摘要

為滿足車身輕量化的設計需求，對某混合動力汽車進行了有限元模型建立，對白車身進行彎曲剛度和扭轉剛度的校核；隨後對車身板件進行靈敏度分析，以彎曲剛度和扭轉剛度為約束，以質量最小為目標，進行多目標最佳化。經最佳化計算，白車身彎曲剛度提升3。4%，扭轉剛度降低1。3%，白車身質量降低2。37%，為低速輕型混合動力汽車的輕量化設計提供了一定的參考依據。

隨著汽車製造技術的不斷髮展，車身作為汽車的重要組成部分，其重要性不言而喻，車身效能應滿足安全性、可靠性、舒適性及輕量化等要求。隨著全球能源問題、環境問題的日益嚴峻，節能環保已成為各國關注的焦點，自從國家釋出《節能與新能源汽車技術路線圖》之後，輕量化技術已經上升為國家發展戰略。混合動力車以低能耗、低汙染等優點逐漸成為傳統汽車行業發展的主要方向，對車身進行輕量化研究可以有效地降低整車質量，延長續駛里程。文章以某混合動力汽車為研究物件，在白車身有限元分析的基礎上基於車身板厚靈敏度進行了車身輕量化設計，為混合動力低速汽車設計提供了參考。

1 文章標題

白車身的剛度特性是體現汽車安全性的重要指標。車身剛度指車身受到外載荷時表現出抵抗彎扭變形的能力，是用來衡量汽車正常行駛時的許可變形。汽車車身剛度不足，不僅影響著行駛安全性，而且會給產品以及品牌形象帶來不可預期的負面影響，白車身剛度分析也是整車開發的關鍵環節。

1。1 白車身剛度計算理論

1。1。1 彎曲剛度計算理論

汽車行駛時最重要的工況為彎曲工況和扭轉工況，彎曲剛度是衡量車身剛度的重要指標，車身合理的剛度將大幅提升整車的效能。計算時假定車身張力一樣，並且車身整體是一根具有均勻彎曲剛度的簡支梁，如圖1所示。

在進行白車身彎曲剛度測試時，車身結構遠比簡支梁更復雜，得到白車身彎曲工況下的剛度值（EI/（N/mm））為彎曲總載荷與豎直方向上最大變形量的比值，如式（1）所示。

1。2。2 扭轉剛度計算理論

扭轉工況是指汽車行駛到凹凸不平路況的一種情況，也是汽車日常行駛常常遇到的情況之一，在有限元分析中，白車身前後軸間平均扭轉剛度的計算公式，如式（2）所示。

1。2 白車身剛度模擬分析

根據企業提供的相關資訊在AnsysWorkbench軟體中建立有限元模型。該白車身是由大量厚度各異的鈑金件衝壓組裝而成，在建模過程中採用Shell181薄板單元建立有限元模型，如圖2所示，透過有限元軟體設定車身材料為結構鋼Q235，對車身不同構件採用Bonded繫結連線來模擬車身連線。車身鋼板厚度，如表1所示。

白車身彎曲剛度和扭轉剛度的計算方法較多，每個車企也不盡相同，文章透過門檻梁載入方法計算其白車身彎曲剛度，約束白車身左前懸置處z方向自由度，右前懸置處y，z方向自由度，左後懸置處x，z方向自由度，右後懸置處x，y，z方向自由度，在其車身的門檻梁兩側各施加2500N的垂向載荷，其示意圖如圖3所示。透過在前減震器懸置處載入力偶，約束左後、右後懸架x，y，z方向自由度來模擬白車身扭轉工況並計算其扭轉剛度，該車前軸最大載荷為3857。7N，前軸輪距為1310mm，由式（3）得出，模擬扭轉的最大載荷為2526。8N，其示意圖如圖4所示。

透過AnsysWorkbench軟體進行白車身約束、載入、求解，其應力雲圖，如圖5所示。從圖5可得到，其最大變形量為0。4617mm，在車門B柱位置。透過式（1）計算可得到，白車身最大彎曲剛度為10829。54N/mm。對於不同車型，其白車身彎曲剛度的範圍一般不同，經濟型轎車白車身彎曲剛度範圍為8000~12000N/mm。該車為低速混合動力車，價格低廉，屬於經濟型轎車，滿足其彎曲剛度需求。

透過對扭轉剛度的模擬計算，得到扭轉剛度應力雲圖，如圖6所示。透過圖6可得到，白車身右懸架支撐最大應變為1。799mm，左懸架支撐最大應變為-1。859mm。透過式（2）可得到，車身最大扭轉角為0。227°，扭轉剛度為11131。27N·m/（°），其參考值為10000N·m/（°），基本滿足扭轉剛度需求。

2 車身輕量化設計

2。1 多目標最佳化

為滿足輕量化設計需要，提升車身的效能指標，對白車身進行結構多目標最佳化處理，透過改變車身板件厚度實現白車身輕量化的目標。

該白車身由大量鈑金件拼接而成，可將設計變數X定義為白車身鋼板厚度，根據白車身剛度計算分析，初步確定了變數名稱及對應數值，如表2所示。

目標函式為設計變數的函式，隨著設計變數的變化而變化，為實現節能減排，最佳化目標函式以白車身的質量為目標函式，記為f（x）。

在多目標最佳化中，為了保證最佳化後的效能，要對其邊界條件進行約束，一方面約束設計變數的邊界條件，另一方面約束白車身效能指標。白車身最重要的效能指標為車身剛度，設定白車身彎曲剛度和扭轉剛度為約束條件。

2。2 靈敏度分析

在車身輕量化最佳化過程中，影響白車身剛度和質量的設計變數較多。為了能夠準確地分析對汽車效能影響較大的部件有哪些，減少設計最佳化的盲目性，需對整車設計變數進行靈敏度分析。白車身結構靈敏度分析就是確定白車身效能響應對板厚度變化的靈敏度，透過WorkbenchDesignofexperiment得到151組樣本點，經計算得到車身響應面模型及設計變數對車身效能響應的靈敏度值，如表3所示。

從表3中可以分析出，設計變數P2對其車身彎曲剛度較為敏感，設計變數P2，P5，P8對其扭轉變形影響較大，P16，P19對其車身彎曲、扭轉變形影響不大。透過表3中對質量的靈敏度的百分比可清晰得出，車門、前底板、前圍板、後底板的厚度對車身質量影響較大。透過靈敏度分析可以有選擇性地進行約束最佳化，對車身質量影響較大但對車身效能影響較小的板件厚度進行最佳化處理。

2。3 輕量化設計

透過對設計變數的靈敏度分析得出，車門厚度的變化對其車身剛度有著重要影響，懸架支撐厚度及前圍板的厚度對其扭轉剛度影響較大。文章的最終目的為在滿足行業標準的情況下實現白車身的質量降低，透過WorkbenchOptimization模組設定約束條件，以彎曲變形值和扭轉變形值最小為約束，以總質量最小為目標進行最佳化求解。

透過計算迭代，使用Optimization模組，得到3組最優解集點，考慮到整車的彎曲和扭轉特性，選取一組最優解集點，使得白車身質量從210。97kg下降到205。98kg， 減少了4。99kg， 佔原來白車身質量的2。37%。最佳化後彎曲變形值為0。446mm，扭轉變形最大值為1。798mm，最小值為-1。742mm，扭轉角為0。23°。以企業常見材料厚度進行圓整，其改變車身板件厚度值，如表4所示，將圓整後的鋼板厚度代入白車身有限元模型，設定相同的約束和載荷，並計算出車身效能，如表5所示。

3 結論

基於某混合動力低速汽車，對其白車身進行了彎曲剛度、扭轉剛度的校核計算。透過門檻梁載入的方法對白車身進行了模擬計算，得到白車身的彎曲剛度為10829。54N/mm；透過前減震器懸置處載入力偶的方法對白車身扭轉剛度進行模擬計算，得到白車身扭轉剛度為11131。27N·m/（°）。透過對車身板件進行靈敏度分析，得出其兩側車門板、前懸架支撐板、前圍板對車身彎曲扭轉剛度影響較大；透過多目標最佳化，使得白車身質量降低2。37%，彎曲剛度增加3。4%，扭轉剛度減小1。3%，均在合理範圍之內，並給出最佳化後車身各板件的厚度修改值。在滿足車身剛度的效能下實現了車身減重，為該類車型的改進設計提供了參考依據。