非承載式車身的車架輕量化設(shè)計(jì)方法

徐友良，袁一卿,

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

非承載式車身的車架輕量化設(shè)計(jì)方法

徐友良1，袁一卿1,2

（1.同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 201804；2.同濟(jì)大學(xué)新能源汽車工程中心，上海 201804）

基于某新車型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，提出了車架新產(chǎn)品輕量化開(kāi)發(fā)流程和技術(shù)途徑；對(duì)車架架構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的主要工作做了簡(jiǎn)要的論述；基于多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)策略，對(duì)板件厚度進(jìn)行重新合理匹配，在滿足車架結(jié)構(gòu)性能的前提下，使車架總重量降低了11.2kg，輕量化率為5.37%，較好地達(dá)到了輕量化的目的；最后通過(guò)樣件試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)車架的有效性。

車架；輕量化；設(shè)計(jì)方法；多學(xué)科優(yōu)化

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-62-04

前言

研究數(shù)據(jù)表明，如果降低10%的汽車整備質(zhì)量，則可以提高6%～8%的燃油效率[1]。非承載式車身的車架是汽車上的一個(gè)重要承載部件，是整個(gè)汽車的裝配基體，其所占比重相對(duì)較大，所以針對(duì)車架開(kāi)展輕量化設(shè)計(jì)工作的空間極為廣闊。車架設(shè)計(jì)在整車設(shè)計(jì)中占有非常重要的地位，一旦設(shè)計(jì)失誤將給汽車制造企業(yè)造成難以估量的后果[2]。本文基于某新車型開(kāi)發(fā)項(xiàng)目，提出了車架新產(chǎn)品輕量化開(kāi)發(fā)流程和技術(shù)途徑，對(duì)車架架構(gòu)設(shè)計(jì)、結(jié)構(gòu)優(yōu)化中的主要工作做了簡(jiǎn)要的論述，最后通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化結(jié)構(gòu)車架的有效性。

1、車架的輕量化設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)流程

本文基于整車開(kāi)發(fā)流程GVDP（Global vehicle development process）和輕量化設(shè)計(jì)需求，建立了一個(gè)針對(duì)非承載式車身的車架輕量化設(shè)計(jì)方法。基于GVDP的車架輕量化開(kāi)發(fā)流程見(jiàn)圖1。

車架設(shè)計(jì)工作主要包括從接到新車型設(shè)計(jì)任務(wù)書的正式指令開(kāi)始到交出車架圖紙和文件，車架設(shè)計(jì)人員圍繞該車型車架進(jìn)行的全部工作。車架架構(gòu)開(kāi)發(fā)主要是為項(xiàng)目的批準(zhǔn)進(jìn)行戰(zhàn)略準(zhǔn)備，包括市場(chǎng)的定位、產(chǎn)品定位、車型系列化分析、生產(chǎn)規(guī)模及生產(chǎn)方式分析和競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手分析等，對(duì)項(xiàng)目邊界條件予以確定，最終構(gòu)成可行性報(bào)告，在決策層批準(zhǔn)后發(fā)布TG0數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要用于整車總布置進(jìn)行DMU分析靜態(tài)和動(dòng)態(tài)干涉檢查測(cè)量運(yùn)動(dòng)分析，制造工廠進(jìn)行制造工藝分析及生產(chǎn)線設(shè)計(jì)，也可以用于潛在供應(yīng)商審核。在滿足車架的邊界條件后對(duì)車架架構(gòu)數(shù)據(jù)進(jìn)行細(xì)化，完成各系統(tǒng)接口的技術(shù)對(duì)接，完成車架材料選擇，完成車架縱梁、橫梁和連接支架的結(jié)構(gòu)細(xì)化，發(fā)布TG1數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)可以用于供應(yīng)商開(kāi)始同步工程工作?；诜浅休d式車身車架的技術(shù)要求，針對(duì)車架諸多性能進(jìn)行分析，如安全性、強(qiáng)度等，并在滿足性能要求的基礎(chǔ)上進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)，完成車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化，在經(jīng)過(guò)專家評(píng)審后，對(duì)TG2數(shù)據(jù)、凍結(jié)狀態(tài)等進(jìn)行發(fā)布。驗(yàn)證階段：制造工程樣車并開(kāi)展試驗(yàn)工作，對(duì)產(chǎn)品設(shè)計(jì)進(jìn)行驗(yàn)證：判斷其是否和相關(guān)規(guī)定相符；制造生產(chǎn)樣車并進(jìn)行驗(yàn)證，針對(duì)工藝以及零件等開(kāi)展全方位驗(yàn)證。最后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行定型生產(chǎn)上市。

圖1 基于GVDP的車架輕量化開(kāi)發(fā)流程

2、車架的架構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

根據(jù)車架設(shè)計(jì)任務(wù)書中的整車配置表，獲得車架總成關(guān)鍵輸入如表1所示。

表1 整車配置表（節(jié)選）

根據(jù)車架的輸入要求，我們對(duì)車架的材料和架構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。

2.1 車架的材料選擇

選用綜合性能高的材料，使用高強(qiáng)度材料能帶來(lái)輕量化設(shè)計(jì)理念的實(shí)現(xiàn)，促進(jìn)產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在制造工藝和經(jīng)濟(jì)效益許可的情況，通過(guò)選用高強(qiáng)度材料，利用材料自身更為突出的屈服以及抗拉強(qiáng)度，使得車架結(jié)構(gòu)內(nèi)的零件數(shù)量得到顯著減少，還可以有效降低材料板厚，因而有效減輕車架總成質(zhì)量。同時(shí)，在車架總成中，要根據(jù)不同的零件受力情況，有針對(duì)性地對(duì)車架的不同零件選用不同的材料，從而可以節(jié)約材料成本。本文研究的車架的縱梁和橫梁都采用高性能鋼板，其所用材料如表2所示。

表2 車架材料使用情況

2.2 車架的模塊化設(shè)計(jì)

非承載式車身的車架總成是一個(gè)復(fù)雜而龐大的系統(tǒng)，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，我們要盡量減少車架總成品種，實(shí)現(xiàn)車架總成的配置變化。模塊化設(shè)計(jì)正是為了解決這一問(wèn)題而應(yīng)運(yùn)而生的。模塊化設(shè)計(jì)可以將多個(gè)零部件組成一個(gè)分總成零部件，然后多個(gè)分總成組成車架總成。模塊化設(shè)計(jì)可以有效地減少車架制造工廠進(jìn)廠的零部件數(shù)量和裝配時(shí)間，減少零部件存放占用的空間；通過(guò)分供應(yīng)商的控制，減少車架總成在整車裝配過(guò)程中的干涉，提升尺寸精度等優(yōu)點(diǎn)。

根據(jù)設(shè)計(jì)輸入和車架總成制造工藝需求，我們將車架劃分了三個(gè)等級(jí)，一級(jí)和二級(jí)零件由車架總成制造單位完成最后組裝，三級(jí)組件由分供應(yīng)商來(lái)完成，通過(guò)這一策略，完成了16種車型車架總成需求的設(shè)計(jì)。部分車架分總成圖2、圖3所示。

圖3 車架后段二級(jí)分總成 示意圖

圖2 車架前段二級(jí)分總成示意圖

3、車架的結(jié)構(gòu)優(yōu)化

通過(guò)有限元分析軟件hyperworks，對(duì)車架進(jìn)行整體彎曲扭轉(zhuǎn)剛度以及一階模態(tài)分析。分析結(jié)果表明，原始車架設(shè)計(jì)滿足車架結(jié)構(gòu)性能設(shè)計(jì)目標(biāo)要求，余量較大，存在結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)的空間。由于該車架的基本框架結(jié)構(gòu)已經(jīng)限定，外形尺寸根據(jù)總布置要求基本定型。為對(duì)其輕量化潛能進(jìn)行深入研究，我們對(duì)車架上部分零件的材料厚度進(jìn)行重新分配，由此針對(duì)車架開(kāi)展了結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)工作。為了滿足汽車的承載性、可靠性和舒適性等要求，車架優(yōu)化設(shè)計(jì)工作需要優(yōu)化配置多個(gè)學(xué)科的設(shè)計(jì)目標(biāo)，因此車架的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)是一個(gè)系統(tǒng)性的大工程。本文基于“試驗(yàn)設(shè)計(jì)-近似模型-全局優(yōu)化”的優(yōu)化設(shè)計(jì)策略[3]，通過(guò)應(yīng)用最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法進(jìn)行設(shè)計(jì)變量篩選采樣，進(jìn)而利用徑向基函數(shù)的神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立了車架結(jié)構(gòu)優(yōu)化的近似模型，最后運(yùn)用全局優(yōu)化算法--多島遺傳算法直接驅(qū)動(dòng)仿真程序進(jìn)行尋優(yōu)，有效獲得系統(tǒng)的整體最優(yōu)解。

3.1 車架的優(yōu)化模型

本文主要是考慮車架的整體剛度（即車架的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度）和一階模態(tài)約束。將車架整體模型當(dāng)中，可對(duì)扭曲、彎曲剛度等進(jìn)行描述的重點(diǎn)位置的位移設(shè)定為狀態(tài)變量。本文以車架的最大彎曲變形、最大扭轉(zhuǎn)變形和一階模態(tài)頻率作為約束條件。

車架優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)描述如下[4,5]：

式中，W (ti)為車架質(zhì)量關(guān)于設(shè)計(jì)變量t 的函數(shù)；ti分別表示第i個(gè)零件材料厚度；和分別是材料厚度的下限和上限；n表示獨(dú)立零件的數(shù)目。式(1a)定義了目標(biāo)函數(shù)為車架的重量。式(1b, 1c, 1d)是約束函數(shù)，分別定義了車架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和一階模態(tài)的約束范圍。式(1e)定義了優(yōu)化問(wèn)題的搜索空間。

3.2 基于最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方法的設(shè)計(jì)變量采樣

表3 試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣（部分）

車架的有限元模型是采用全板殼單元構(gòu)建的，板件構(gòu)成了全部部件，由此選定的設(shè)計(jì)變量為部件板厚，通過(guò)重新合理匹配這一數(shù)值，達(dá)成減輕質(zhì)量這一目標(biāo)。依據(jù)該車架結(jié)構(gòu)可以發(fā)現(xiàn)，需針對(duì)29個(gè)設(shè)計(jì)變量開(kāi)展取值操作。因此處涉及到的設(shè)計(jì)變量偏多，所以選用的方法為最優(yōu)拉丁超立方試驗(yàn)設(shè)計(jì)方式，構(gòu)建出試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣，獲得90個(gè)樣本。如表3 所示為部分試驗(yàn)設(shè)計(jì)矩陣。

3.3 基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的近似模型建立

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)屬于一種前饋式網(wǎng)絡(luò)，輸入矢量到隱層由徑向基函數(shù)映射，由隱層到輸出層是簡(jiǎn)單的線性加權(quán)和，理論上可以無(wú)限地逼近任意非線性模型，RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的輸入輸出映射關(guān)系如下[6]：

其中：x表示輸入向量；ω表示加權(quán)系數(shù)；?表示基組函數(shù)；ck表示k個(gè)節(jié)點(diǎn)中心；σk表示第k個(gè)節(jié)點(diǎn)的基寬度參數(shù)。

徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)通過(guò)特定的方法進(jìn)行初始化參數(shù)，從而有效避免了初始化的隨機(jī)性，有效提高了神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的逼近、分類能力以及學(xué)習(xí)速度等，優(yōu)化了網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，提高了收斂速度，對(duì)于非線性函數(shù)能夠任意逼近，進(jìn)而使局部極小值的風(fēng)險(xiǎn)降低。且具有無(wú)須數(shù)學(xué)假設(shè)，適應(yīng)復(fù)雜問(wèn)題的優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)建立結(jié)構(gòu)性能約束條件的近似模型，圖4為近似模型流程。

圖4 近似模型流程

3.4 基于多島遺傳算法的全局優(yōu)化

表4 設(shè)計(jì)變量?jī)?yōu)化結(jié)果（部分）

通過(guò)多島遺傳算法對(duì)近似模型進(jìn)行優(yōu)化。在運(yùn)算過(guò)程中，我們?cè)O(shè)定子種群的規(guī)模為10，子種群的數(shù)量為10，進(jìn)化次數(shù)為100，優(yōu)化過(guò)程經(jīng)過(guò)10×10×100=10000次迭代，保證收斂于最優(yōu)解，得到29個(gè)設(shè)計(jì)變量的優(yōu)化結(jié)果?？紤]到實(shí)際生產(chǎn)過(guò)程中材料的料厚規(guī)格的限制，同時(shí)要保證車架零件原材料規(guī)格通用性，我們對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行了微調(diào)，得到如表4所示結(jié)果。

3.5 車架優(yōu)化結(jié)果驗(yàn)證

為對(duì)以近似模型為基礎(chǔ)開(kāi)展的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案準(zhǔn)確性進(jìn)行深入驗(yàn)證，在有限元模型內(nèi)代入優(yōu)化后的板件厚度，開(kāi)展相應(yīng)的仿真計(jì)算操作。由此得到優(yōu)化后的車架性能，并將其與車架的初始性能及目標(biāo)值進(jìn)行對(duì)比分析，具體參見(jiàn)下表5：

表5 優(yōu)化前后車架結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

通過(guò)初始以及優(yōu)化方案的數(shù)據(jù)對(duì)比，可見(jiàn)優(yōu)化方案獲得的車架剛度稍有下降，但卻提高了一階模態(tài)。對(duì)板件厚度進(jìn)行重新、合理布置，在不犧牲車架結(jié)構(gòu)性能的前提下，使車架結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)尺寸優(yōu)化修訂后質(zhì)量從208.7kg減少到197.5kg，降低了11.2kg，占車架總質(zhì)量的5.37%，較好的達(dá)到了輕量化的目的。

4、試驗(yàn)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證車架總成輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，某車型在完成車架總成試制時(shí)，對(duì)車架總成進(jìn)行了車架整體彎曲扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)進(jìn)行了試驗(yàn)分析，得到車架總成的實(shí)際結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，與結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的有限元分析結(jié)果吻合度較好，且滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)值，詳見(jiàn)表6。可知該分析模型準(zhǔn)確度較高，本方法流程的研發(fā)指導(dǎo)意義較為突出，為此后工作的深入開(kāi)展奠定了良好基礎(chǔ)。

表6 試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比分析表

5、總結(jié)

借助該設(shè)計(jì)方法，完成了車架新品的開(kāi)發(fā)及其輕量化設(shè)計(jì)，得到了效果較好的產(chǎn)品。通過(guò)理論和實(shí)際的相結(jié)合，驗(yàn)證了該設(shè)計(jì)方法合理且具有較高的實(shí)用價(jià)值，在滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)可以有效降低車架質(zhì)量，對(duì)非承載式車身的車架輕量化開(kāi)發(fā)具有指導(dǎo)意義。

[1] 王宏雁,陳君毅.汽車車身輕量化結(jié)構(gòu)與輕質(zhì)材料[M].北京：北京大學(xué)出版社,2009.

[2] 劉惟信.汽車設(shè)計(jì)[M].北京：清華大學(xué)出版社,2001.

[3] 王登峰,盧放.基于多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的白車身輕量化[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)(工學(xué)版).2015, Vol.45(1)：30-37.

[4] Lee S L, Lee D C, Lee J I, et al. Integrated process for structuraltopological configuration design of weight-reduced vehicle com -ponents[J]. Finite Elements in Analysis and Design, 2007, 43(8)：620-629.

[5] Grujicic M, Arakere G, Pisu P, et al. Application of Topology, Size and Shape Optimization Methods in Polymer Metal Hybrid Structural Lightweight Engineering[J]. Multidiscipline Modeling in Materials and Structures, 2008(4)：305-330.

[6] 白俊強(qiáng),王丹,何小龍,李權(quán)等.改進(jìn)的RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在翼梢小翼優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].航空學(xué)報(bào),2014（35）：1-10.

Method of the lightweight design for the frame in a body-on-frame vehicle

Xu Youliang1, Yuan Yiqing1,2
( 1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804; 2. Clean Energy Automotive Engineering Center, Tongji University, Shanghai 201804 )

Based on a new frame development project, this paper provides a development process and technology approach of the new frame. The main work of frame structure design and structural optimization is briefly discussed. Based on multidisciplinary optimization design strategy, the thickness of the plate to re-reasonable match. The result shows that the optimized frame reduces the weight by 11.2kg and 5.37%, and the lightweight optimization is good. Finally, the effectiveness of the structural frame is verified by the sample test.

Frame; the lightweight design; Method; Multidisciplinary optimization

U463.9

：A

：：1671-7988 (2017)07-62-04

徐友良（1984年7月），男，在職工程碩士，工程師，主要從事汽車底盤設(shè)計(jì)。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.027