商用车白车身轻量化技术研究与应用实践

陈志宁 张瑞俊

（东风柳州汽车有限公司，柳州 545005）

主题词：商用车 白车身 轻量化技术 刚度

1 前言

气候变化是人类面临的全球性问题，碳排放使温室气体增加，对人类生命产生威胁。世界各国以全球协约方式制定了碳减排目标，中国也提出了2030年实现碳达峰和2060年实现碳中和的目标。

李骏院士提出，实现碳达峰的方法，首先是能源结构转型，用清洁能源替代石油等化石燃料能源；其次是产业低碳转型，实施低碳技术战略，汽车产业低碳化技术战略采用多项技术路线并行发展，其中重要的技术路线是轻量化。

汽车轻量化对汽车碳减排贡献巨大，同时已成为商用车重要竞争力之一。王建萍博士研究表明，车辆减重100 kg，可节油0.3~0.6 L/100 km，CO排放减少7.5~15.0 g/100 km；每年可为用户带来1万元收益。

商用车白车身的综合性能要求高，涉及到安全、耐久和NVH关键性能。经过调研分析，确定研究原则，即白车身性能不降低的约束条件下，进行优化结构并实施轻量化设计，同时控制成本。经研究，确定白车身预期目标，即减重30 kg，降幅达10%，同时成本降低，在同行业保持领先地位。

2 轻量化基本技术原理

范子杰博士的研究概括了构建轻量化的基本技术原理，在满足构件基本功能和性能的条件下，通过结构设计优化、材料轻量化、制造轻量化的多技术路线，用最少的材料体积实现最轻的零部件质量，如图1所示。

图1 轻量化技术原理[3]

商用车白车身，是汽车的一个特殊总成，适用同样的技术原理。但是，因其复杂的功能、性能要求，特殊的薄壁结构、结构轻量化原理和方法有其特殊性，有别于普通的构件，需要围绕关键性能，做大量的结构轻量化方案实践研究，总结归纳再实践，经过多次循环往复。

3 商用车白车身性能体系

以往商用车白车身开发，多采用逆向开发技术，更多关注基本功能和结构强度的实现，缺乏完整的性能体系。通过调研分析，对标标杆和竞品，首先总结提炼出白车身的关键性能及优先级，即刚强度、安全和NVH。通过导入新的CAE分析和测试技术，对某白车身现状进行摸底分析，建立完整的白车身性能体系,合计264项性能指标。表1仅列举典型的关键指标。

表1 白车身典型关键性能列表

4 轻量化技术的发展趋势

据武万斌博士的研究分析概括，汽车轻量化的技术、材料以及制造工艺的发展趋势如图2、3、4所示，按照2025年趋势阶段开展实践。

图2 轻量化技术发展趋势图[4]

5 商用车白车身轻量化研究技术路线和方法

围绕驾驶室性能、轻量化和成本多目标，践行轻量化技术路线和方法，寻求最优解决方案。经过充分调研，制定总体思路，先做最大减重方案，再做性能优化，经过多轮迭代循环，达到轻量化与性能平衡。研究流程如图5所示。

图5 白车身分析流程

图3 白车身用材发展趋势[4]

图4 制造工艺发展趋势[4]

5.1 轻量化研究原理和方法

围绕刚强度、安全、NVH关键性能，通过对现状性能分析，基于刚度保持不变的前体，提出轻量化初步方案，通过灵敏度分析，进行结构优化设计，实现最少材料应用。开展高强钢应用分析，将合适材料用于合适部位。应用了多学科基础理论，篇幅限制，仅列举典型的刚度分析基础理论及分析模型。

5.1.1 扭转刚度分析理论

宋超博士、吴成平博士等的研究概括了商用车白车身的刚强度计算公式。

（1）扭转刚度计算公式，见公式（1）。

为施加的扭矩，取值为3 445.7 N·m；

为前悬左加载点向位移;

为前悬右加载点向位移;

为加载点之间向距离。

（2）扭转刚度分析建模，见图6。

图6 扭转刚度分析模型[7-9]

加载工况：前悬施加力矩（T）为3 445.7 N·m；T=0.5×0.62×驾驶室总质量（945 kg）×9.8 m/s×前悬间距(1.2 m)。

约束：综合参考王祥林、李学亮何莉芳等的研究，结合试验条件，确定左右后悬约束为1、2、3、4、5、6自由度。

5.1.2 弯曲刚度分析理论

（1）弯曲刚度计算公式，见公式（2）。

式中=3 542.7 N；=3 675.0 N；为左纵梁向最大位移；为右纵梁向最大位移。

（2）弯曲刚度分析建模，见图7。

图7 弯曲刚度分析模型[7-9]

加载工况：每个座椅施加3 542.7 N，平均分配到4个；座椅安装点：=(×1.5+)×2.5×

为乘员体重，取75 Kg；为座椅质量，取32.1 Kg；为重力加速度，为9.8 m/s；

卧铺在地板上施加3 675 N的均布力

约束：同理，左右后悬约束1、2、3、4、5、6自由度。

5.2 现状性能评估分析

关于现状性能评估，主要对刚度、强度、碰撞和NVH关键性能进行摸底分析，确定现状数据摸底的性能项目如图8示。

图8 现状评估项目

5.3 初步轻量化方案设计

设计原则是，保持刚度性能不变，通过局部结构设计优化、厚度优化和材料替代，做最大的减重方案，减少模具投入，达到现车减重目的，又能为新项目研发探索轻量化前沿技术。

通过各项性能的厚度、结构、截面灵敏度和钣金拓扑及传力路径分析，汇总对比分析结果，提出初步减重方案，以下列举关键分析结果。

5.3.1 板厚灵敏度分析

目的是探查厚度对性能影响，主要考察弯扭刚度。便于读者理解，本项分析给出对应的分析过程，其他分析项类似省略。

（1）灵敏度分析建模。

（2）定义设计变量及目标。

（3）优化控制参数。

（4）计算及位移云图检查修正，图9示。

图9 位移云图

（5）编辑slk文件，输出分析结论。在计算文件存放路径中，找到迭代生成的***.0.slk文件，用Excel打开，以性能灵敏度所在列为关键字，由高到低顺序排列灵敏度，输出分析结论见表2。扭转刚度最灵敏的是侧围门框、后围外板；弯曲刚度最灵敏的是纵梁、中地板等。

表2 板厚灵敏度分析结论列表

5.3.2 截面灵敏度分析

探查各截面对性能敏感性。典型关键性能截面灵敏度分析结论如下：

（1）扭转刚度截面灵敏度。灵敏截面是A柱向、地板纵梁、向，前端下横梁，见图10。

图10 扭转刚度截面灵敏度分析

（2）弯曲刚度截面灵敏度。最灵敏的截面是地板纵梁Z向、前端下横梁向，见图11。

图11 弯曲刚度截面灵敏度

（3）正面碰撞截面灵敏度。灵敏截面是前端下横梁向、前中横梁向，见图12。5.3.3 白车身拓扑分析

图12 正面碰撞截面灵敏度

通过拓扑优化分析，探查加强位置。本文综合参考龚俊奇，叶芳等研究进行拓扑分析研究。主要考察扭转、弯曲刚度关键性能。典型分析结论如下：

（1）扭转刚度拓扑分析。加强位置主要为A柱、前围、纵梁。如图13示，深色需要加强。

图13 扭转刚度拓扑

（2）弯曲刚度拓扑分析。加强位置主要为地板、纵梁。如图14示，深色需要加强。5.3.4 白车身传力路径分析

图14 弯曲刚度拓扑

本文参考张式程进行传力路径分析，目的是探查各种工况的传力路径。主要考察约束扭转刚度、弯曲刚度、正面碰撞、A柱打击等关键性能。分析结论：

（1）扭转刚度传力路径分析。传力路径为A柱及前围位置。如图15示，深色需要加强。

图15 扭转刚度传力路径

（2）弯曲刚度传力路径分析。传力路径为纵梁、地板横梁等。如图16示，深色需要加强。

图16 弯曲刚度传力路径

（3）正面碰撞传力路径分析。传力路径为A柱、前围上方横梁和纵梁。如图17示，深色需要加强。

图17 正碰撞传力路径

（3）A柱打击传力路径分析。传力路径为A柱、门框上部。如图18示，深色需要加强。

图18 A柱打击传力路径

5.3.5 结构灵敏度分析。

本文参考孙万来的研究，以最轻化为目标，对42个结构变量分析，探查各工况结构变量敏感性，主要考察扭转、弯曲刚度，扭转、弯曲模态，A柱打击、正面碰撞等关键性能，42个变量如图19所示。

图19 结构灵敏度结构变量

（1）扭转刚度结构灵敏度分析。识别的关键结构为：A柱接头、前围横梁、纵梁连接结构、A柱，如图20所示。

图20 扭转刚度结构灵敏度

（2）弯曲刚度结构灵敏度分析。识别的关键结构为：纵梁及连接结构。如图21示。

图21 弯曲刚度结构灵敏度

（3）正面碰撞结构灵敏度分析。关键结构为：前围上横梁、侧梁，纵梁连接结构，如图22所示。

图22 正面碰撞结构灵敏度

5.3.6 最大减重方案

板厚占比统计分析，0.8~1.0用料占比64.9%，1.2~1.5占比29.5%，对比重大的材料进行薄壁化减重；再根据前述厚度、截面、结构灵敏度分析，白车身拓扑、传力路径分析，对性能弱化部位增强，综合分析，提出最大减重方案，减重38.3 kg。典型减重区域图23示。

图23 典型减重区域

5.4 围绕关键性能的轻量化方案优化

确定最大减重方案后，根据定义的性能目标，对刚强度、碰撞和NVH区域关键性能进行系统分析优化，包括52个分析项，213个考察点。最大减重方案，包括刚强度、NVH、碰撞的69个考察点目标性能不满足。通过结构、材料、厚度优化加强和N轮优化迭代，最终轻量化方案，所有考察点性能目标达成。典型性能分析结论如下。5.4.1 总体性能分析

最大减重方案，刚度、强度、NVH、碰撞等性能区域均存在问题；最终优化方案，各项目标达成,如图24所示。

图24 总体性能分析

5.4.2 刚度模态分析结论

最终优化方案，扭转、弯曲刚度等考察点目标达成。图25示。

图25 刚度模态分析

5.4.3 强度分析结论

最终优化方案，弯扭强度等考察点目标达成。图26示。

图26 强度性能分析

5.4.4 碰撞安全分析结论

最终优化方案，正碰、A柱打击等考察点目标达成，见图27。

图27 碰撞安全分析

5.4.5 最终轻量化方案

经过N轮优化迭代的最终方案，采取76项优化措施，实现减重36 kg，降幅10%，达成减重目标，见图28。

图28 最终轻量化方案

最终方案措施包括结构设计优化、材料升级和壁厚优化，典型方案如下。

（1）结构优化加强。局部优化减重后，部分性能减弱，根据截面敏感性分析，对典型的地板纵梁截面加大加强，保证弯曲刚度性能（图29）。

图29 地板纵梁截面加大

（2）材料优化升级。对关键部件材料升级，合适的材料应用于合适位置；软钢(抗拉强度≤340 MPa)由78%降低至65%，普通高强钢(340 MPa＜抗拉强度＜590 MPa)由22%提高至25%，先进高强钢(抗拉强度≥590 MPa)由0%提高至10%，地板纵梁关键部位首次应用先进高强双相钢（抗拉强度为780 MPa）。

（3）厚度薄壁化。根据板厚敏感性分析结论，对性能不敏感的部位进行薄壁化减重；典型薄壁化零件有顶盖外板、后围外板等。性能敏感部位，则增厚加强满足性能目标；典型部位有侧围门框等。

6 样车验证及小批试销实践

前述最终轻量化方案，采用软模进行样车试制，按规范开发流程进行各项台架和整车性能试验，以及国家试验场道路耐久可靠性试验。关键性能试验包括白车身弯扭转刚度，车门扭转刚度、碰撞试验，关键性能指标均达成目标，如表3所示。

表3 关键性能达成情况列表

样车按整车开发流程，进行道路可靠性试验11 000 km，包括山区重丘高速、平原微丘高速3 000 km,海南强化坏路试验8 000 km，试验后无故障。

经过各项性能的测试确认，所有性能目标达成，不低于现生产水平。

7 结束语

根据轻量化原理，通过结构设计、材料升级及厚度优化技术研究与应用实践，归纳总结了白车身轻量化研究与应用实践的技术方法，主要结论：

（1）整体轻量化方案基于刚度性能提出，设计关键断面和厚度；由于刚度与其它性能的关联性，轻量化导致部分性能下降；

（2）通过结构、连接、材料局部加强方案，反过来提升强度、碰撞和NVH性能；

（3）局部结构、材料加强方案对局部性能贡献明显。

（4）刚度主要受骨架影响，蒙皮贡献小。

（5）通过灵敏度分析，可识别出对刚度影响明显的部位。

最终实施轻量化方案，可以实现减重36 kg，成本降低300元以上，同时关键性指标不降低。

构建了白车身性能体系，培养了关键性能虚拟CAE能力，形成了41项CAE分析规范。

本论文在轻质铝合金、新工艺应用、耐久性研究与应用方面，未能深入探讨。

2030年铝合金应用将迎来发展高峰。展望未来，将在以下方面深入开展白车身轻量化技术研究：

（1）铝合金研究与应用；

（2）耐久可靠性分析新技术研究与应用；

（3）研究激光拼焊、热成型技术，制造轻量化。

通过深入的轻量化研究，为国家双碳目标实现做出贡献。