基于可靠性分析與輕量化技術(shù)的汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

摘 要：為了提高車身的可靠性并積極響應(yīng)當(dāng)前的雙碳策略要求，本文結(jié)合可靠性分析和輕量化技術(shù)對(duì)汽車車身進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。首先，介紹了輕量化技術(shù)和可靠性分析原理，并給出了可靠性優(yōu)化的數(shù)據(jù)模型。其次，對(duì)車身剛度靈敏度和模態(tài)靈敏度進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)了剛度和模態(tài)的多目標(biāo)優(yōu)化模型，并以此得到了優(yōu)化后的車身有限元模型。研究結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度值均有所提升，分別達(dá)到了6689N/mm和15012Nm/Deg，提升比例分別為4.68%和2.17%。此外，優(yōu)化后的模型能夠達(dá)到22.35×106的疲勞循環(huán)周次。由此說明，所設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)具有較好的抗疲勞性以及穩(wěn)定性，該設(shè)計(jì)方案能為汽車制造領(lǐng)域提供新的優(yōu)化方向。

關(guān)鍵詞：汽車；有限元；車身；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；輕量化；可靠性分析

中圖分類號(hào)：U 463" " 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

在全球競(jìng)爭日益激烈和環(huán)保標(biāo)準(zhǔn)不斷提高的背景下，汽車行業(yè)面臨減輕車輛質(zhì)量，以提高能源效率和降低排放的迫切需求[1]。車身輕量化通過應(yīng)用高強(qiáng)度鋼材、高性能合金以及復(fù)合材料等先進(jìn)材料及優(yōu)化的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，能有效降低車輛質(zhì)量，提升車輛性能并增強(qiáng)安全性和耐用性。目前，盡管車身輕量化和可靠性分析在汽車行業(yè)已有廣泛應(yīng)用，但是如何平衡這兩者以達(dá)到最佳的車身性能仍是一個(gè)挑戰(zhàn)[2]。現(xiàn)有的研究多集中于單一的輕量化材料應(yīng)用或獨(dú)立的可靠性評(píng)估，缺乏一個(gè)系統(tǒng)的方法來整合這2個(gè)方面。基于此，本研究的目標(biāo)是通過一種創(chuàng)新性的綜合優(yōu)化策略，開發(fā)出一種結(jié)構(gòu)上既輕便又堅(jiān)固的汽車車身，以適應(yīng)現(xiàn)代汽車工業(yè)對(duì)高效能和高可靠性的雙重需求。通過這項(xiàng)研究，以期為汽車制造商提供在競(jìng)爭激烈的市場(chǎng)中脫穎而出的策略，同時(shí)為消費(fèi)者提供更安全、更環(huán)保且更經(jīng)濟(jì)的駕駛選擇。

1 結(jié)合可靠性分析與輕量化技術(shù)的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究

1.1 輕量化技術(shù)與可靠性分析

車身輕量化技術(shù)是指在汽車制造中應(yīng)用的一系列方法和材料，目的是減輕車輛質(zhì)量，以提高能源效率、降低排放并提升車輛性能，保持或增強(qiáng)車輛的安全性和耐久性[3]。目前，實(shí)現(xiàn)車身輕量化的幾種主要技術(shù)路線如圖1所示。

在圖1中，實(shí)現(xiàn)車身輕量化的主要技術(shù)路線分為3種，分別是材料優(yōu)化、工藝優(yōu)化和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化。在上述3種優(yōu)化路線中，結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是目前的主流優(yōu)化路線。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)綜合應(yīng)用數(shù)學(xué)原理，通過有限元技術(shù)進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的精細(xì)調(diào)整，例如調(diào)節(jié)構(gòu)件尺寸、輪廓形狀、材料厚度和布局，以減輕部件質(zhì)量。首先，明確設(shè)計(jì)變量及其取值范圍。其次，設(shè)定符合實(shí)際使用條件的約束條件，并在這些條件下探尋最佳的解決方案。最后，當(dāng)面對(duì)特定任務(wù)時(shí)，還可以采取參數(shù)化優(yōu)化、單一目標(biāo)優(yōu)化或多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化等策略。

可靠性分析作為一種系統(tǒng)性的分析技術(shù)，可以提高系統(tǒng)、設(shè)備或軟件的可靠性[4-5]。在汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，可靠性分析是一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)，它確保了車身設(shè)計(jì)能夠在預(yù)期的使用期限內(nèi)抵抗各種負(fù)荷和應(yīng)力，而且不會(huì)出現(xiàn)故障。在實(shí)際應(yīng)用中，利用可靠性分析優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型主要有兩類，第一類是以車身結(jié)構(gòu)的最大可靠度為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，第二類是以車身實(shí)際質(zhì)量的最小值為目標(biāo)函數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，當(dāng)車身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量小于優(yōu)化目標(biāo)的質(zhì)量時(shí)，以此為約束條件，得到第一類數(shù)學(xué)模型。而當(dāng)車身結(jié)構(gòu)的質(zhì)量大于優(yōu)化目標(biāo)的質(zhì)量時(shí)，以此作為約束條件，得到可靠性優(yōu)化的第二類數(shù)學(xué)模型。此次研究結(jié)合可靠性分析原理對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，確保汽車能夠在滿足可靠性目標(biāo)的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)車身的輕量化，即滿足實(shí)際質(zhì)量最小的目標(biāo)值，因此最終利用第二類數(shù)據(jù)模型進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1.2 汽車車身有限元模型搭建及其結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)

在對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)前，需要利用有限元分析軟件搭建合適的車身模型，以確保后續(xù)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果的準(zhǔn)確性。研究所優(yōu)化的汽車車身為城市越野型白色小汽車車身，該車的長、寬、高分別為4100mm、1900mm、1450mm，車身結(jié)構(gòu)主要包括骨架、外板金屬件、門窗組件、附屬品、內(nèi)外飾件和座椅等元件。大多數(shù)部件之間主要通過焊點(diǎn)焊接完成連接，部分結(jié)構(gòu)使用螺栓和鉸鏈連接。組成車身的金屬件主要是薄板，厚度一般為0.7mm～1.5mm，使用的材質(zhì)包括45號(hào)鋼、700L高強(qiáng)度鋼等。使用HyperMesh軟件進(jìn)行車身有限元預(yù)處理，首先，將車身模型轉(zhuǎn)化為標(biāo)準(zhǔn)格式并導(dǎo)入HyperMesh[6-7]。其次，清理幾何模型，例如修復(fù)缺失的表面、移除多余的線條。再次，在螺栓處部署加固網(wǎng)格，并對(duì)剩余區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格分割，同時(shí)移除并改進(jìn)任何不符合質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)的網(wǎng)格。最后，還需要對(duì)各車身中各組件的材料屬性進(jìn)行命名，并利用模塊化的思想將車身分為頂部、左右側(cè)圍、前部和底板等區(qū)域。在完成上述所有步驟后，進(jìn)行網(wǎng)絡(luò)連接和網(wǎng)格質(zhì)量檢查，最終完成白車身有限元模型的構(gòu)建工作。將車身剛度靈敏度分析及模態(tài)靈敏度分析作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，結(jié)合可靠性分析原理實(shí)現(xiàn)白色車身結(jié)構(gòu)的輕量優(yōu)化。在所搭建的有限元模型中，得到優(yōu)化前后的白色車身整體效果圖如圖2所示。

圖2（a）和圖2（b）分別為優(yōu)化前后的白色車身整體有限元模型圖，圖2（a）的模型圖只是對(duì)白色汽車本身進(jìn)行有限元建模，并未做任何優(yōu)化。圖2（b）是以車身剛度靈敏度分析和車身模態(tài)靈敏度分析作為檢驗(yàn)指標(biāo)，對(duì)白色車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。結(jié)合可靠性分析、車身剛度靈敏度分析、模態(tài)靈敏度分析的車身輕量化設(shè)計(jì)流程如圖3所示。

首先，收集和分析現(xiàn)有車身結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)，識(shí)別關(guān)鍵性能指標(biāo)，例如剛度、強(qiáng)度和耐久性，并使用有限元分析軟件構(gòu)建初始車身模型。其次，應(yīng)用系統(tǒng)可靠性分析技術(shù)來評(píng)估車身各部分在預(yù)期使用壽命內(nèi)的潛在故障點(diǎn)。再次，確定車身結(jié)構(gòu)中對(duì)剛度影響最大的部分，分析這些部分在不同加載條件下的性能表現(xiàn)。從次，進(jìn)行模態(tài)分析，以確定車身結(jié)構(gòu)的固有頻率和振動(dòng)模式，根據(jù)靈敏度分析結(jié)果，調(diào)整設(shè)計(jì)參數(shù)，例如材料選擇、厚度和幾何形狀，以實(shí)現(xiàn)質(zhì)量減輕的目標(biāo)。最后，結(jié)合剛度靈敏度和模態(tài)靈敏度分析結(jié)果，使用多目標(biāo)優(yōu)化算法來尋找滿足可靠性、剛度和輕量化要求的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

當(dāng)分析剛度靈敏度時(shí)，需要從158個(gè)車身組件中選出152個(gè)作為設(shè)計(jì)變量進(jìn)行剛度分析，以組件厚度作為優(yōu)化變量，并在不降低車身剛度的前提下減輕總質(zhì)量。對(duì)關(guān)鍵組件的剛度靈敏度和相對(duì)靈敏度進(jìn)行分析，優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)，采用增加高靈敏度組件厚度和減少低靈敏度組件厚度的策略，最終實(shí)現(xiàn)輕量化。模態(tài)靈敏度分析與前者類似，也需要建立有限元模型進(jìn)行計(jì)算和分析。

2 仿真結(jié)果分析

2.1 車身剛度對(duì)比結(jié)果

為了分析白色車身結(jié)構(gòu)的剛度性能，選定車身縱梁作為主要的剛度測(cè)量區(qū)域，令該結(jié)構(gòu)在Optistruct軟件中進(jìn)行剛度強(qiáng)度分析。同時(shí)，根據(jù)車身的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度要求，在有限元模型中適當(dāng)設(shè)定白色車身的約束條件，得到白色車身在優(yōu)化前后的位移變化和剛度變化，見表1。

由表1可知，在彎曲工況下，前風(fēng)擋、左前車門、右后車門、后風(fēng)擋的變形距離分別為1323.40mm、1253.32mm、1239.58mm、998.25mm，4個(gè)位置在優(yōu)化后的變形距離變化不大，最大變化值僅為-0.18。此時(shí)，車身在彎曲工況下的剛度值由6390N/mm增至6689N/mm，剛度漲幅為4.68%。同理，在扭轉(zhuǎn)工況下，前風(fēng)擋、左前車門、右后車門、后風(fēng)擋4個(gè)位置的變形距離也較小，但剛度值卻從14693Nm/Deg增至15012Nm/Deg，此時(shí)的剛度漲幅為2.17%。綜合來看，優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)能夠?qū)④嚿砀魑恢玫拈_口變形控制在0.20以內(nèi)，并且均能增加剛度值，從而提高車身的整體性能。

2.2 車身模態(tài)對(duì)比結(jié)果

除了對(duì)剛度進(jìn)行測(cè)試外，研究進(jìn)一步驗(yàn)證了白色車身優(yōu)化前后的模態(tài)變化結(jié)果，得到5個(gè)不同結(jié)構(gòu)位置在優(yōu)化前后的模態(tài)值及其漲幅，見表2。

由表2可知，車身前端、車身地板局部彎曲、車身一階橫擺、車身一階彎曲、車身一階扭轉(zhuǎn)的初始模態(tài)值分別為38.51Hz、45.22Hz、38.24Hz、46.50Hz、49.82Hz，對(duì)車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)后，5個(gè)位置的模態(tài)值均有所增加，分別為42.12Hz、49.86Hz、42.37Hz、50.18Hz、55.26Hz。其中，車身一階扭轉(zhuǎn)的模態(tài)值漲幅最大，高達(dá)10.92%。綜上可得，經(jīng)過優(yōu)化的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)有效避免了由發(fā)動(dòng)機(jī)低速運(yùn)行引起的波動(dòng)，并且避免了共振現(xiàn)象。這樣不僅提高了一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的振幅，而且還有助于提高車身的整體動(dòng)態(tài)表現(xiàn)。

2.3 車身可靠性對(duì)比結(jié)果

為了證明優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性，研究選擇了5個(gè)不同的零部件位置進(jìn)行測(cè)試，在nCode軟件中進(jìn)行加載，得到了5個(gè)零部件在優(yōu)化前后的疲勞循環(huán)周次結(jié)果，如圖4所示。

由圖4可知，5個(gè)不同的零部件在優(yōu)化后的疲勞循環(huán)周次均比優(yōu)化前高。在優(yōu)化前，所有零部件的疲勞循環(huán)周次均高于標(biāo)準(zhǔn)的安全壽命疲勞循環(huán)周次，即均大于1.00×106次，由此說明，優(yōu)化前搭建的有限元仿真模型是滿足疲勞設(shè)計(jì)需要的。除此之外，零部件4和零部件5在優(yōu)化后的疲勞循環(huán)次數(shù)更是達(dá)到了20.00×106以上，分別為21.14×106和22.35×106。由此可見，進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)后的白色車身能夠擁有更高的抗疲勞性能，從而使整個(gè)車身擁有更高的可靠性。

3 結(jié)語

為了實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)，研究結(jié)合可靠性分析、車身剛度靈敏度分析和模態(tài)靈敏度分析設(shè)計(jì)了多目標(biāo)優(yōu)化方案，并在有限元軟件中設(shè)計(jì)了優(yōu)化后的汽車模型。研究結(jié)果表明，在剛度分析中4個(gè)測(cè)點(diǎn)位置在優(yōu)化前后的開口變形距離并不大，但在彎曲工況和扭轉(zhuǎn)工況下的剛度值分別提高到了6689N/mm和15012Nm/Deg，漲幅分別為4.68%和2.17%。車身模態(tài)對(duì)比結(jié)果表明，優(yōu)化后的車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)值較大，從49.82Hz增至55.26Hz，漲幅為10.92%。最后對(duì)比了優(yōu)化前后的車身可靠性，得到編號(hào)為5的零部件在優(yōu)化后的疲勞循環(huán)周次高達(dá)22.35×106。綜上所述，優(yōu)化后的車身結(jié)構(gòu)具有更高的剛度值和模態(tài)值，并且整個(gè)車身也具有更高的抗疲勞性和可靠性。由于汽車種類較多，因此后續(xù)研究還需要測(cè)試該優(yōu)化方案在其他汽車類型中的適應(yīng)性。

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通信作者：劉子瑜（1992-），男，漢族，河北石家莊人，本科，石家莊交通運(yùn)輸學(xué)校助理講師，研究方向?yàn)槠囓嚿硇迯?fù)。

電子郵箱：cvbnm8990@126.com。