白车身多学科轻量化设计应用研究

白车身多学科轻量化设计应用研究

李琳刘晨山

李琳刘晨山

长城汽车股份有限公司技术中心河北省汽车工程技术研究中心保定071000

摘要：在本篇文章中，通过优化实验设计中的近似模型，在合理控制优化时间的基础上提升优化效率，全面掌握设计变量对于刚度以及模态的影响规律，实现白车身开发能力的提高。

关键词：白车身；多学科；轻量化设计；应用研究

1对汽车轻量化设计的论述

从我国现阶段发展情况来看，能源较为缺乏，在这一背景下，汽车轻量化设计逐渐成为了汽车领域关注的重点内容。目前，要想达到轻量化设计的目的，需要从以下几点入手：

①结构轻量化，也就是说，使用合理的设计方式来优化设计车身拓扑结构、形状尺寸以及厚度等。

②特殊的加工工艺；使用激光拼焊板以及柔性轧制差厚板等。

③材料轻量化；使用高强度的钢板以及轻金属材料。

结构轻量化设计是我国汽车行业减少成本输出和降低重量的基本方式，现有的汽车结构轻量化技术在不断发展的基础上必定成为汽车领域的重要竞争力。

要想将结构轻量化功能全面的发挥出来，需要落实以下几个方面；

在对车辆进行前期开发的时候，需要在车上结构设计的基础上引进结构轻量化理念，这是很有必要的。换句话来说，便是在前期设计期间，根据架构形式以及相关尺寸，采取虚拟分析的方式加以优化和评价。全面掌握各个设计变量对于车辆性能产生的影响，制定出规范的轻量化方案，以此实现车辆开发设计水平的提高。从我国发展情况来看，对其的研究重点一般集中于车辆研发后期，它只是针对现有车型板材的厚度和材料强度进行优化分析，不过却很少研究结构轻量化。

车身轻量化必须和车身性能相互联系到一起，它自身属于一项多学科多目标的集成优化设计环节。现阶段，我国对于轻量化研究一般是使用单一的优化设计目标，待优化之后再根据其他性能来计算优化结果。

车身结构属于整体性系统，对于各个零件的形状、位置以及尺寸而言，均对车身整体性能产生了一定的影响。当前，我国企业主要是对零件厚度以及材料强度展开减重优化，本身没有大力考虑零件的尺寸类型，在这现状下，使得轻量化设计的价值无法全面的发挥出来。

2优化技术

2.1优化循环

以往传统的优化方式属于一种串行的优化设计，也就是说，借助相关工具对驱动模型展开计算，详细的分析结果，通过判断结果来实施下一环节。不过，针对某种工况而言，要是遇到仿真分析的话，可能因为不分析时间较长而使得优化时间得不到控制。从中可以看出，传统优化方式还存在着一些不足之处，本身无法较好的应用于汽车领域内，这就需要引进规范模型来解决问题。

近似模型属于性能较好的一种模型，它一般是分析样本点数据。在本篇文章中，一般是借助试验设计技术来对样本点实施抽样工作。当研究样本电的时候，可以获取相应的近似模型，或者各个设计变量对于目标函数的共享程度、单个设计变量针对目标函数的影响情况。最后可以使用规范的优化方式来优化近似模型，获取最佳结果。

实施试验设计工作，优化近似模型起到的效果是极高的，不仅可以全面的控制优化时间，同时还能有效的计算出高强度仿真次数，综合各方面性能，获取最优化设计效果，这种模型对于设计工作的开展起到了一定的指导性作用。

2.2方差分析

所谓方差分析，它一般是对数据展开全面的分析，然后找寻出相应的影响因素，各个因素之间产生的作用以及对目标参数的影响规律。其中方差分析核心是方差可分解。

根据方差分析能够获取影响目标参数的主效应以及交互效应，通过对主效应进行分析，能够找寻出设计因素怎样影响目标参数。在主效应图中还可以对目标参数以及设计因素的关系曲线求导，获取目标参数的灵敏程度。在两个设计因素对目标参数进行交互作用的时候，只是简单的分析某个设计因素作用是不合理的，必须从另外一个设计因素的不同水平对相关目标参数加以研究，以此获取对某项性能影响较大的设计因素，从而做出相应的判断。

不管怎样，借助方差进行分析可以获取各个设计因素的主效应以及交互效应和灵敏度，最终为汽车设计提供有利的依据。

3案例

3.1参数化模型以及分析工况

在本文分析的轻量化设计使用的全参数白车身模型如下图所示：

图一优化区域整车白车自身参数化模型

图三变量多后弯刚度的贡献量

（下转第341页）

上接第337页）

基于以上贡献量表格可以看出，设计量V13对于重量和后弯刚度贡献量产生的作用是极大的，本身是影响性能和重量的基本因素。设计变量V21对于重量的贡献极高，不过，对于后弯刚度而言，贡献却是极少的。可以在综合相关性能的基础上对变量V21进行改变。

3.4主效应图和灵活性分析

下图是正面重叠刚性墙碰撞实际分析情况：

图四设计变量主效应图

重点论述了主效应图和灵敏度的应用情况。从上图中可以得出，伴随着变量值的不断增加，有效加速度首先减少然后再增加，通过实施相应的曲线求导来获取设计变量的不同取值，有效加速度对T1设计变量变化的灵活性，然后计算出各个性能的影响因素和规律。

3.5轻量化优化设计情况

将三个区域的优化设计工况定义成以下几点：

约束：刚度、模态、100%刚性墙碰撞、40%偏置碰撞、侧撞性能必须和工程设计要求相符合。

目标：白车身重量是比较小的。

优化算法：模拟退火算法以及遗传算法。

针对A、B、C、三个区域而言，有的设计变量时长对相关区域产生一定的影响，在这里论述的不同区域相同设计变量处理方式：表一内的S24和V11是相同变量，均对区域性能产生一定的影响。S24在B区域内对于侧撞性能产生的影响是比较大的，远远超出了C区域刚度以及模态的影响，因此，可以以侧撞性能为基本的约束指标，对厚度加以优化，提升整体性能。

4、结语：

在项目早期开发阶段中，使用隐式参数化模型将零件尺寸、位置以及厚度等参数当做优化设计的基本变量，通过多方面轻量化优化设计将效果彻底发挥出来，在合理控制计算和优化时间的基础上对白车身开发进行正确的指导，实现开发效率的提高。

参考文献：

[1]胡朝辉.面向汽车轻量化设计的关键技术研究[D].湖南大学，2017.（01）：98+99.