某重卡白车身轻量化设计研究

淦坚，单长洲，王香廷（安徽江淮汽车股份公司技术中心 车身设计研究院，安徽 合肥 230601）



某重卡白车身轻量化设计研究

淦坚，单长洲，王香廷
（安徽江淮汽车股份公司技术中心 车身设计研究院，安徽 合肥 230601）

汽车轻量化是汽车企业发展的主要方向，也是一个汽车厂商是否拥有先进技术的主要标志。汽车的轻量化，就是在保证汽车的强度和安全性能的前提下，尽可能地降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，减少燃料消耗，降低排气污染。文章主要介绍了某重卡白车身的轻量化设计方案，结合CAE分析，对相关影响强度、刚度、模态的零件进行结构优化，从而达到实现轻量化的同时又不影响整体性能的效果。

轻量化；CAE分析；有限元；结构优化设计

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.018

CLC NO.: U463Document Code: AArticle ID: 1671-7988(2016)08-55-03

1、研究意义

据欧洲铝协的材料表明，汽车重量每降低100公斤，每百公里可节约0.6升燃油。若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，因此，车身变轻对于整车的燃油经济性、车辆控制稳定性、碰撞安全性都大有裨益。重型商用车轻量化的更直观意义在于提高运输效率，从而达到提高燃油利用率、减少资源消耗的战略意义。

2、轻量化方案选定

某重卡通过对标杆车的拆解，钣金材质的检测、厚度的测量，以及一系列结构优化方案，最终确定了一套完整的白车身结构方案，并制作了白车身数模。但是通过对比分析，白车身的重量高于标杆车约19kg。标杆车是一款国际最先进的重卡之一，其上应用了很多国内目前还未普及的工艺、材质和结构等，这是重量有偏差的直接因素。经过与国际先进设计公司的合作，已及专家的评审建议，最终从两个方向进行轻量化设计：钣金料厚减薄、材质升级，增加减重孔。

2.1钣金料厚减薄、材质升级

标杆车应用了很多国内企标尚未普及的料厚，在前期设计的过程中，把很多冷门的零件料厚提升了一个等级，方案在实施时可以从这些零件入手。方案选定了47个零部件进行料厚减薄、材质升级，如下表1：

表1　钣金料厚减薄、材质升级统计表

通过对这47个零件的料厚减薄，可实现减重21.09kg。

2.2增加减重孔

增加减重孔选择的零部件主要是分布在不影响外观，对整体性能的影响相对较小的区域，其上型面未与别的件有搭接关系，增加减重孔的同时可以进一步提高涂装工艺电泳的效果。方案选定了8个件增加减重孔，如下表2：

表2　增加减重孔统计表

通过对这8个零件增加减重孔，可实现减重0.192kg。

综上，减重方案共涉及55个零部件的变动，可以实现减重21.282kg，相比标杆车重量小约3kg，达到预期轻量化的效果。

3、CAE分析

由于上述减重方案设计变动的件较多，其中部分大钣金件厚度也有所减薄，对整体的性能肯定存在一定影响。通过CAE分析，主要是从白车身的刚度、模态和强度三方面去分析，对比减重前的分析数据，对减重方案进行更加完善的优化设计。

3.1白车身模态分析

白车身进行模态分析，目的是为了了解白车身的模态频率及振型。根据白车身数模建立有限元分析模型，如图1所示。钣金件采用SHELL单元，点焊采用ACM单元模拟，分析使用的软件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表3　白车身模态分析结果对比

由分析结果可知，白车身减重后数模一阶扭转模态频率为21.11Hz，一阶弯曲模态频率为47.13Hz，均高于目标值，满足设计要求。

3.2白车身刚度分析

白车身刚度是影响车身性能的一个重要参数，直接体现车辆承受载荷冲击的能力，白车身扭转刚度和弯曲刚度越高，对NVH相关性能越有利。本次分析主要是对减重后数模进行刚度分析，目的是了解其白车身的弯曲、扭转刚度。根据白车身减重后数模建立有限元分析模型，如图4所示。钣金件采用SHELL单元，点焊采用ACM单元模拟，分析使用的软件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表4　白车身刚度分析结果对比

由分析结果可知，白车身一阶弯曲刚度已达标，一阶扭转比未减重状态减小 4.7%（64783→61728），满足前期预期目标（-5%）。

3.3驾驶室强度分析

根据驾驶室车架数模建立有限元分析模型，驾驶室总重量约1520kg、车架+标配货箱总重量约14470kg，评价考察驾驶室的强度。模型约束如图7所示，工况及目标如表5所示。

表5　工况及目标信息表

不满足目标的零件如下图8，白车身减重后模型在五个分析工况下，有2个关键部件最小安全系数小于目标值，不满足要求，如下表6所示。

表6　不合格部件详细参数对比表

4、结构优化设计

从CAE分析结果来看， 白车身模态已达标；一阶弯曲刚度已达标，一阶扭转比未减重状态减小 4.7%（64783→61728），满足前期预期目标（-5%）；白车身强度有2个件未达标，左部件5100701左地板出现应力集中的主要原因为焊点布置在特征变化的位置，5100801右地板应力集中出现的区域为型面较为特殊区域，过渡面不圆滑，立面较抖。根据CAE分析结果和CAE分组建议，及各模块对接评审确认，确定了以下结构优化方案：

5100701左地板应力集中处焊点往 Y负方向移动约20mm；5100801右地板应力集中处型面进行结构更改，两相交平面进行圆滑过渡处理。如下图9所示。

将优化后的数模参照上述3.3驾驶室强度分析参数，重新建立模型，进行新一轮的分析，分析结果如下表 7，两件均已满足要求。

表7　新一轮强度分析结果对比表

5、结论

零部件的轻量化是汽车轻量化的根本，而对于重型卡车来讲，白车身的轻量化更是重中之重。通过对部分钣金件的料厚和材质进行变动，及增加减重孔，使白车身整体重量减低21.3kg，从而达到轻量化的效果。同时通过有限元分析模型的建立，从驾驶室的模态、刚度和强度三方面进行充分的分析，模态、刚度均已达标，强度分析两个件不达标，但是通过结构的优化处理，也达到了预期的效果。

[1]许超,赵洪伦,刘凯杰.车体轻量化结构优化设计策略及其实施 .北京：中国铁道出版社,2013(4).

[2]郭海艳,凌静,李月红,靳贵涛.汽车顶盖部件轻量化的研究 .汽车工艺与材料,2015(10).

[3]魏莹.汽车轻量化.现代零部件,2008(4)：35-36.

[4]王芊.汽车轻量化是发展方向.科学时报,2006(4).

[5]王滕宁,王建国，王可容.降低汽车重量的途径.重型汽车，2000 （6）.

A heavy truck lightweight BIW Design

Gan Jian,Shan Changzhou,Wang Xiangting
（Anhui Jianghuai Automobile Co.Technical Center,Body Design and Research Institute,Anhui hefei 230601）

Automotive lightweight is the main direction of auto companies' development,but also it's the sign of a car manufacturers whether it has advanced technology.Light weight vehicles,is in ensuring the strength and safety in the automobile premise,as far as possible to reduce the car's curb weight,thereby enhancing the power of the car,reducing fuel consumption and reduce exhaust pollution.The article describes the design of a heavy truck lightweight BIW,combined with CAE analysis,the relevant impact strength,stiffness,modal components to optimize the structure,so as to achieve weight reduction without compromising the effectiveness of the overall performance.

Lightweight; CAE analysis; Finite Element; Structural Optimization

U463

A

1671-7988（2016）08-55-03

淦坚（1990-），男，车体设计工程师，就职于安徽江淮汽车股份有限公司，从事汽车车体设计。