骨架总成、右侧围骨架总成、前围骨架总成、后围骨架总成、地板骨架总成和车架总成中至少一种。

3.根据权利要求1或2所述的汽车车身骨架轻量化方法，其特征在于：在校验优化改进后的车身骨架的刚度和强度后，结合侧翻工况及制动工况对车身骨架局部区域进行细节完善，形成车身骨架的最终有限元模型。