摘 要：文章主要對(duì)乘用車身的輕量化結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)，并在一款SUV 車型的設(shè)計(jì)中進(jìn)行了應(yīng)用。采用靈活度分析和梯度法修正技術(shù)可以很好地進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)輕量化研究，為了彌補(bǔ)材料厚度減少的不足，可以提高材料的屈服度，以提高碰撞后的安全性。
關(guān)鍵詞：乘用車；車身結(jié)構(gòu)輕量化；設(shè)計(jì)技術(shù)
現(xiàn)在駕車車身的主要形式是承載式車身，由于車身要承載汽車的大部分荷載，因此要提高車身的強(qiáng)度和剛度，但是這樣會(huì)增加車身的重量。為了節(jié)能減排的需要，必須在汽車的設(shè)計(jì)中盡量降低車輛的自重，這樣才能節(jié)約成本，降低汽車有害氣體的排放。目前對(duì)車輛輕量化的測(cè)評(píng)工作還沒有確定，然而國際上有一種采取輕量化系數(shù)L 進(jìn)行輕量化測(cè)評(píng)的方法。輕量化系數(shù)L 的意義是車身單位體積所需要的質(zhì)量，其公式如下：
式中：M 為車身質(zhì)量，kg；A 為軸距、輪距之間的車身面積，m2；CT 為靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度。
國外從二十世紀(jì)八十年代就開始了汽車減重的研究，采取輕型材料來替換鋼鐵材料可以明顯減輕汽車的自重，現(xiàn)在很多車型都采用了這種設(shè)計(jì)，還有的設(shè)計(jì)師采取了有限元法對(duì)車身的截面積進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，我國汽車輕量化的研究比較晚，主要進(jìn)行高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用研究。現(xiàn)在關(guān)于車輛輕量化的理論研究已經(jīng)初顯成效，大都是對(duì)現(xiàn)有車型的改造設(shè)計(jì)，輕量化的效果一般。
1 車身輕量化設(shè)計(jì)流程
目前進(jìn)行車身輕量化設(shè)計(jì)主要依靠經(jīng)驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)，設(shè)計(jì)較保守。國外二十世紀(jì)八十年代開發(fā)了結(jié)構(gòu)修改靈敏度分析法，是對(duì)有限元法進(jìn)行深入研究形成的一個(gè)方法，運(yùn)用這個(gè)方法可以對(duì)車身的設(shè)計(jì)進(jìn)行評(píng)估，對(duì)設(shè)計(jì)的不足之處進(jìn)行修改[1]。
車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是在設(shè)計(jì)中應(yīng)用靈敏度分析和梯度法進(jìn)行修正，在確保車身結(jié)構(gòu)性能的前提下，減輕材料的重量，達(dá)到減低車身自重的目的。設(shè)計(jì)流程如圖1 所示。
2 車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)例
2.1 車身結(jié)構(gòu)模型和結(jié)構(gòu)模態(tài)剛度
采用HYP 處理軟件對(duì)SUV 型車輛進(jìn)行建立有限元模型，通過計(jì)算可以得到車身的總質(zhì)量。
車身結(jié)構(gòu)的彈性狀態(tài)不會(huì)受到外界的影響，可以體現(xiàn)車身的整體剛度，也是NH 性能的體現(xiàn)，對(duì)其進(jìn)行研究可以提供輕量化效果評(píng)價(jià)，和車身的特征研究。
車身的自重關(guān)系到車身的模態(tài)，強(qiáng)度和碰撞系數(shù)，是車身的基本指標(biāo)，車身的靜態(tài)剛度大車身就輕，靜態(tài)剛度可以用扭矩和彎曲度來計(jì)算。這是車身承受的兩個(gè)重要負(fù)載。
圖1 面向設(shè)計(jì)的車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)流程
2.2 車身結(jié)構(gòu)輕量化分析
從輕量化系數(shù)來分析，為了減少輕量化系數(shù)，要降低車身的重量，還要提高車身的扭轉(zhuǎn)剛度，這兩個(gè)條件本身存在矛盾，因此要進(jìn)行優(yōu)化?？梢圆捎贸顺?，這是一種計(jì)算多目標(biāo)評(píng)價(jià)的函數(shù)方法。對(duì)多元函數(shù)進(jìn)行計(jì)算采取的是梯度修正法，利用目標(biāo)函數(shù)和約束函數(shù)的梯度來確定方向，在空間內(nèi)尋找最佳的解決方案，如二維空間，利用目標(biāo)函數(shù)減少的方法進(jìn)行搜索找到答案[2]。
實(shí)例首先用扭轉(zhuǎn)分析的結(jié)果對(duì)應(yīng)力大的單元進(jìn)行保留，然后進(jìn)行域分析，結(jié)合經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)以后選出來100 個(gè)零件進(jìn)行降低厚度設(shè)計(jì)，采用線性優(yōu)化對(duì)鋼板進(jìn)行靈敏度分析，以行數(shù)最小值為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。
經(jīng)過靈敏度分析和處理以后，得到了經(jīng)過歸一化后的靈敏度，零件的扭轉(zhuǎn)剛度比靈敏度高，因此零件的扭轉(zhuǎn)性能比較好，可以對(duì)零件進(jìn)行加厚處理，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度低的零件要區(qū)別對(duì)待，對(duì)沒有發(fā)揮作用的零件要采取措施以發(fā)揮實(shí)際作用，對(duì)于作用不大的零件要進(jìn)行輕量化的處理。
變更的零件比較少，零件厚度要根據(jù)材料的牌號(hào)進(jìn)行調(diào)整，要進(jìn)行適度的調(diào)整，不要改動(dòng)模具，需和其他部門密切配合，根據(jù)實(shí)際情況結(jié)合扭轉(zhuǎn)參數(shù)，參考優(yōu)化結(jié)果制定多種輕量化的設(shè)計(jì)方案，目標(biāo)數(shù)學(xué)規(guī)劃法每次運(yùn)算都能得到一個(gè)數(shù)據(jù)，滿足不了制定多套輕量化方案的需要。但是靈敏度的方法可以滿足這個(gè)要求，因?yàn)殪`敏度可以進(jìn)行快速的比較計(jì)算。
經(jīng)過討論以后廠家采取了一套輕量方案，對(duì)輕量后的模型進(jìn)行了整體狀態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲度的計(jì)算，計(jì)算了車身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量和輕量化系數(shù)。
經(jīng)過輕量化設(shè)計(jì)后車身的重量下降了，模態(tài)和剛度等性能指標(biāo)都提高了，輕量化系數(shù)降低了很多，優(yōu)化后的車身扭轉(zhuǎn)減小，剛度提高，便于協(xié)調(diào)[3]。
3 碰撞性能驗(yàn)證
3.1 輕量化的材料替換
車身材料的輕量化可以提高車輛的動(dòng)力，降低能源消耗節(jié)約成本，還可以影響車身的碰撞系數(shù)。怎樣避免輕量化影響車輛的碰撞系數(shù)，是車輛輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。
材料根據(jù)等強(qiáng)度原則進(jìn)行替換，也就是替換以后材料的截面積和屈服強(qiáng)度不便，在實(shí)際應(yīng)用中替換后的層級(jí)要略大一些，根據(jù)分析利用等強(qiáng)度原則對(duì)材料進(jìn)行升級(jí)，升級(jí)后的材料屈服強(qiáng)度高，通過正面碰撞試驗(yàn)檢驗(yàn)它的安全性。
3.2 正面重疊碰撞安全驗(yàn)證
根據(jù)ENG 的要求搭建了正面碰撞模型，駕駛員的傷害和車輛的變形有關(guān)，從后側(cè)門檻的加速曲線可以看到，輕量化前后的速度變化基本一致，不會(huì)影響正面碰撞安全。輕量化后前擋板侵入量有所減小，剎車侵入量峰值略有增加穩(wěn)定值減小，輕量化后評(píng)價(jià)指標(biāo)也都減小了[4]。
3.3 側(cè)面碰撞安全性檢驗(yàn)
根據(jù)ENC 的要求建立側(cè)面碰撞模型，側(cè)面碰撞安全性以侵入量為標(biāo)準(zhǔn)。側(cè)面碰撞對(duì)胸部的危害很大，為了保證安全要保證位置和假人位置一致，因此這樣選擇。
優(yōu)化前后的峰值量略有增加，侵入量穩(wěn)定值除了頂端增加，其他幾點(diǎn)都有所減小，侵入速度沒有變化，因此輕量化后指標(biāo)沒有明顯變化，不會(huì)對(duì)安全造成影響。
3.4 輕量化模型的驗(yàn)證
白車身實(shí)驗(yàn)完成以后，要對(duì)其進(jìn)行檢驗(yàn)，用實(shí)驗(yàn)的結(jié)果建立評(píng)估模型，然后對(duì)它進(jìn)行修正，為以后的研究提供經(jīng)驗(yàn)。
試裝的實(shí)驗(yàn)完成后，對(duì)樣車進(jìn)行了模態(tài)和剛度的實(shí)驗(yàn)，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以得到扭轉(zhuǎn)頻率和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的計(jì)算值，因此驗(yàn)證了白車身的可靠性。
4 材料的應(yīng)用
隨著車身輕量化的發(fā)展，高強(qiáng)度鋼在白車身上大量的應(yīng)用。高強(qiáng)度鋼在零部件的應(yīng)用中，會(huì)出現(xiàn)斷裂和回彈的問題，鋼鐵企業(yè)和汽車廠要對(duì)這個(gè)問題合作研究。為了解決先進(jìn)鋼的回彈問題，在沖壓時(shí)采用優(yōu)化的工藝進(jìn)行加工，會(huì)加劇板材和模具的磨損，工件的表面損傷比以前更加突出，因此加重了模具的磨損，由于經(jīng)常更換模具，增加了成本負(fù)擔(dān)。
鋁、鎂合金和碳纖維成本過高，因此在白車身上應(yīng)用很少。為了車身輕量化要進(jìn)行材料的研發(fā)工作，進(jìn)一步降低成本。在汽車使用中鋁、鎂合金零件損壞時(shí)更換的成本比較大，因此帶來了經(jīng)濟(jì)損失。
汽車輕量化設(shè)計(jì)是結(jié)合設(shè)計(jì)、加工和材料開發(fā)幾個(gè)環(huán)節(jié)的一種跨學(xué)科研究，要做到輕量化和成本的合理搭配，使材料發(fā)揮更大的作用。
5 結(jié)束語
乘用車的輕量化面臨著很大的安全問題，通過對(duì)很多撞車的事故進(jìn)行分析，車輛正面相撞導(dǎo)致駕駛員死亡和汽車的質(zhì)量有很大的關(guān)系。通過研究發(fā)現(xiàn)，輕量化會(huì)降低車輛的安全，應(yīng)用高屈服度的低碳鋼可以提高車輛的安全系數(shù)。
整車的重量下降耗油量也會(huì)下降，尾氣排放也會(huì)減少，工信部發(fā)布的新能源汽車技術(shù)指導(dǎo)中，輕量化是一個(gè)主要的技術(shù)，通過加強(qiáng)新型材料的應(yīng)用，可以有效降低車輛的質(zhì)量，但是有些材料成本過高，因此要研發(fā)低成本的新型材料。
通過結(jié)構(gòu)輕量化和材料輕量化的運(yùn)用，處理好輕量化和安全性之間的矛盾，提出了輕量化的車身設(shè)計(jì)流程，在汽車的生產(chǎn)中進(jìn)行了應(yīng)用。文章通過實(shí)踐證明驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的理念有很好的可操作性，可以改善車輛的結(jié)構(gòu)，減輕質(zhì)量。
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