同平臺車型輕量化設(shè)計流程分析

曾土偉　顧成波　陳家林

【摘 要】汽車車身的輕量化設(shè)計貫穿從項目規(guī)劃定義、概念設(shè)計階段、詳細(xì)設(shè)計階段、設(shè)計驗證到制造階段的設(shè)計全流程，涉及材料選擇、工藝制定及詳細(xì)結(jié)構(gòu)優(yōu)化等各個方面。輕量化設(shè)計流程詳細(xì)規(guī)定了各個設(shè)計階段中的工作內(nèi)容及工作職責(zé)，指導(dǎo)輕量化設(shè)計有條不紊地開展。如何進行同平臺不同車型輕量化目標(biāo)定義、方案制訂是一個重要的課題。因此，文章從同平臺單車型輕量化開發(fā)設(shè)計流程和同平臺雙車型耦合開發(fā)輕量化設(shè)計流程兩個方面展開系統(tǒng)分析。

【關(guān)鍵詞】輕量化;同平臺;設(shè)計流程

【中圖分類號】U463.82 【文獻標(biāo)識碼】A 【文章編號】1674-0688（2020）08-0062-02

0 引言

汽車保有量不斷增加造成能源的大量消耗。國家信息中心信息資源開發(fā)部主任徐長明表示，目前我國石油進口比例已達(dá)到58%，到2020年會超過70%，而每年增加的2 000萬～3 000萬t的石油量主要都來源于進口。輕量化技術(shù)能夠在減重的同時減少能源消耗，并提高汽車的操作穩(wěn)定性。研究表明，汽車減重10%，運行300 km的油耗將減少10%，并減少二氧化碳排放5%左右[1]。因此，汽車輕量化設(shè)計已經(jīng)得到各大汽車廠商的廣泛重視。

汽車輕量化需要綜合考慮各方面的汽車性能，包括汽車碰撞安全、NVH性能、車身剛度性能等[2]。新型輕量化材料、先進的車身制造工藝、對車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計是車身輕量化的主要途徑。其中，車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法貫穿于整個車身輕量化設(shè)計開發(fā)流程中。優(yōu)化設(shè)計方法包括靈敏度分析、拓?fù)鋬?yōu)化、試驗設(shè)計、近似模型和多目標(biāo)優(yōu)化等方面。車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)能夠在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計階段進行結(jié)構(gòu)性能的驗證與優(yōu)化設(shè)計，提高車身結(jié)構(gòu)設(shè)計效率、減少設(shè)計成本、縮短設(shè)計周期。Pederson利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對汽車關(guān)鍵安全部件進行優(yōu)化設(shè)計，提高了汽車被動安全性能[3]。Marklund和Nilsson通過搭建近似模型建立B柱碰撞性能響應(yīng)面，并進行優(yōu)化設(shè)計，使得B柱減重25%，達(dá)到輕量化目的[4]。Kodiyalam等人則對汽車NVH、頂蓋抗凹、正面碰撞等多性能進行了多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計[5-6]。

綜上所述，車身輕量化途徑多，各類方法相互關(guān)聯(lián)。國內(nèi)輕量化的設(shè)計思路雖然逐步完善，但依然存在不少問題，包括各區(qū)域的輕量化目標(biāo)制定缺少數(shù)據(jù)支撐，缺乏整車輕量化評價體系等。對于整車輕量化設(shè)計來說，如何進行同平臺的各個車型的差異化輕量化目標(biāo)定義、輕量化方案的提出和推進，是一個重要的課題。因此，本文擬從同平臺單車型輕量化開發(fā)設(shè)計流程和同平臺雙車型耦合開發(fā)輕量化設(shè)計流程兩個方面展開系統(tǒng)分析。

1 同平臺化單車型開發(fā)的輕量化設(shè)計流程

創(chuàng)新的平臺化車型輕量化設(shè)計流程，從項目概念設(shè)計階段開始就考慮平臺車型零部件共用性。①從概念設(shè)計開始介入。②考慮平臺件共用性。③減重多，輕量化程度高。④避免設(shè)計反復(fù)，縮短開發(fā)周期。平臺化車型輕量化設(shè)計流程如圖1所示。

平臺化車型輕量化設(shè)計具體過程：第一步，車身概念結(jié)構(gòu)多工況拓?fù)鋵ふ易顑?yōu)上、下車體;根據(jù)最優(yōu)上、下車體應(yīng)變能，計算最優(yōu)上、下車體各自對整體性能的貢獻量。第二步，僅對上車體進行輕量化，設(shè)計增加新的約束條件：優(yōu)化后的上、下車體對整體性能的貢獻量之比等于概念階段最優(yōu)上、下車體對整體性能的貢獻量之比。第三步，同時優(yōu)化上、下車體。平臺化車型輕量化設(shè)計案例如圖2所示。

2 同平臺雙車型耦合輕量化開發(fā)流程

雙耦合平臺車型輕量化開發(fā)流程，適合共平臺雙車型同時開發(fā)，實現(xiàn)共用件數(shù)量最大化，以降低開發(fā)成本。應(yīng)用策略包括平臺化共用件的借用或反借用，非共用件的零部件結(jié)構(gòu)特征（加強板布置、搭接關(guān)系，筋條、開孔等）的參考借用，以縮短項目周期。同平臺雙車型耦合輕量化開發(fā)流程如圖3所示。

此流程主要基于汽車平臺化開發(fā)的概念設(shè)計階段，包括車型共用件、標(biāo)準(zhǔn)件的定義，并對這些結(jié)構(gòu)件進行優(yōu)化。在進行結(jié)構(gòu)件優(yōu)化設(shè)計的同時，還需要考慮不同車型件的約束問題及接口共用性問題，包括結(jié)構(gòu)尺寸約束、結(jié)構(gòu)性能約束等。最后引入全參數(shù)化的設(shè)計理念，提高優(yōu)化迭代次數(shù)，縮短開發(fā)設(shè)計周期[7]。

3 結(jié)論

本文在現(xiàn)有常用汽車輕量化設(shè)計方法的基礎(chǔ)上，提出了一系列更符合工程實際應(yīng)用的輕量化設(shè)計方法。針對平臺化單開發(fā)車型，在保證上、下車體對整體框架的貢獻率之比最優(yōu)的基礎(chǔ)上，對上、下車體分別做輕量化設(shè)計，提出了符合現(xiàn)有車身數(shù)模數(shù)據(jù)發(fā)布流程體系的輕量化設(shè)計流程，針對平臺化雙車型開發(fā)，充分考慮到平臺的借用件及雙車型之間的共用件的雙耦合約束，提出了借用件和共用件雙耦合約束下的輕量化設(shè)計流程。

參 考 文 獻

[1]張彥，來新民，朱平，等.基于抗凹性的轎車零件的輕量化設(shè)計及耐撞性分析[J].機械設(shè)計與研究，2004，20（5）：74-76.

[2]王磊，劉瑩，喬鑫.基于正向開發(fā)流程的車身輕量化設(shè)計[J].汽車工程學(xué)報，2015（6）：461-465.

[3]Pederson CBW.Topology optimization design of cr-

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[4]Marklund PO，Nilsson L.Optimization of a car bo-

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[5]Yang RJ，Tho CH，Gu L.Recent Development in Multi-disciplinary Design Optimization of Vehicle Structures[Z].AIAA-2002-5606，2002.

[6]Kodiyalam S，Yang R J，Gu L.Multi-disciplinary d-

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[7]葉寶文，吳純福，陳東，等.車身平臺輕量化設(shè)計方法研究[J].汽車實用技術(shù)，2017（20）：42-45.