基于靈敏度分析的某鋁合金白車身輕量化研究

羅賓 馬麗春 李金龍

摘要：以某鋁合金白車身為研究對象，建立有限元分析模型。以車身結(jié)構(gòu)關(guān)鍵零部件的厚度為設(shè)計(jì)變量，對白車身質(zhì)量、模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行靈敏度分析。根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，對以上結(jié)構(gòu)性能靈敏度較低的部件進(jìn)行輕量化、對結(jié)構(gòu)性能影響較大的部件進(jìn)行厚度優(yōu)化。最終在保證鋁合金白車身以上結(jié)構(gòu)性能不降低的情況下，提出具有重要指導(dǎo)意義的輕量化方案，實(shí)現(xiàn)了滿意的減重效果。

Abstract： Taking an aluminum alloy BIW as the research object， a finite element analysis model is established. The sensitivity of BIW mass， modal frequency， bending stiffness， and torsional stiffness was analyzed regarding the thickness of key components of the body structure as a design variable. According to the results of sensitivity analysis， the components with lower structural performance sensitivity are reduced in weight， and the components making greater influence on structural performance are optimized for thickness. As a result， in the case of ensuring that the structural performance of the aluminum alloy BIW does not decrease， a constructive lightweight solution is proposed. The satisfactory weight reduction effect has been achieved.

關(guān)鍵詞：白車身;有限元;靈敏度分析;輕量化

Key words： BIW;finite element;sensitivity analysis;lightweight

0? 引言

一個結(jié)構(gòu)性能優(yōu)良的白車身結(jié)構(gòu)是汽車的基礎(chǔ)。現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)基本都采用的是承載式車身，車身結(jié)構(gòu)要承受汽車行駛過程中從路面?zhèn)鱽淼娜枯d荷以及各種配重的加速度載荷，所以白車身的結(jié)構(gòu)性能就非常重要。白車身設(shè)計(jì)初期的主要性能參數(shù)有模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，這幾個性能將直接影響到整車性能的好壞。研究成果顯示白車身的剛度對整車的剛度性能貢獻(xiàn)量達(dá)到了60%以上。車身結(jié)構(gòu)的低階模態(tài)反映了車身結(jié)構(gòu)的整體動態(tài)性能，是控制著整車振動特性的重要指標(biāo)[1]。白車身的模態(tài)和剛度也是汽車結(jié)構(gòu)耐久性能、NVH性能的重要指標(biāo)參數(shù)，所以研究并保證白車身有良好的模態(tài)、剛度性能是非常重要的[2]。

隨著人們對汽車燃油經(jīng)濟(jì)性和新能源汽車行駛里程的要求越來越高，不管是傳統(tǒng)汽車生產(chǎn)企業(yè)還是新能源造車新勢力都對汽車的輕量化非常重視。降低車身的重量將直接提升燃油經(jīng)濟(jì)性和新能源汽車行駛里程。研究資料表明：車身重量每減少10%，燃油消耗就會降低6%-8%[3]。

1? 有限元模型的建立

國內(nèi)自主的某鋁合金車身是由鋁合金型材、鑄造件和鈑金件連接而成的。結(jié)構(gòu)簡單的鑄造件、型材和鈑金件用殼單元模擬，單元尺寸8mm。比較復(fù)雜的鑄造件用實(shí)體單元模擬，單元尺寸為3mm。鋁合金車身的主要連接方式為鉚接（FDS、SPR）、粘膠、焊縫，鉚接用直徑為5mm的acm類型焊點(diǎn)模擬，粘膠用adhesives類型單元模擬，焊縫用rbe2單元模擬。有限元分析模型如圖1所示。

2? 白車身基礎(chǔ)性能計(jì)算

在進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能優(yōu)化之前，首先要對當(dāng)前的結(jié)構(gòu)性能有所了解。結(jié)構(gòu)輕量化是以結(jié)構(gòu)分析為基礎(chǔ)的，所以第一步要對該白車身的模態(tài)、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行分析，了解結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)性能。

2.1 白車身模態(tài)分析結(jié)果

本文計(jì)算的白車身模態(tài)為自由模態(tài)，從分析結(jié)構(gòu)中找到白車身的第一階整體模態(tài)。分析仿真結(jié)果得知：①白車身模態(tài)前6階為剛體模態(tài)。②第7、8、9階模態(tài)為局部模態(tài)。③第10階模態(tài)為該白車身的第一階整體模態(tài)（扭轉(zhuǎn)模態(tài)），模態(tài)頻率為51.5Hz，模態(tài)振型如圖2所示。

2.2 白車身彎曲剛度分析

白車身彎曲剛度工況邊界條件及載荷：約束前后螺旋彈簧安裝支座位置自由度，保證白車身固定又不過度約束，約束的自由度分配詳見圖3。載荷施加在如圖3所示中心線的門檻梁上，兩個門檻梁各施加1000N。

從計(jì)算結(jié)果中提取測量點(diǎn)位移，計(jì)算得到修正后的彎曲位移為0.1363mm，經(jīng)計(jì)算白車身彎曲剛度值為14678N/mm。

2.3 白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析

白車身扭轉(zhuǎn)剛度工況邊界條件及載荷：約束白車身后螺旋彈簧安裝支座位置自由度，約束的自由度如圖4所示。前減震器安裝點(diǎn)中心施加MPC約束，讓兩個安裝孔中心Z向位移相反。扭轉(zhuǎn)剛度工況施加扭轉(zhuǎn)載荷為2000N·m。

從計(jì)算結(jié)果中提取得到測試點(diǎn)的位移，計(jì)算得到修正后的扭轉(zhuǎn)角為0.1552°，計(jì)算得到白車身扭轉(zhuǎn)剛度值為12886N·m/°。

3? 靈敏度分析

3.1 靈敏度介紹

車身靈敏度主要包含靜態(tài)靈敏度和動態(tài)靈敏度。靜態(tài)靈敏度是指白車身的彎曲扭轉(zhuǎn)剛度對設(shè)計(jì)變量的靈敏度，也包含車身質(zhì)量相對設(shè)計(jì)變量的靈敏度[4]。動態(tài)靈敏度本文主要計(jì)算模態(tài)對設(shè)計(jì)變量的靈敏度[5]。

靈敏度分析基本概念主要有重量靈敏度、模態(tài)（剛度）靈敏度、相對靈敏度。

①重量靈敏度：某鈑金增加1mm，白車身重量的變化量。

②模態(tài)（剛度）靈敏度：某部件增加1mm，白車身模態(tài)頻率（剛度）的變化量。

③模態(tài)（剛度）相對靈敏度：某部件使白車身重量增加1%，對白車身模態(tài)頻率（剛度）改變的百分比。

④模態(tài)（剛度）平均靈敏度：每個零件都加厚1%，對白車身模態(tài)頻率改變的百分比。

以某鋁合金白車身為研究對象，建立白車身有限元模型。本文選擇了53個部件作為靈敏度研究對象，其厚度作為設(shè)計(jì)變量，如圖5所示。以白車身基礎(chǔ)扭轉(zhuǎn)模態(tài)、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度作為約束，質(zhì)量最小作為目標(biāo)。計(jì)算這些部件的厚度變化對車身質(zhì)量、模態(tài)、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度。根據(jù)計(jì)算結(jié)果，得到各零部件的模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的相對靈敏度、平均靈敏度以及相對靈敏度與平均靈敏度的比值。通過比值來判斷該零部件對車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的重要性[6]。選取對結(jié)構(gòu)性能影響比較大的零部件進(jìn)行性能優(yōu)化，選取對結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)小的零部件進(jìn)行輕量化[7-8]。

3.2 計(jì)算結(jié)果分析

對各部件的靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行處理，得到各個部件厚度對白車身的模態(tài)、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度的相對靈敏度和平均靈敏度。其中模態(tài)相對靈敏度較高的部件如圖6所示。

對彎曲剛度相對靈敏度較高的部件如圖7所示。

對扭轉(zhuǎn)剛度相對靈敏度較高的部件如圖8所示。

3.3 厚度優(yōu)化方案介紹

綜合考慮模態(tài)靈敏度、彎曲剛度靈敏度及扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度，挑選對三個性能影響都比較小的部件進(jìn)行輕量化，并選擇靈敏度較高的部件增加厚度，提升結(jié)構(gòu)性能。最終挑選出如圖9所示部件進(jìn)行厚度優(yōu)化，各部件的厚度變化情況如表1所示。

3.4 輕量化方案性能驗(yàn)證

按照以上輕量化方案對有限元模型進(jìn)行修改，再次計(jì)算白車身的模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度。將輕量化前后的模型及結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行對比，如表2所示。

分析統(tǒng)計(jì)表可知：根據(jù)靈敏度分析結(jié)果對關(guān)鍵部件的厚度進(jìn)行優(yōu)化后，白車身的扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和彎曲剛度有所提升、扭轉(zhuǎn)剛度基本保持不變，但白車身質(zhì)量減少了4.1kg。

4? 結(jié)論

利用靈敏度分析的方法對白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化，在保證了車身模態(tài)、彎曲扭轉(zhuǎn)剛度的前提下，提出輕量化方案。這種方法對白車身輕量化工作有重要的指導(dǎo)意義，為輕量化方案的提出提供了重要依據(jù)。

本文利用靈敏度分析的方法，對某鋁合金白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化分析。在白車身扭轉(zhuǎn)模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度不降低的情況下，使白車身質(zhì)量降低了4.1kg，輕量化效果明顯。盡管輕量化方案的實(shí)施還要綜合考慮其他性能，但靈敏度分析方法為輕量化工作指明了方向，提供了數(shù)據(jù)支持。

參考文獻(xiàn)：

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