CN108804857A - 一种车身轻量化设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种车身轻量化设计方法，包括：1、建立车身有限元模型；2、建立车身模态、弯曲和扭转刚度分析模型，计算得到模态、弯曲和扭转刚度值；3、建立灵敏度分析模型并进行求解计算；4、将灵敏度分析模型计算结果进行整理，得到设计变量所对应的车身钣金件的灵敏度分析结果；5、建立车身轻量化优化计算模型并进行求解计算；6、对计算结果进行提取，修改部分钣金件的厚度值以满足工程要求，形成新的BOM表；7、判断BOM表是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成，否则重复步骤6，直至满足轻量化设计目标。与现有技术相比，本发明有效的满足车身刚度要求的同时，减轻车身重量，具有很强的工程实用性，适用性较广。

Description

一种车身轻量化设计方法
技术领域
本发明涉及汽车轻量化技术领域，尤其是涉及一种车身轻量化设计方法。
背景技术
据统计，汽车每减轻其总质量的10％，燃油消耗量可降低6％～8％，降低排放5％～6％。车身是汽车的重要组成部分，其重量约占整车重量的40％，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用，对车身结构进行优化设计能够有效降低汽车自重，其对于整车开发的影响具有重要的意义。
汽车轻量化设计已成为当今汽车行业的发展方向。汽车轻量化设计就是满足模态频率和刚度等性能的设计目标下实现轻量化，是车辆开发初期最有效和最重要的设计。传统上，常依靠增加部件厚度来提升车身弯曲、扭转模态频率和刚度是与此背道而驰的。而且，研究表明在车身的结构设计中，增加部件的厚度并不一定能够提高车身的模态或刚度。目前，随着有限元技术的发展，汽车轻量化可以在项目初期和项目过程中，通过数值的方法进行车身结构优化计算，可以避免结构修改的盲目性，提高设计效率，减少设计成本。
但是，目前在项目过程中，工程师进行车身轻量化优化设计时，由于车身钣金件数量众多，对于灵敏度结果的处理和轻量化设计带来巨大的工作量，且优化分析结果受制于工程师的经验，会因工程师的选择而得到不同的优化结果。
发明内容
本发明的目的就是为了克服上述现有技术存在的缺陷而提供一种车身轻量化设计方法。
本发明的目的可以通过以下技术方案来实现：
一种车身轻量化设计方法，包括以下步骤：
S1、根据车身的CAD数据建立车身有限元模型；
S2、建立车身模态、弯曲和扭转刚度分析模型，计算得到模态、弯曲和扭转刚度值；
S3、在车身模态、刚度分析模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、设计变量、约束条件以及目标函数，建立灵敏度分析模型并进行求解计算；
S4、将灵敏度分析模型计算结果进行整理，得到设计变量所对应的车身钣金件的灵敏度分析结果；
S5、在灵敏度分析模型的基础上，根据灵敏度分析结果，选取轻量化设计变量、约束条件和目标函数，建立车身轻量化优化计算模型并进行求解计算；
S6、对步骤S5的计算结果进行提取，根据实际工程经验修改部分钣金件的厚度值以满足工程要求，形成新的BOM表；
S7、判断BOM表是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤S6，直至满足轻量化设计目标。
优选的，所述步骤S1中车身有限元模型满足有限元网格质量标准且经过模态试验对标验证。
优选的，所述有限元网格质量标准包括：
长宽比<3，翘曲度<10，雅克比>0.6，45°<四边形最小内角<130°，20°<三角形最小内角<100°。
优选的，所述步骤S3中灵敏度分析所需的设计变量为料厚可进行变更的钣金件，并定义厚度的变化范围；灵敏度分析所需的约束条件包括：车身的弯曲和扭转模态频率值不小于设定的目标值，弯曲和扭转刚度计算值不小于设定的目标值；灵敏度分析所需的目标函数是以车身质量最小为优化目标。
优选的，所述步骤S4中灵敏度分析结果包括模态灵敏度系数、刚度灵敏度系数以及重量灵敏度系数。
优选的，所述步骤S5中轻量化设计变量包括：模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件，模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的钣金件；轻量化约束条件包括：车身的弯曲和扭转模态频率值不小于设定的目标值，弯曲和扭转刚度计算值不小于设定的目标值；轻量化的目标函数是以车身质量最小为优化目标。
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
1、本方法以灵敏度分析为基础，研究各钣金件对车身模态和刚度的贡献量，以确定车身骨架结构的薄弱环节，并对其结构进行优化分析，寻求更为合理的车身厚度分布，从而有效的满足车身刚度要求的同时，减轻车身重量，在实际的车身开发中可以起到了较好的指导作用，具有很强的工程实用性，可为各个车型进行轻量化分析，适用性较广。
2、本方法不仅可以在保证车身常规性能不降低的情况下实现车身轻量化，同时也可为改善弯曲和扭转模态、刚度性能提供参考。
3、本方法可以将车身轻量化优化设计流程固化下来，形成规范，可以大幅度减少工程师的工作量，且避免了由于人为操作引起的错误，能更好的指导项目实施。
附图说明
图1为实施例中本方法的步骤流程图；
图2为实施例中本方法的模块化设计步骤流程图；
图3为实施例中车身有限元模型结构示意图。
图中标注：1、前纵梁内板；2、前减震器塔；3、流水槽；4、后挡风上横梁；5、前围板；6、后轮毂包；7、C柱加强板；8、后轮毂罩板；9、C柱内板；10、B柱外加强板；11、B柱内加强板；12、门槛梁外板；13、门槛梁内板；14、前地板；15、后地板；16、shotgun外板；17、前纵梁；18、门槛梁加强板；19、后纵梁；20、D柱外板。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。本实施例以本发明技术方案为前提进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例
如图1、图2所示，一种车身轻量化设计方法，本实施例主要采用有限元分析软件和EXCEL(Microsoft Excel)电子表格软件实现设计过程，包括以下步骤：
S1、根据车身的CAD数据建立车身有限元模型，具体包括：
S11、根据车身CAD数据，利用有限元前处理软件HyperMesh建立车身有限元模型，车身有限元模型如图3所示；
S12、采用acm和rbe3单元模拟车身实体焊点及连接，采用三角形和四边形网格单元进行网格划分，并进行网格质量检查，使有限元模型满足有限元网格质量标准，包括：
长宽比(Aspect ratio)<3，翘曲度(Warping)<10，(Jacobian)>0.6，45°<四边形最小内角(Angle min QUAD)<130°，20°<三角形最小内角(Angle min TRIA)<100°；
S13、将有限元模型的模态结果和试验模态结果进行对比，验证有限元模型的正确性。
S2、通过EXCEL的模态和刚度分析模块建立车身模态、弯曲和扭转刚度分析模型，并提交求解器NASTRAN进行计算，得到模态、弯曲和扭转刚度值。
模态和刚度分析模块是指在EXCEL中用VBA(Visual Basic for Applications)宏语言编写的模块，可根据用户要求直接快速生成模态和刚度分析计算所需的计算文件。
车身结构的模态、弯曲刚度和扭转刚度是车身结构的重要力学性能，这三个指标反映了车身结构最基本的静动态特性。因此，基于此特性的轻量化设计具有很强的实际意义和工程应用价值。本实例车身重量为390.7kg，车身的一阶扭转模态为36.8Hz，大于设定的目标值36.0Hz，满足要求；车身的一阶弯曲模态为47.7Hz，大于设定的目标值45.0Hz；弯曲刚度和扭转刚度曲线过渡平滑，其中弯曲刚度为13093N/mm，低于项目设定的目标值14000N/mm；扭转刚度为16359Nm/°，大于项目设定的目标值16000Nm/°，满足要求。
S3、通过EXCEL的灵敏度分析模块，在车身模态、刚度分析模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、设计变量、约束条件以及目标函数，建立灵敏度分析模型，将分析模型提交到求解器OPTISTRUCT或NASTRAN进行求解计算。
灵敏度分析模块是指在EXCEL中用VBA(Visual Basic for Applications)宏语言编写的模块，可根据用户要求直接快速生成灵敏度分析计算所需的计算文件。
其中，设计变量选择车身料厚可变更的144个钣金件，其中120个钣金件是车身左右对称件，并定义厚度的变化范围为基础料厚的±30％；以车身的一阶扭转模态频率值不小于项目设定的目标值36Hz为约束条件，一阶弯曲模态频率值不小于设定的目标值45Hz为约束条件，弯曲刚度计算值不小于设定的目标值14000N/mm为约束条件，扭转刚度计算值不小于设定的目标值16000Nm/°为约束条件；并以车身质量最小为目标函数。
S4、通过EXCEL的灵敏度分析模块，将灵敏度分析模型计算结果进行整理，得到设计变量所对应的车身钣金件的灵敏度分析结果，包括模态灵敏度系数、刚度灵敏度系数以及重量灵敏度系数。
表1为本实施例部分车身钣金件的模态、刚度以及重量灵敏度系数结果。
表1部分车身钣金件的模态、刚度以及重量灵敏度系数结果
编号 钣金件名称 重量灵敏度 -阶扭转模态灵敏度 -阶弯曲模态灵敏度 扭转刚度灵敏度 弯曲刚度灵敏度
127 前地板 1.67E-02 3.46E-01 -3.37E-01 7.50E+02 2.87E+01
129 后地板 1.48E-02 4.04E-01 -1.91E-01 2.235+03 6.61E+02
64 后轮毂包 9.13E-03 2.28E-01 3.49E-01 1.19E+03 9.98E+02
122 前围板 8.96E-03 6.56E-03 2.35E-01 1.94E+02 1.28E+02
30 B柱内加强板 8.41E-03 5.88E-01 1.48E+00 6.76E+02 2.04E+02
66 后轮毂罩板 7.07E-03 3.27E-01 1.07E-01 3.46E+02 6.84E+02
92 门槛梁外板 7.01E-03 2.54E-01 5.47E-01 3.51E+02 1.65E+03
100 后纵梁 6.92E-03 1.58E-01 5.37E-01 2.10E+03 9.32E+02
90 门槛梁内板 6.56E-03 1.69E-01 2.95E-01 2.57E+02 1.82E+03
121 流水槽 6.55E-03 -5.04E-03 3.62E-01 2.13E+02 3.13E+02
20 A柱外板 6.35E-03 2.35E-01 5.61E-01 4.77E+02 4.46E+02
40 C柱内板 5.80E-03 2.79E-02 1.13E+00 4.65E+02 6.17E+02
22 A柱内板 5.66E-03 3.36E-01 6.32E-01 5.54E+02 3.25E+02
38 C柱加强板 4.83E-03 -3.13E-02 7.01E-01 2.70E+02 4.54E+02
46 D柱外板 4.42E-03 1.16E+00 1.81E-01 6.05E+02 2.42E+02
88 门槛梁加强板 4.09E-03 1.31E-02 1.94E-02 7.44E+01 8.38E+01
4 前纵梁内板 4.07E-03 -2.98E-02 2.00E-01 1.06E+01 8.20E+00
28 A柱加强板 3.98E-03 8.46E-02 4.96E-01 2.10E+02 2.54E+02
42 后挡风上横梁 3.71E-03 1.90E+00 3.07E-01 8.41E+02 1.13E+02
6 shotgun外板 3.55E-03 1.94E-01 5.90E-02 1.29E+02 1.40E+02
82 中纵梁 3.40E-03 1.43E-02 -9.75E-02 5.04E+01 2.52E+01
10 前减震器塔 3.37E-03 1.19E-01 1.14E+00 3.93E+02 4.92E+02
104 后纵梁加强板 3.30E-03 4.57E-02 1.70E-01 2.23E+02 2.70E+02
80 前纵梁内板 3.29E-03 -3.47E-04 9.79E-02 3.02E+01 5.28E+00
32 B柱外加强板 3.25E-03 4.23E-01 1.49E+00 3.95E+02 5.13E+02
S5、通过EXCEL的轻量化优化分析模块，在灵敏度分析模型的基础上，根据灵敏度分析结果，选取轻量化设计变量、约束条件和目标函数，建立车身轻量化优化计算模型，并提交求解器OPTISTRUCT或NASTRAN进行计算。
轻量化优化分析模块是指在EXCEL中用VBA(Visual Basic for Applications)宏语言编写的界面，可根据用户要求直接快速生成轻量化优化分析计算所需的计算文件。
选取步骤S4筛选后的选择模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件，以及模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的钣金件作为轻量化设计变量，并根据实际工程定义优化过程中设计变量的下限和上限值。轻量化约束条件包括：车身的弯曲和扭转模态频率值不小于设定的目标值，弯曲和扭转刚度计算值不小于设定的目标值；轻量化的目标函数是以车身质量最小为优化目标。
S6、通过EXCEL的轻量化优化分析模块，对步骤S5的计算结果进行提取，根据实际工程经验修改部分钣金件的厚度值以满足工程要求，形成新的BOM表，并进行分析验证。
S7、判断BOM表是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤S6，直至满足轻量化设计目标。
本实施例中，CAE分析验证的结果显示车身的一阶扭转模态为37.2Hz，大于设定的目标值36.0Hz，满足要求；车身的一阶弯曲模态为47.5Hz，大于设定的目标值45.0Hz；弯曲刚度为14125N/mm，大于设定的目标值14000N/mm；扭转刚度为17410Nm/°，大于设定的目标值16000Nm/°，满足要求；优化后车身重量为355.8kg，减重了34.9kg，达到了轻量化目的。

Claims (6)

1.一种车身轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、根据车身的CAD数据建立车身有限元模型；
S2、建立车身模态、弯曲和扭转刚度分析模型，计算得到模态、弯曲和扭转刚度值；
S3、在车身模态、刚度分析模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、设计变量、约束条件以及目标函数，建立灵敏度分析模型并进行求解计算；
S4、将灵敏度分析模型计算结果进行整理，得到设计变量所对应的车身钣金件的灵敏度分析结果；
S5、在灵敏度分析模型的基础上，根据灵敏度分析结果，选取轻量化设计变量、约束条件和目标函数，建立车身轻量化优化计算模型并进行求解计算；
S6、对步骤S5的计算结果进行提取，根据实际工程经验修改部分钣金件的厚度值以满足工程要求，形成新的BOM表；
S7、判断BOM表是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤S6，直至满足轻量化设计目标。
2.根据权利要求1所述的一种车身轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤S1中车身有限元模型满足有限元网格质量标准且经过模态试验对标验证。
3.根据权利要求2所述的一种车身轻量化设计方法，其特征在于，所述有限元网格质量标准包括：
长宽比<3，翘曲度<10，雅克比>0.6，45°<四边形最小内角<130°，20°<三角形最小内角<100°。
4.根据权利要求1所述的一种车身轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤S3中灵敏度分析所需的设计变量为料厚可进行变更的钣金件，并定义厚度的变化范围；灵敏度分析所需的约束条件包括：车身的弯曲和扭转模态频率值不小于设定的目标值，弯曲和扭转刚度计算值不小于设定的目标值；灵敏度分析所需的目标函数是以车身质量最小为优化目标。
5.根据权利要求1所述的一种车身轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤S4中灵敏度分析结果包括模态灵敏度系数、刚度灵敏度系数以及重量灵敏度系数。
6.根据权利要求1所述的一种车身轻量化设计方法，其特征在于，所述步骤S5中轻量化设计变量包括：模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件，模态灵敏度系数和刚度灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的钣金件；轻量化约束条件包括：车身的弯曲和扭转模态频率值不小于设定的目标值，弯曲和扭转刚度计算值不小于设定的目标值；轻量化的目标函数是以车身质量最小为优化目标。
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