车身轻量化设计分析

胡发明 李磊

中通客车控股股份有限公司 山东聊城 252000

随着社会的快速发展，越来越多消费者购买汽车，改善了人们生活水平的同时，节能、环保、安全和智能成为汽车发展的新动向[1]。与此同时，能源和环境是当今世界面临的两大问题，两者都与汽车产业发展息息相关，制造出 “低能耗”、“低排放” 甚至 “零排放” 的汽车是汽车行业等部门需要思考的问题。在采用相同动力系统和传动系统的前提下，乘用车的整车质量减重100Kg，每百公里燃油消耗平均减少0．2-0．8L，二氧化碳排放减少5-11g/km。相较于汽车的动力系统和传动系统的技术改革，轻量化是降低能耗、减少排放的最为有效的措施之一。在《中国制造2025》中关于汽车发展的整体规划中也强调了 “轻量化仍然是重中之重”，“轻量化” 已然成为国家的重要战略，越来越多的研究机构和汽车行业将其研究工作的重点放在汽车轻量化上。

1 汽车轻量化理论与设计方法研究

汽车轻量化的问题是在最优化的理论基础上建立的，通常所说的优化设计，就是根据实际的情况和问题，建立其优化的数学模型，采取一定的最优化方法，寻找既满足约束条件又使目标函数最优的设计方案[2]。构成结构设计问题的三要素为：设计变量、状态变量、目标函数。具体方法如下。

在汽车结构轻量化中，结构尺寸优化是在确定结构拓扑的前提下，用少量的尺寸来表示结构的某些变化，然后建立基于这些维参数的数学模型，并采用优化方法求解最优维参数。

在尺寸优化中，其设计变量大多数为材料参数（如说弹性模量和密度）和尺寸参数（如横梁横截面的尺寸、转动惯量、弹性支承刚度、板材的厚度、两个部件之间的连接刚度等）。

尺寸优化是通过优化一维梁单元的截面尺寸、二维板单元厚度等，寻找目标结构件的最好截面尺寸，满足其相对应的性能要求，性能优化期间，结构的形状和拓扑结构没有发生变化。尺寸优化的一个重要方向是一维梁单元的截面尺寸优化，从之前的结构到现在工业上用的各种型号钢材，尺寸优化已经相对成熟，在给定结构外形几何、材料、单元类型、结构布局的情况下，以截面的尺寸为设计因变量，寻求截面尺寸的最优，以满足性能要求并且实现结构轻量化，达到降低生产成本的目的。

2 车身轻量化设计

2.1 集成化设计

钢板强度越高，其成形性能一般越差，尤其是强度超过1200MPa 常规的冷冲几乎无法实现稍复杂零件的成形，此时，可以采用热冲压成形技术[3]。

目前，激光拼焊板热成形、补丁板热成形是较好的实现减少零件数量，降低重量的技术。

2.2 尺寸和形状优化

形状优化表示对结构件的整体或者局部的形状以及孔洞的形状进行优化改进，使材料达到更好的使用效果，减少受力不均现象。对于少数规则结构件可以把形状优化转化为尺寸优化进行目标函数设定处理，对于汽车上大部分的不规则的零部件来说，参数难以设定还是需要进行无参数的形状优化。

形貌优化是形状优化的高级形式，就是于板形结构中寻求最优加强筋分布的概念设计方法，往往应用于设计符合的频率需求以及提高构件刚度，在汽车薄板型构件的优化中应用广泛。耿广锐等对某款塑料油底壳进行基于形貌优化的方法进行设计，成功提高了产品的第一阶固有频率，而且对于油底壳的全新开发而言，可以达到提高效率缩短成本的效果。张彩婷等通过自由起筋和约束起筋对轿车地板进行优化设计，采用这两种形貌优化设计方法对汽车安全性明显提高，可以有效的防止汽车遇到共振现象。袁林等对某电动汽车的电池箱展开了多目标形貌优化设计，在满足结构的刚度和频率等性能要求的同时成功实现了8．7% 的减重率。

2.3 断面优化

虽然分析软件应用已很广泛，但主要是针对3D 模型的分析，如果在前期的2D 断面阶段可以对性能的评估，可以避免项目后期的重大设计更改，缩短开发进度。

此平台项目中，引进了SectionAD 软件，可以通过2D 断面快速评估不同的设计方案，如材料对最大轴向载荷及弯矩的灵敏度等，得到最优化的设计截面尺寸、厚度、形状等，实现了项目前期的性能评估和优化。

2.4 多学科设计优化

现代工程发展迅速，各个工程系统规模逐步扩大，系统间交互合作更加紧密，传统的优化方法已经不再能满足对工程领域发展的需求，多学科设计优化由此发展。ATC 是近年发展起来的，指的是按照系统层次型结构，自上而下将系统的目标函数以及约束条件传递给子系统，各子系统有不同学科，对不同学科的局部设计变量进行优化，直到符合系统设计要求，因为该方法具有提升设计效率、降低设计难度等优点在汽车优化设计中将应用更多, 赵迁等对某汽车发动机燃烧室进行研究优化，很好的验证了ATC 在汽车设计中的有效性。王婷婷等[ 采用了ATC 对车辆的混合动力系统的参数进行了层次分解和协同优化以达到系统参数的最佳配置。

一些特殊的新算法也在研究推广中，包括独立子空间MDO 算法、异步子空间法等它们在一些场景中使用会对多学科分析效率有明显提升。未来多学科算法要取得更好的优化结果、更快的优化速度，不但要对已有算法进行改进、新的算法进行开发研究，对特殊的新算法也要加快推进研究进行试验对比，更加熟悉每种算法的应用环境，把多学科多目标优化与传统的尺寸、形状、拓扑优化更好的结合，使结构优化达到更好的轻量化效果。

3 结语

汽车的轻量化从来不是从哪一个单一的方式出发，想要获得更好的轻量化结果，需要更好的把新轻质材料、新工艺方法、结构优化方法，进行集成化、系统化的应用。随着工业化产业方式的进一步发展、计算机技术的进步，轻量化技术还有很大发展空间。