CN1760877A - 多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法 - Google Patents
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Abstract
一种汽车设计领域的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，包括以下步骤：a.对初始设计的车身结构的刚度、自然模态、碰撞、疲劳、NVH特性进行性能评估；b.选择部分车身板件的厚度作为优化变量；c.以车身结构的质量最小化为优化目标函数，以车身的刚度和自然模态频率为优化的约束条件进行优化计算；d.对优化计算得到的板件厚度进行圆整，达到轻量化设计的预定目标，满足刚度和自然模态的设计要求；e.根据步骤d得到的板件厚度，结合轻量化材料的选用，验证车身结构的碰撞、疲劳、NVH特性的变化，完成轻量化设计方案的确定。本发明将轿车车身各项结构性能的评估和优化设计融入到轻量化设计中，可提高轻量化设计的效率和成功的可能性。
Description
技术领域
本发明涉及的是一种汽车设计技术领域的方法，是一种多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法。
背景技术
轿车车身结构是由数百个形状与大小不一的车身结构件和覆盖件组成，轿车车身结构质量占轿车总质量的30％-40％，因此对于轿车车身结构的轻量化研究对于整车的轻量化具有举足轻重的意义。但是轿车轻量化不能盲目的减重，应在保证轿车整体质量和性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各零部件的质量。然而，轿车车身结构的轻量化与轿车的各项性能诸如车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性等往往是互相矛盾的，需要从系统的高度对轿车车身结构进行轻量化设计。
经对现有技术的文献检索发现，针对车身结构的轻量化，刘竹清、丁能根等在《机械科学与技术》2004年第1期上发表《全承载式客车车身结构优化设计》，该文献中在全承载式客车车身骨架及顶盖蒙皮的有限元分析模型的基础上，以车身结构总体积作为优化目标函数，以车身骨架主要型材的截面参数为设计变量，选择整车扭转刚度及车身低阶固有频率等约束条件构成约束条件，优化后对车身强度和刚度进行校核，以检验优化结果的合理性，确保客车在满足性能要求的前提下减轻车身自重。该方法只以车身的扭转刚度和一阶扭转模态作为车身轻量化的依据，没有考虑车身结构的其它性能，因此不能保证车身轻量化改进是成功的。检索中还发现，秦东晨等在《机床与液压》2004年第4期上发表《大型机械结构件的多学科设计优化(MDO)研究》，该文献对于大型机械结构件如车身的多学科设计优化的思想进行了阐述，并以某轻型汽车厂生产的轻型货车EQ1060F车身进行了实例说明。该方法需要同时定制不同学科领域的多个目标函数，从而影响优化结果的收敛性，而且不同学科领域的分析模型各不相同，难以统一成一个分析模型。因此，该方法的可操作性和实用性不强，需要再完善。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，使其系统的对轿车车身结构进行轻量化，不仅可以使轿车车身结构的质量得到降低，还可以保证轿车车身结构的弯曲和扭转刚度、低阶自然模态频率不降低，并且满足碰撞安全性、疲劳寿命、乘坐舒适性的设计要求，应用于轿车车身结构的设计和改进阶段，具有可操作性强、效率高、多项结构性能交互式优化的特点。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括以下步骤：
a.针对初始设计的车身结构进行性能评估，包括车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性；
b.根据车身轻量化的预定目标和加工制造工艺及生产成本的限制，选择可以被用作优化对象的车身结构件和覆盖件，并以这些被选定的车身结构件和覆盖件的板件厚度作为优化变量；
c.以车身结构的质量最小化为优化目标函数，以车身的弯曲和扭转刚度、低阶自然模态频率不降低为优化的约束条件，进行若干次优化变量的迭代计算和约束条件的验证计算及车身结构质量的估算，直至优化计算的完成；
d.根据优化计算过程中优化变量即板件厚度的变化趋势和原材料的供应情况，对优化计算得到的板件厚度进行圆整，并应用圆整后的板件厚度对车身结构质量、弯曲和扭转刚度、自然模态进行校核计算，初步确定一组板件厚度；
e.根据步骤d中得到的一组板件厚度修改碰撞、疲劳和NVH特性分析模型中车身结构的相应板件，并结合轻量化材料(高强度钢)的选用，验证车身结构的正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性的变化，经步骤d和步骤e交互进行板件厚度调整和各项性能验证，完成车身结构的轻量化设计方案的确定。
所述的步骤a中，针对初始设计的车身结构各项性能的评估，涉及到车身结构各项性能的计算机仿真分析和试验规范以及相关法律法规的要求，因人而异，具体做法可参照相关的分析软件应用方法、试验规范和法律法规文本，但是要保证计算机仿真分析与试验或法律法规的做法和要求相一致，便于验证计算机仿真分析的模型和结果的正确性，为后续步骤中应用计算机仿真分析模型进行车身结构的轻量化设计做好准备。
所述的步骤b中，为了使板件的优化更加高效，可优化的板件更加集中明确，降低改型的成本，在选择作为优化对象的板件时，技术要求是：
(1)需要变更厚度的板件数量要少；
(2)板件的厚度调整后，加工模具的修改规模要小。
所述的步骤c中，主要涉及到针对弯曲和扭转刚度、自然模态的优化设计过程，具体为：
(1)以车身结构的质量作为目标函数，通过优化，改变车身结构的板件厚度，使质量达到最小化，优化过程可以通过应用结构分析软件或应用高级语言自行编程来实现；
(2)以车身结构的弯曲和扭转刚度、低阶自然模态作为约束条件，设定车身结构的弯曲和扭转刚度的变化不能低于初始设计的车身结构的刚度值，对于低阶自然模态频率则需要不低于初始设计的车身结构的频率值；
(3)通过判断相邻两次迭代的车身结构质量的差小于一个很小的值或者达到设定的最大循环次数来控制优化计算的完成。
所述的步骤d中，在优化计算结束之后，得到的车身板件厚度往往是保留多位的小数，这并不符合实际的车身结构设计和生产，因此需要对具有多位小数性质的板厚进行圆整，确定一组可以实际应用的板件厚度，可按以下步骤进行操作：
(1)将优化计算后得到的板件厚度进行圆整，可以分为以下几种情况进行分析：
情况一：板件厚度在优化计算过程中的变化趋势明显，始终保持递增或递减。此时，根据优化计算后的车身结构板件厚度的取值，结合原材料可以提供的板件厚度，以就近取值的原则，将车身结构的板件厚度确定为原材料的板件厚度。
情况二：板件厚度在优化计算过程中的变化趋势不明显，厚度变化时增时减。此时，不仅要考虑到原材料可以提供的板件厚度，还要考虑所取的厚度值是否可以达到车身结构轻量化的预定目标。如果优化计算后的车身结构板件厚度取值介于两个原材料可以提供的板件厚度值之间，通过试算的方式确定板件厚度的取值。
(2)应用圆整后的一组板件厚度对车身结构的质量进行再估算，对车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态进行校核计算，如果不满足设计要求，可以根据第(1)步中情况二的处理方法，进行局部个别板件厚度的再调整，直到达到轻量化设计的预定目标并满足刚度及自然模态的要求为止，这样就确定下来一组可以实际应用的板件厚度。
所述的步骤e中，在通过车身结构弯曲和扭转刚度、自然模态确定了一组车身结构板件厚度之后，修改碰撞、疲劳和NVH特性分析模型并进行这三方面的校核计算，可以按照以下三种情况进行操作：
(1)如果满足各方面的设计性能要求和车身结构轻量化的预定目标，则车身结构轻量化设计过程结束；
(2)如果不满足某些方面的设计性能，可以通过换用高强度的钢材等方法使之满足，而且车身结构的刚度和自然模态并不会发生变化；
(3)如果换用高强度的钢材后也不能满足某些方面的设计性能要求，此时需要调整厚度的板件往往会比较明确，再返回到步骤d中调整这些板件的厚度，并进行车身结构的刚度和自然模态以及步骤e中的碰撞、疲劳、NVH性能的校核计算，直至满足各方面的设计性能要求和车身结构轻量化的预定目标，则车身结构轻量化设计过程结束。
与现有技术相比，本发明首次将轿车车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性的性能评估和优化设计融入到轿车车身结构的轻量化设计中，并且实现了以弯曲和扭转刚度、自然模态的计算为设计基础，正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性分析作为设计验证的轻量化过程，使得最初的大量而复杂的车身结构件和覆盖件都参与设计计算的繁杂的轻量化设计工作，逐步缩小参与设计的板件的范围，变繁为简，使得需再设计和修改的目标板件非常明确，提高了轻量化设计的效率和成功的可能性，并节约了设计和加工制造的成本。
附图说明
图1为本发明方法的流程图
具体实施方式
根据本发明内容提供具体实施例，结合附图1说明一种用于X型轿车的车身结构轻量化设计的方法如下：
a.根据车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性的不同特点与设计要求，构建三个车身结构分析模型，其中车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态和NVH特性的可以应用同一个分析模型。而后，对初始设计的车身结构进行各项性能的分析与评估，并作为车身结构轻量化设计的约束条件和评判标准。
b.初始设计的车身结构总质量350kg，轻量化的预定目标是在保持初始设计的车身结构各项性能不降低的基础上至少减少15kg(一般由合同文本规定)。考虑到车身结构的轻量化改进不增加改型后加工制造的成本，降低对于板件成型性的影响，对各个参与优化计算的板件厚度的增厚和减薄的最大值加以限定，如表1所示：
表1板件厚度增减变化范围
| 板件原厚度t0 | 增厚最大值 | 减薄最大值 |
| t0＜1.5mm | 0.2mm | 0.1mm |
| t0≥1.5mm | 0.2mm | 0.2mm |
车身结构包括各种结构件和覆盖件335个，经对车身质量估算，从车身结构中选定124个0.3kg以上的板件作为优化对象，既可以满足轻量化设计的预定目标，又不至于因全部板件参与优化设计而增加计算量和车身改型的成本。将选定的这124个车身板件的厚度设为优化变量，并根据表1的限定要求，设定优化变量的取值范围。
c.本实施例中选定MSC公司的NASTRAN软件作为优化计算的工具，车身结构的弯曲和扭转刚度与自然模态的计算以及优化迭代过程均可在该软件中实现。设定优化的目标函数为车身质量的最小化，即
OBJ：minW(X)
式中W(X)为车身结构质量函数，X＝[t1，t2，…，t124]T为由124个板件厚度组成的向量。
以初始设计的车身结构的弯曲和扭转刚度、一阶扭转模态频率作为约束条件，限定这些性能指标不降低。
设定优化计算循环迭代的最大次数为10次或者相邻两次迭代的目标函数即车身结构质量的差值小于0.001时优化计算结束。
最终优化计算经过5次迭代结束，得到一组板件的厚度值，应用这组板件厚度值，可以使车身结构减轻15.48kg，但是这组板件厚度值含有多位小数，不符合实际生产的需要。
d.对优化计算后的124个板件厚度进行调整，使它们符合实际生产的需要，以两个零件为例，说明这个调整方法。
零件一的板件厚度变化趋势如表2所示，在五次优化计算迭代过程中，板件厚度迅速下降至减薄的最大限值，而且查对可提供原材料的厚度，最后零件一的板件厚度可以确定为1.8mm。
零件二的板件厚度变化趋势如表2所示，在五次优化计算迭代过程中，板件厚度变化在原厚度值上下波动，而且查对可提供原材料的厚度，发现在厚度0.9mm到1.1mm之间可提供0.9mm和1.0mm两种原材料板材，零件二的板件厚度最终取值需要经过对照轻量化预定目标和刚度及模态频率的验算才能确定。先取0.9mm的板件厚度，经车身结构整体弯曲和扭转刚度、一阶扭转模态频率的验算之后，三项指标均得到了不同程度的提高，符合轻量化设计要求。车身结构总质量减轻15.63kg，达到了轻量化设计的预定目标。
零件一和零件二的由原始板件厚度经优化计算迭代到最后的新板件厚度的演变过程如表2所示。由此初步确定了124个参与优化计算的车身结构板件的新厚度。
表2板件厚度调整变化过程
| 零件名 | 原厚度 | 迭代一次 | 迭代二次 | 迭代三次 | 迭代四次 | 迭代五次 | 新板厚 |
| 零件一 | 2.0 | 1.9506 | 1.9013 | 1.8513 | 1.8122 | 1.8 | 1.8 |
| 零件二 | 1.0 | 1.0431 | 0.99309 | 0.94397 | 0.91053 | 0.92517 | 0.9 |
e.应用步骤d中得到的一组新板件厚度修改碰撞、疲劳和NVH特性分析模型并进行这三方面的校核计算。经过与初始设计的车身结构性能比较，发现NVH特性有所改善，碰撞和疲劳性能有所下降。将厚度减薄的板件换用高强度钢材，再进行校核计算后，碰撞和疲劳的性能也达到了设计要求。
至此，车身结构的总质量减轻15.63kg，车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性的性能相对于初始设计的车身结构各项性能均没有降低或略有提高，符合车身结构轻量化的设计要求，轻量化设计结束。
Claims (6)
1、一种多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.针对初始设计的车身结构进行性能评估，包括车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态、正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性；
b.根据车身轻量化的预定目标和加工制造工艺及生产成本的限制，选择被用作优化对象的车身结构件和覆盖件，并以这些被选定的车身结构件和覆盖件的板件厚度作为优化变量；
c.以车身结构的质量最小化为优化目标函数，以车身的弯曲和扭转刚度、低阶自然模态频率不降低为优化的约束条件，进行若干次优化变量的迭代计算和约束条件的验证计算及车身结构质量的估算，直至优化计算的完成；
d.根据优化计算过程中优化变量即板件厚度的变化趋势和原材料的供应情况，对优化计算得到的板件厚度进行圆整，并应用圆整后的板件厚度对车身结构质量、弯曲和扭转刚度、自然模态进行校核计算，初步确定一组板件厚度；
e.根据步骤d中得到的一组板件厚度修改碰撞、疲劳和NVH特性分析模型中车身结构的相应板件，并结合轻量化材料的选用，验证车身结构的正面和侧面碰撞、疲劳寿命、NVH特性的变化，经步骤d和步骤e交互进行板件厚度调整和各项性能验证，完成车身结构的轻量化设计方案的确定。
2、根据权利要求1所述的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征是，所述的步骤a中，针对初始设计的车身结构各项性能的评估，保证计算机仿真分析与试验或法律法规的做法和要求相一致，便于验证计算机仿真分析的模型和结果的正确性，为后续步骤中应用计算机仿真分析模型进行车身结构的轻量化设计做好准备。
3、根据权利要求1所述的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征是，所述的步骤b中，选择作为优化对象的板件，技术要求是：
(1)需要变更厚度的板件数量要少；
(2)板件的厚度调整后，加工模具的修改规模要小。
4、根据权利要求1所述的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征是，所述的步骤c中，具体为：
(1)以车身结构的质量作为目标函数，通过优化，改变车身结构的板件厚度，使质量达到最小化，优化过程通过应用结构分析软件或应用高级语言自行编程来实现；
(2)以车身结构的弯曲和扭转刚度、低阶自然模态作为约束条件，设定车身结构的弯曲和扭转刚度的变化等于或者高于初始设计的车身结构的刚度值，对于低阶自然模态频率则需要等于或者高于初始设计的车身结构的频率值；
(3)通过判断相邻两次迭代的车身结构质量的差小于一个很小的值或者达到设定的最大循环次数来控制优化计算的完成。
5、根据权利要求1所述的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征是，所述的步骤d中，包括以下步骤：
(1)将优化计算后得到的板件厚度结合板件厚度的变化趋势和原材料的供应情况进行圆整，分为两种情况：
情况一：板件厚度在优化计算过程中的变化始终保持递增或递减；此时，根据优化计算后的车身结构板件厚度的取值，结合原材料提供的板件厚度，以就近取值的原则，将车身结构的板件厚度确定为原材料的板件厚度；
情况二：板件厚度在优化计算过程中的变化时增时减；此时，考虑原材料提供的板件厚度的同时，还要考虑所取的厚度值是否能达到车身结构轻量化的预定目标，如果优化计算后的车身结构板件厚度取值介于两个原材料能提供的板件厚度值之间，通过试算的方式确定板件厚度的取值；
(2)应用圆整后的一组板件厚度对车身结构的质量进行再估算，对车身结构的弯曲和扭转刚度、自然模态进行校核计算，对局部个别板件厚度进行再调整，直到达到轻量化设计的预定目标并满足刚度及自然模态的要求为止。
6、根据权利要求1所述的多项结构性能交互式的轿车车身结构轻量化方法，其特征是，所述的步骤e中，按照以下三种情况操作：
(1)如果通过验证即满足各方面的设计性能要求和车身结构轻量化的预定目标，则车身结构轻量化设计过程结束；
(2)如果验证通过失败，则通过换用高强度的钢材使之满足，而且车身结构的刚度和自然模态仍旧保持原样；
(3)如果换用高强度的钢材后，仍验证通过失败，此时再返回到步骤d中调整这些板件的厚度，并进行车身结构的刚度和自然模态以及步骤e中的碰撞、疲劳、NVH性能的校核计算，直至满足各方面的设计性能要求和车身结构轻量化的预定目标，则车身结构轻量化设计过程结束。
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