本文作者：段利斌，湖南大学车辆工程博士学位，现任教于江苏大学汽车与交通工程学院。主要研究方向是铝镁合金车身、铝镁合金电池包、座椅、防撞梁系统、副车架、内外饰等产品的超轻量化设计与开发、全参数化概念车身构架开发及快速优化设计、汽车车身结构多学科优化与轻量化设计。 公众号后台回复：“内外饰”，进入资料分享社群 公众号后台回复：“原文”，获取本文PDF原文 征稿：汽车材料、新材料的技术、产品，发送至gearshare@163.com 热门推荐：整车内饰件NVH开发
摘要：在车身开发的概念设计阶段，提出了不同工况下评价白车身轻量化效果的轻量化指标，并建立了全参数化概念车身模型。以某新车型白车身轻量化设计为例，对其全参数化概念车身进行以弯曲刚度、扭转刚度、模态以及白车身质量为设计响应的车身截面形状和尺寸的集成轻量化设计，最后针对优化结果进行正碰、侧碰、偏置碰的性能验证。结果表明：本文提出的方法具有较好的轻量化设计效果。
0 引言
随着近年来中国汽车工业的快速发展，汽车保有量每年都快速上升。能源和环境已经成为影响汽车发展的一个重要因素。数据显示，对于质量为1000kg的轿车，质量降低10%就可以节约8%的能源消耗，减少约4%的排放量。因此，轻量化技术对于提高汽车的燃油经济性和降低排放量有很大的好处。该技术已经成为各汽车制造商用于加强竞争力的一个关键因素。文献[1-2]对白车身的轻量化设计方法做了大量研究，但主要针对板料厚度为设计变量，较难在更大程度上实现轻量化设计。德国SFE公司开发了隐式全参数化概念车身结构设计软件，实现了在车身设计早期阶段进行结构轻量化设计的目的[3]。本文针对汽车开发的概念设计阶段传统方法设计周期长、方案更改过程慢，引入全参数化概念车身协同开发设计方法。结合利用模块化设计技术，快速化创建出详细全参数化概念车身模型。在保证白车身质量不变情况下，获得了刚度、模态等性能较大提升的前期车身结构，实现了概念车身的正向设计，达到了提高产品开发效率、缩短设计周期的目的。
1.轻量化指标的提出及轻量化设计流程
汽车轻量化设计包括减重和性能提升两个方面。为表征白车身轻量化的效果，宝马公司提出轻量化系数的概念，该系数L可用下式表示为
式中m为白车身质量(不包括车门和玻璃)，Kg；Ct为静态扭转刚度(包括玻璃)，N·m/(°)；A左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积，L为轻量化系数，Kg/ N·m/[(°)·m2]。由(1)式分析可知，轻量化系数L越小，白车身轻量化效果越好。同理，如果白车身轻量化的水平是由其他性能参数的提高而实现，在公式(1)中CtA应替换为其他对应性能参数。为此，本文分别称L1,L2,L3为扭转刚度Ct、整体弯曲刚度K和一阶尾门框扭转模态ω性能提升的轻量化系数。
为能更直接表征轻量化效果，本文引用轻量化指数L΄的概念[4]，其中L΄可表示为
Lm, Ln分别代表结构优化前后的轻量化系数。当白车身质量不变时方程(2)可简化为
同理，对应于整体弯曲刚度K和一阶尾门框扭转模态ω性能提升的轻量化指数也可以表达成类似(3)式的形式。其中，Am，An分别为轻量化前后的左右轮边宽度与轴距的乘积所得的面积。利用上述轻量化指数L΄表征的结构优化效果为白车身质量不变时其性能提升的百分比。
为能够在更大程度上实现白车身的轻量化设计，本文针对截面形状、尺寸，结构位置等设计参数进行以白车身刚度、模态以及质量为设计响应的轻量化设计，最后将获得的最优车身结构进行基于碰撞安全性的性能验证，其设计流程如图1所示。
图 1 轻量化设计流程
2.概念车身的模型参数化技术
2.1 模型参数化技术
模型参数化技术从根本上克服了传统方法无法实现有限元模型全参数化以及难以实现从CAD数据到CAE数据无缝转换的不足，真正实现了几何模型和有限元模型的全参数化。
基于SFE_Concept模型参数化技术有如下特点[5]：
快速的原型设计。在已有截面和接头数据库的基础上，能够快速、方便、准确的实现有设计约束几何模型的创建；
快速的拓扑位置自动化修改;
快速的参数化几何修改。通过参数化控制IP点坐标、基线曲率、截面形状的改变实现概念车身结构的自动更新；
焊点接连、载荷、边界条件可以随几何模型的更改而自动更新；
2.2 几何参数化技术
图 2 接头拓扑位置变化
图 3 截面变形过程
综合所述，利用本文提出的模型参数化技术可以方便地对概念车身进行形状和尺寸的集成优化设计。
3.某MPV全参数化概念车身的分析工况描述
3.1 刚度分析工况描述
扭转工况：在前保险杠中心约束Z向自由度，在后悬螺弹簧座中心左右两边分别约束X、Y、Z和X、Z向自由度，在前悬中心处左右两边施加方向相反的力5537N。
整体弯工况：在前悬中心左右两边分别约束X、Y、Z向自由度，后悬中心左右两边分别约束Z向自由度，在前排和中排座椅中心处左右两边均施加向下的1668N的力。
一阶尾门框扭转工况：抽取白车身一阶扭转自由模态。
图 4 某MPV全参数化概念车身模型
3.2 碰撞工况的集成
为实现MPV全参数化概念车身模型与整车其余各子系统有限元模型的集成装配，将白车身、门盖系统、底盘件、壁障、零部件材料、整车连接关系分别存放于6个不同的include文件中，通过主文件main.k调用上述6个include文件，从而实现整车碰撞模型集成装配，如图5所示。本文在最后就轻量化车身结构进行正碰、侧碰、偏置碰的性能验证，以权衡汽车概念设计阶段车身各性能之间的矛盾。
图5 碰撞工况集成过程
4. 轻量化设计方案
以某MPV（以下简称“MPV”）开发为例，在概念设计阶段根据车身总布置尺寸和造型面的约束，建立了其全参数化概念车身模型，如图4所示。结合模型参数化技术将截面的特性参数变量转化为截面的几何参数变量，共设置了24个几何设计变量，表1列举了其中部分变量。然后根据工程经验合理设置关键截面（如A柱、B柱、C柱、D柱、门槛梁、顶盖上边梁等）的有效变化范围。为有效减少设计变量的个数，利用拉丁方试验设计方法筛选了对白车身刚度、模态贡献量较大的15个设计变量。利用ASA算法进行以白车身刚度、模态以及质量为设计响应的轻量化设计，最后将获得的最优车身结构进行基于碰撞安全性的性能验证。
图 6 某MPV全参数化概念车身模型
表1 部分截面设计变量表
4.1 形状和尺寸集成优化结果举例
表2 部分接头和关键截面优化前后对比结果
由表2分析可知，通过集成优化循环参数化自动修改控制关键截面形状改变的变量取值来驱动截面形状的改变，最优化的截面特性参数大多够能满足工程设计要求，这为车身结构的设计工作提供了非常有效的设计方案。
4.2 优化结果数据分析
表3 MPV优化前后各轻量化系数对比结果
表4 轻量化前后MPV的轻量化指数提升百分比
由表4分析可知：在保持白车身质量不变的情况下，扭转刚度、整体弯曲刚度和一阶尾门框扭转模态在优化后的性能分别提升了13.97%、12.38%、10.62%。在不增加的生产成本的提前下大大提升了白车身的主要性能。验证了基于SFE_Concept全参数化概念车身结构设计方法对白车身结构设计具有很大的指导意义。
4.3 MPV碰撞性能研究
图9 侧碰性能验证
B柱内板腰线位置优化前最大侵入143mm，最大侵入速度8.6m/s，顶盖位置最大侵入mm，最大侵入速度8.2m/s 。B柱内板腰线位置优化后最大侵入135.8mm，最大侵入速度7.2m/s，顶盖位置最大侵入mm，最大侵入速度7.0m/s。
4.结论
利用模型参数化技术将关键截面的特性参数变量转化为几何参数变量，大大地简化了设计变量的定义过程，实现了对车身结构形状和尺寸的集成优化设计，在保证白车身质量不变情况下，获得了刚度、模态等性能较大提升同时满足碰撞性能不降低的前期车身结构。证明了基于全参数化概念车身的形状和尺寸集成优化设计方法能够高效指导概念车身的轻量化设计工作。
参考文献
[1] 兰凤崇, 庄良飘, 钟阳等. 乘用车车身结构轻量化设计技术研究与实践[J]. 汽车工程, 2010, 32(9): 763-769.
[2] 韩旭，朱平，余海东等. 基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究[J]. 汽车工程，2007，29(7): 545-549.
[3] J.Hilmann,M.Paas, A.Haenschke, T.Vietor．Automatic Concept Model Generation for Optimizationand Robust Design of Passenger Cars[J]．Advances in Engineering Software,2007, 38(1l-12): 795-801．
[4] 马鸣图，路洪洲，李志刚．论轿车白车身轻量化的表征参量和评价方法木[J]．汽车工程，2009，31（5）：403-407．
[5] SFEGmbH, SFE_CONCEPT Handbook v.4.2.3 , 2008．
编辑整理：智享编辑小Q
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