基于灵敏度分析的MPV白车身轻量化优化研究

江想莲 王子剑 王定虎

摘 要：为使白车身结构轻量化，以降低整车质量，本文以某MPV的白车身作为研究对象，首先建白车身有限元模型，计算车身弯曲扭、转刚度对车身的料厚的灵敏度分析，结合灵敏度系数对车身轻量化优化设计，并进行刚度和碰撞性能分析验证，经验证满足目标要求。本次研究结果对车身轻量化优化具有重大指导意义。

关键词：灵敏度；轻量化；刚度

随着越来越多的消费者购买汽车，改善人们生活水平的同时，其燃油、排放也为能源供给、环境保护和道路交通安全也带来巨大压力。因此节能减排也成为汽车工业面临的一个重大挑战。汽车的轻量化也成为实现节能减排的一个重要手段，有试验表明，汽车质量没减轻10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，同时可直接提高汽车的比功率，使得汽车的动力性能提高，因此汽车轻量化技术对降低油耗、减少排放的起着至关重要的作用[1]。

目前汽车轻量化技术已经成为汽车工业界的研究热点，汽车轻量化是指在保证汽车原有的行驶安全、结构强度、舒适性等性能不降低，汽车造价不被提高的前提下，有效地减轻汽车的重量；主要采取材料轻量化和结构轻量化两种方式实现汽车的轻量化目标[2]。本文则采用结构轻量化方式对白车身主要结构的料厚进行轻量化优化，结合弯扭刚度对结构料厚对的灵敏度实现对白车身高效的轻量化优化。

1 车身结构灵敏度分析

1.1 灵敏度分析基本理论

灵敏度是优化设计中某个设计变量的变化对系统的结构特性的影响程度，即结构性能参数Ti对设计参数Xi变化的敏感性，可表示为[3]：

在有限元线性静态的优化分析中，约束和目标函数均可能为静力平衡方程位移解的响应，由于弯曲和扭转刚度的载荷F均为常量，因此目标函数或约束等有关节点位移函数的性能参数对设计变量的灵敏度可表示为下式[4]，其中T表示为结构性能参数，d表示为性能参数相关的节点位移，x表示为结构变量：

1.2 变量的设定

本次分析以白车身为研究对象，同时兼顾整车强度以及抗撞性要求，前机舱的主要梁架件均未参与本次灵敏度分析，主要选取结构料厚偏大的结构件设计为变量，主要包括有侧围内外板总成、前后地板总成以及部分前壁板组件，本次参与料后灵敏度优化结构件共有143个。

1.3 约束和目标函数的确定

为减轻白车身质量，满足轻量化设计要求，降低成产成本，确定白车身质量为目标函数，并保证弯曲和扭转刚度在+5%到-5%范围内变化，确定以弯曲刚度和扭转刚度为约束条件。

1.4 弯曲扭转刚对料厚灵敏度分析

利用灵敏度分析方法，找出对弯曲和扭转刚度影响显著的零部件，对于灵敏度系数较小的零件综合考虑碰撞、疲劳和轻量化等性能要求，减薄其料厚以达到轻量化目的。本次白车身对钣金料厚灵敏度系数分布结果如下图1所示。

结合上述分析结果，在灵敏度系数中选取弯曲刚度灵敏度系数小于0.1%，扭转刚度灵敏度系数小于0.5%的结构件进一步进行料厚减薄验证分析共56个零件。

2 白车身结构优化方案

根据分析结果且综合碰撞、疲劳、振动、安装功能等性能要求筛选出31个零件，如下图2所示，结合对标经验及板材选取原则将这31个零件减薄处理，减薄方案如下列表1。

3 性能验证

白车身减重前质量为398.8kg，本次减薄方案使得车身质量下降5.9kg，满足本次减重目标5kg，对减重后的弯曲刚度、扭转刚度进行验证性分析，得出弯曲刚度值由10127.4N/mm下降至9791.8N/mm，较比原数据下降3.31%，扭转刚度值由735.0 KN.m/rad下降至713.8KN.m/rad，较比原数据下降289%，均满足前期刚度下降3%以内的目标定义。

由于本次减重件中部分可能影响整车正面和后面抗撞性，因此需要对车辆100%正面碰撞和后碰进行验证性分析，经过验证纵梁前段支撑板Ⅱ的删除致使正面碰撞加速度值超出目標值，对于该件轻量化处理恢复原有的状态，最终验证100%正面和后碰碰撞结果如下表图所示，表2分析结果显示100%正面碰撞的加速度稍有提高均在设计目标范围之内，前门压缩量、前围板侵入量、三踏板的入侵量及转向管柱侵入量等均稍有提高且符合设计要求；乘员舱的地板纵梁、A柱、门槛未发生弯折变形，见图3。表3和图4结果显示，车辆在后面碰撞过程中，纵梁整体变形较小，变形合理；油箱没有与其它部件接触碰撞，塑性变形最大值为0.072，小于极限值0.2，满足设计要求。

本次优化方案除纵梁前段支撑板Ⅱ外共19个件经过刚度和抗撞性验证均满足预定目标，最终达到减重5.22kg，为后期轻量化设计提供直接指导意见。

4 结论

（1）通过刚度灵敏度分析方法，能较为稳定、客观、高效对车身结构进行轻量化，可以避免以往仅依靠经验的盲目性。

（2）采用刚度灵敏度分析，对车身结构件进行减薄优化，并对减重后模型进行了刚度和碰撞性能验证，保证其性能均在目标范围内，最终质量减轻5.22kg。

（3）灵敏度分析法可为设计提供较优的材料分布方案，尤其是在设计早期，可以获得到更好设计基础，，降低设计成本以及减小设计周期。

参考文献：

[1]Bendyk J.Light Metal in Automotive Applications[J].Light Metal Age，2000，58（10）：34-35.

[2]缪增华，蔡华国，张剑，等.基于料厚灵敏度的轿车车身刚度优化[J]，Altair 2013技术大会论文.

[3]杨万庆.基于灵敏度分析的白车身结构优化设计，大众汽车，2014-8，20（8）.

[4]翟晓彬，何志刚，张敏中，等.城市客车车身结构灵敏度分析及优化，机械设计与制造，2007-1，1.