汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法探析

李云

摘 要：車身輕量化是當(dāng)前汽車車身設(shè)計(jì)與發(fā)展的必然趨勢，先進(jìn)技術(shù)為車身輕量化提供了可能。然而，輕量化設(shè)計(jì)必須全面考慮汽車車身材質(zhì)、汽車車身的靈敏性和汽車車身的碰撞安全性。因此，輕量化設(shè)計(jì)成為當(dāng)前汽車車身設(shè)計(jì)的重要研究內(nèi)容。研究汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法不僅能夠促進(jìn)汽車車身輕量化的發(fā)展，而且對(duì)汽車制造業(yè)的進(jìn)步意義深刻。為此，本文從汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的基本方法入手，探索了汽車車身輕量化設(shè)計(jì)有限單元建模及基本性能，并從靈敏度、高強(qiáng)度鋼材、碰撞安全性這三個(gè)方面探索了車身輕量化設(shè)計(jì)的具體方法。

關(guān)鍵詞：汽車 車身 輕量化 設(shè)計(jì) 方法

中圖分類號(hào)：TF426 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2018）06（b）-0079-02

1 汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的基本方法

1.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

優(yōu)化設(shè)計(jì)主要將原有系統(tǒng)設(shè)計(jì)為帶有變量的數(shù)學(xué)模型，通過變量的選取來實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)要求，并使設(shè)計(jì)滿足約束條件。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)主要包括形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)、拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)和尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)這三種方法。從結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化方面來講，設(shè)計(jì)人員需要了解結(jié)構(gòu)的振動(dòng)特性、靜動(dòng)態(tài)特性等性能，進(jìn)而對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。而結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化最大特點(diǎn)就是在設(shè)計(jì)之前，運(yùn)用一定受力條件和外界條件就能夠找出結(jié)構(gòu)材料的最佳分配方案，進(jìn)而得到結(jié)構(gòu)的部分參數(shù)，為后續(xù)設(shè)計(jì)提供條件。從結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)方面來講，形貌優(yōu)化設(shè)計(jì)主要目的是尋找最佳的結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計(jì)方法。例如，在設(shè)計(jì)車身鈑金件形貌的時(shí)候，可以采取最佳加強(qiáng)筋布置方案，在減小鈑金件質(zhì)量的基礎(chǔ)上增強(qiáng)鈑金件的剛度和強(qiáng)度。從結(jié)構(gòu)形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)方面來講，形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)主要改變結(jié)構(gòu)的形狀來增強(qiáng)結(jié)構(gòu)剛度的設(shè)計(jì)方法。形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)最為簡單和使用，能夠在確定目標(biāo)之后，在約束條件和設(shè)計(jì)變量的要求下進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 有限單元分析技術(shù)

有限單元分析技術(shù)是當(dāng)前工程問題分析的有效手段，主要通過計(jì)算矩陣對(duì)每一步過程進(jìn)行計(jì)算，能夠?qū)@示的工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題進(jìn)行分析和解決。而有限單元分析技術(shù)在解決復(fù)雜工程問題的時(shí)候需要設(shè)置很多條件，計(jì)算時(shí)間較長，對(duì)計(jì)算機(jī)硬件設(shè)備和有限單元分析軟件提出了更高的要求。

1.3 新型材料的應(yīng)用

新型材料的應(yīng)用能夠加快汽車車身的輕量化設(shè)計(jì)。然而，新型材料的應(yīng)用會(huì)增加車身制造的成本，如果想要降低車身的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)可以選擇纖維復(fù)合材料。具體來講，汽車車身輕量化設(shè)計(jì)主要在發(fā)生在開發(fā)設(shè)計(jì)階段，對(duì)車身概念、車身動(dòng)靜態(tài)剛度、車身碰撞安全性等進(jìn)行設(shè)計(jì)。其中，新型材料主要包括鋁合金、塑料、鎂合金等低密度材料和高強(qiáng)度鋼等高強(qiáng)度材料。在運(yùn)用新型材料的時(shí)候應(yīng)充分考慮新型材料的其強(qiáng)度、剛度、成本、回收利用優(yōu)勢等。目前，汽車車身設(shè)計(jì)仍然主要使用鋼材。而高強(qiáng)度鋼具有較高的拉伸強(qiáng)度和較大的屈服強(qiáng)度，能夠增強(qiáng)汽車車身的吸收能量能力和抗變形能力，優(yōu)化汽車車身的動(dòng)態(tài)性能，降低車身質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，高響度鋼的固有頻率、動(dòng)靜態(tài)剛度以及碰撞安全性與其他材料相比有著巨大優(yōu)勢，已經(jīng)成為汽車車身輕量化發(fā)展的重要方向。另外，鎂合金的加工性能較高，減震性和抗凹性突出，在汽車車身輕量化發(fā)展中有著良好的應(yīng)用前景。然而，由于鎂合金容易被腐蝕、回收成本和制造成本較高，鎂合金在當(dāng)前汽車車身輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)用仍然有較大的問題。

2 汽車車身輕量化設(shè)計(jì)有限單元建模

2.1 有限元建模

在開展汽車車身輕量化設(shè)計(jì)之前，設(shè)計(jì)人員應(yīng)充分掌握汽車車身的固有振動(dòng)頻率參數(shù)、靜態(tài)剛度參數(shù)等，為汽車車身基本性能參數(shù)設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)人員可以通過有限元建模方法來得到汽車車身的參數(shù)。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)根據(jù)汽車車身結(jié)構(gòu)建立精確的有限元模型。具體來講，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)汽車車身鈑金件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化和處理，去掉對(duì)鈑金件結(jié)構(gòu)影響較小的小孔、倒角等結(jié)構(gòu)。在建立有限元模型之后，設(shè)計(jì)人員需要根據(jù)鈑金件材料和鈑金件的厚度選擇合適的模擬焊接方法。

2.1.1 選擇單元種類

由于汽車車身鈑金件的厚度和長寬度尺寸較大，在建立鈑金件結(jié)構(gòu)模型的時(shí)候，可以將鈑金件結(jié)構(gòu)看作殼結(jié)構(gòu)，運(yùn)用四邊形殼單元模擬汽車車身鈑金件。然而，在比較復(fù)雜的鈑金件結(jié)構(gòu)方面，為了保證模擬網(wǎng)格的質(zhì)量，可以使用三角形單元和四角形單元混合的方式對(duì)網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行劃分。并且，網(wǎng)格的密度和尺寸會(huì)影響模擬的精確性。如果網(wǎng)格密度過大、網(wǎng)格尺寸過小會(huì)導(dǎo)致模擬時(shí)間較長，模擬效率較低。因此，在網(wǎng)格劃分的過程中要充分考慮模型的精確性以及模擬計(jì)算效率，選擇合適的網(wǎng)格尺寸。

2.1.2 結(jié)構(gòu)簡化

汽車車身由眾多鈑金件拼焊而成，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。并且，鈑金件的結(jié)構(gòu)也比較復(fù)雜，大多數(shù)鈑金件都設(shè)置了加強(qiáng)槽和加強(qiáng)筋，鈑金件結(jié)構(gòu)十分不規(guī)則。在這種情況下，有限元模型的建立應(yīng)對(duì)汽車車身結(jié)構(gòu)和鈑金件結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡化，以提高建模質(zhì)量和建模效率。而結(jié)構(gòu)簡化應(yīng)保證鈑金件的力學(xué)性能，不能去除鈑金件結(jié)構(gòu)上必要的加強(qiáng)筋結(jié)構(gòu)。同時(shí)，在結(jié)構(gòu)簡化之后，有限元模型與鈑金件實(shí)際結(jié)構(gòu)必然會(huì)存在誤差，設(shè)計(jì)人員要將誤差控制在允許的范圍內(nèi)。

2.2 汽車車身模態(tài)分析

模態(tài)分析對(duì)汽車車身的動(dòng)態(tài)分析具有重要的作用，是實(shí)現(xiàn)汽車車身動(dòng)態(tài)分析的有效途徑?，F(xiàn)實(shí)生活中，汽車車身一般由眾多鈑金件焊接而成，而整個(gè)車身系是一個(gè)整體的振動(dòng)系統(tǒng)。并且，這一振動(dòng)系統(tǒng)會(huì)在外界刺激下產(chǎn)生振動(dòng)，例如，發(fā)動(dòng)機(jī)振動(dòng)、車身在路面作用下的振動(dòng)、汽車傳統(tǒng)系統(tǒng)振動(dòng)等。如果汽車車身的固有頻率與外界刺激的頻率相近時(shí)便會(huì)產(chǎn)生共振現(xiàn)象。在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)過程中引入模態(tài)分析方法能夠有效避免共振現(xiàn)象。具體來講，在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)過程中，可以將汽車車身模態(tài)分析結(jié)果作為車身優(yōu)化設(shè)計(jì)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)。并且，設(shè)計(jì)人員可以對(duì)汽車車身進(jìn)行模態(tài)分析，加強(qiáng)對(duì)汽車車身動(dòng)態(tài)性能的研究。另外，設(shè)計(jì)人員可以通過模態(tài)分析得到汽車車身的固有振動(dòng)頻率的參數(shù)，并將參數(shù)作為強(qiáng)量化的數(shù)據(jù)參考指標(biāo)。

3 基于靈敏度的汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的方法

3.1 車身靈敏度分析

靈敏度分析是汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的重要方法，能夠定量計(jì)算汽車車身設(shè)計(jì)的安全系數(shù)和余量，并估算汽車車身結(jié)構(gòu)修改所要達(dá)到的效果，進(jìn)而節(jié)省設(shè)計(jì)時(shí)間，提高汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)效益。

3.2 基于靈敏度分析的車身設(shè)計(jì)的原則

首先，基于靈敏度分析的車身輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)將車身的物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問題，運(yùn)用數(shù)學(xué)手段來實(shí)現(xiàn)車身輕量化設(shè)計(jì)。為此，設(shè)計(jì)人員應(yīng)合理選取設(shè)計(jì)變量，確定問題所使用的函數(shù)和問題的約束條件。其次，基于靈敏度分析的車身輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)將物理問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，通過求數(shù)學(xué)模型極值來解決汽車車身設(shè)計(jì)問題，找出汽車車身靈敏度分析的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)、約束條件等要素。具體來講，設(shè)計(jì)變量的選擇要能夠影響目標(biāo)函數(shù)值和計(jì)算效率，盡可能少地選取變量個(gè)數(shù)。再次，設(shè)計(jì)變量之間應(yīng)互不干涉，使設(shè)計(jì)變量處于一定的變化范圍之內(nèi)。并且，靈敏度分析要充分考慮汽車車身的設(shè)計(jì)條件，將設(shè)計(jì)條件進(jìn)行分類，在分類的基礎(chǔ)上進(jìn)行分析。最后，目標(biāo)函數(shù)的選擇應(yīng)選取與汽車車身設(shè)計(jì)變量相關(guān)的函數(shù)，確保通過函數(shù)能夠得到汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的結(jié)果。

3.3 基于靈敏度分析的汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的流程

在進(jìn)行汽車車身輕量化設(shè)計(jì)的時(shí)候，要確保汽車車身的性能符合汽車車身設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)和要求。尤其在靈敏度分析的時(shí)候，要將車身鈑金厚度作為變量，將車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎度、第一階模態(tài)等作為設(shè)計(jì)的約束條件，以最小車身質(zhì)量為設(shè)計(jì)目標(biāo)對(duì)汽車車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。同時(shí)，在輕量化設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)者要充分考慮零件厚度變化對(duì)鈑金沖壓成本的影響，確保最小的制造成本增加。

4 基于碰撞安全性的車身輕量化設(shè)計(jì)

汽車車身輕量化設(shè)計(jì)應(yīng)滿足碰撞安全性的要求，通過碰撞模擬對(duì)車身安全性進(jìn)行驗(yàn)證。為此，設(shè)計(jì)人員在汽車車身輕量化設(shè)計(jì)過程中應(yīng)重視汽車碰撞安全性的要求，在碰撞安全性的基礎(chǔ)上開展車身輕量化設(shè)計(jì)。

4.1 建立整車碰撞有限元模型

從單元類型方面來講，設(shè)計(jì)者可以將汽車車身鈑金件選用殼單元作為單元類型，在模擬碰撞剛性圓柱的時(shí)候?qū)傂圆牧腺x予薄殼單元進(jìn)行碰撞圓柱模擬。從模擬材料方面來講，模擬材料直接影響著模擬結(jié)果的可靠性。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)普通鋼和高強(qiáng)度鋼材料的密度、泊松比、彈性模量、拉伸強(qiáng)度、屈服強(qiáng)度等參數(shù)進(jìn)行碰撞模擬。從側(cè)面碰撞圓柱的確定來講，設(shè)計(jì)人員應(yīng)按照我國發(fā)布的《汽車側(cè)面碰撞乘員保護(hù)標(biāo)準(zhǔn)》確定碰撞模型。從接觸方面來講，汽車側(cè)面碰撞模擬通常采用自動(dòng)接觸的方式。這是因?yàn)樽詣?dòng)接觸能夠有效設(shè)備模型單元?dú)さ暮穸龋⒃诮佑|過程中按照殼厚度進(jìn)行處理。

4.2 輕量化設(shè)計(jì)的不同方案

在碰撞安全性方面，筆者設(shè)置了三種不同的碰撞方案，并對(duì)這三種方案進(jìn)行了比較。第一種是在輕量化設(shè)計(jì)之前對(duì)車身進(jìn)行有限元模型設(shè)計(jì)，第二種是通過修改車身鈑金零件厚度構(gòu)建限元模型，第三種對(duì)高強(qiáng)度鋼輕量化車身進(jìn)行了設(shè)計(jì)。從節(jié)點(diǎn)侵入量方面來講，第二種放慢的節(jié)點(diǎn)入侵量會(huì)在某一時(shí)段略高于第一種方案，說明輕量化設(shè)計(jì)之后，車身碰撞安全性符合要求，安全性能下降很小。第三種方案的節(jié)點(diǎn)入侵量在大多數(shù)時(shí)間段內(nèi)都小于第一種方案，這說明高強(qiáng)度鋼的運(yùn)用不僅能夠?qū)崿F(xiàn)車身輕量化，而且增強(qiáng)了車身的碰撞安全性。

5 結(jié)語

總之，通過上述分析，我們可知，作為一個(gè)汽車大國，在現(xiàn)代化汽車制造技術(shù)不斷發(fā)展的今天，為實(shí)現(xiàn)我國汽車制造產(chǎn)業(yè)在當(dāng)今可持續(xù)發(fā)展目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)。我們要加強(qiáng)技術(shù)轉(zhuǎn)型與創(chuàng)新，通過汽車輕量化設(shè)計(jì)來促進(jìn)汽車質(zhì)量的提升，為我國汽車經(jīng)濟(jì)的綠色化、集約化發(fā)展而努力。

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