淦堅(jiān)，單長(zhǎng)洲，王香廷（安徽江淮汽車(chē)股份公司技術(shù)中心 車(chē)身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

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某重卡白車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)研究

淦堅(jiān)，單長(zhǎng)洲，王香廷
（安徽江淮汽車(chē)股份公司技術(shù)中心 車(chē)身設(shè)計(jì)研究院，安徽 合肥 230601）

汽車(chē)輕量化是汽車(chē)企業(yè)發(fā)展的主要方向，也是一個(gè)汽車(chē)廠(chǎng)商是否擁有先進(jìn)技術(shù)的主要標(biāo)志。汽車(chē)的輕量化，就是在保證汽車(chē)的強(qiáng)度和安全性能的前提下，盡可能地降低汽車(chē)的整備質(zhì)量，從而提高汽車(chē)的動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。文章主要介紹了某重卡白車(chē)身的輕量化設(shè)計(jì)方案，結(jié)合CAE分析，對(duì)相關(guān)影響強(qiáng)度、剛度、模態(tài)的零件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而達(dá)到實(shí)現(xiàn)輕量化的同時(shí)又不影響整體性能的效果。

輕量化；CAE分析；有限元；結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.08.018

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

1、研究意義

據(jù)歐洲鋁協(xié)的材料表明，汽車(chē)重量每降低100公斤，每百公里可節(jié)約0.6升燃油。若汽車(chē)整車(chē)重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%，因此，車(chē)身變輕對(duì)于整車(chē)的燃油經(jīng)濟(jì)性、車(chē)輛控制穩(wěn)定性、碰撞安全性都大有裨益。重型商用車(chē)輕量化的更直觀意義在于提高運(yùn)輸效率，從而達(dá)到提高燃油利用率、減少資源消耗的戰(zhàn)略意義。

2、輕量化方案選定

某重卡通過(guò)對(duì)標(biāo)桿車(chē)的拆解，鈑金材質(zhì)的檢測(cè)、厚度的測(cè)量，以及一系列結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，最終確定了一套完整的白車(chē)身結(jié)構(gòu)方案，并制作了白車(chē)身數(shù)模。但是通過(guò)對(duì)比分析，白車(chē)身的重量高于標(biāo)桿車(chē)約19kg。標(biāo)桿車(chē)是一款國(guó)際最先進(jìn)的重卡之一，其上應(yīng)用了很多國(guó)內(nèi)目前還未普及的工藝、材質(zhì)和結(jié)構(gòu)等，這是重量有偏差的直接因素。經(jīng)過(guò)與國(guó)際先進(jìn)設(shè)計(jì)公司的合作，已及專(zhuān)家的評(píng)審建議，最終從兩個(gè)方向進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)：鈑金料厚減薄、材質(zhì)升級(jí)，增加減重孔。

2.1鈑金料厚減薄、材質(zhì)升級(jí)

標(biāo)桿車(chē)應(yīng)用了很多國(guó)內(nèi)企標(biāo)尚未普及的料厚，在前期設(shè)計(jì)的過(guò)程中，把很多冷門(mén)的零件料厚提升了一個(gè)等級(jí)，方案在實(shí)施時(shí)可以從這些零件入手。方案選定了47個(gè)零部件進(jìn)行料厚減薄、材質(zhì)升級(jí)，如下表1：

表1　鈑金料厚減薄、材質(zhì)升級(jí)統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)這47個(gè)零件的料厚減薄，可實(shí)現(xiàn)減重21.09kg。

2.2增加減重孔

增加減重孔選擇的零部件主要是分布在不影響外觀，對(duì)整體性能的影響相對(duì)較小的區(qū)域，其上型面未與別的件有搭接關(guān)系，增加減重孔的同時(shí)可以進(jìn)一步提高涂裝工藝電泳的效果。方案選定了8個(gè)件增加減重孔，如下表2：

表2　增加減重孔統(tǒng)計(jì)表

通過(guò)對(duì)這8個(gè)零件增加減重孔，可實(shí)現(xiàn)減重0.192kg。

綜上，減重方案共涉及55個(gè)零部件的變動(dòng)，可以實(shí)現(xiàn)減重21.282kg，相比標(biāo)桿車(chē)重量小約3kg，達(dá)到預(yù)期輕量化的效果。

3、CAE分析

由于上述減重方案設(shè)計(jì)變動(dòng)的件較多，其中部分大鈑金件厚度也有所減薄，對(duì)整體的性能肯定存在一定影響。通過(guò)CAE分析，主要是從白車(chē)身的剛度、模態(tài)和強(qiáng)度三方面去分析，對(duì)比減重前的分析數(shù)據(jù)，對(duì)減重方案進(jìn)行更加完善的優(yōu)化設(shè)計(jì)。

3.1白車(chē)身模態(tài)分析

白車(chē)身進(jìn)行模態(tài)分析，目的是為了了解白車(chē)身的模態(tài)頻率及振型。根據(jù)白車(chē)身數(shù)模建立有限元分析模型，如圖1所示。鈑金件采用SHELL單元，點(diǎn)焊采用ACM單元模擬，分析使用的軟件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表3　白車(chē)身模態(tài)分析結(jié)果對(duì)比

由分析結(jié)果可知，白車(chē)身減重后數(shù)模一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為21.11Hz，一階彎曲模態(tài)頻率為47.13Hz，均高于目標(biāo)值，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

3.2白車(chē)身剛度分析

白車(chē)身剛度是影響車(chē)身性能的一個(gè)重要參數(shù)，直接體現(xiàn)車(chē)輛承受載荷沖擊的能力，白車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度越高，對(duì)NVH相關(guān)性能越有利。本次分析主要是對(duì)減重后數(shù)模進(jìn)行剛度分析，目的是了解其白車(chē)身的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度。根據(jù)白車(chē)身減重后數(shù)模建立有限元分析模型，如圖4所示。鈑金件采用SHELL單元，點(diǎn)焊采用ACM單元模擬，分析使用的軟件有HYPERWORKS、NASTRAN。

表4　白車(chē)身剛度分析結(jié)果對(duì)比

由分析結(jié)果可知，白車(chē)身一階彎曲剛度已達(dá)標(biāo)，一階扭轉(zhuǎn)比未減重狀態(tài)減小 4.7%（64783→61728），滿(mǎn)足前期預(yù)期目標(biāo)（-5%）。

3.3駕駛室強(qiáng)度分析

根據(jù)駕駛室車(chē)架數(shù)模建立有限元分析模型，駕駛室總重量約1520kg、車(chē)架+標(biāo)配貨箱總重量約14470kg，評(píng)價(jià)考察駕駛室的強(qiáng)度。模型約束如圖7所示，工況及目標(biāo)如表5所示。

表5　工況及目標(biāo)信息表

不滿(mǎn)足目標(biāo)的零件如下圖8，白車(chē)身減重后模型在五個(gè)分析工況下，有2個(gè)關(guān)鍵部件最小安全系數(shù)小于目標(biāo)值，不滿(mǎn)足要求，如下表6所示。

表6　不合格部件詳細(xì)參數(shù)對(duì)比表

4、結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

從CAE分析結(jié)果來(lái)看， 白車(chē)身模態(tài)已達(dá)標(biāo)；一階彎曲剛度已達(dá)標(biāo)，一階扭轉(zhuǎn)比未減重狀態(tài)減小 4.7%（64783→61728），滿(mǎn)足前期預(yù)期目標(biāo)（-5%）；白車(chē)身強(qiáng)度有2個(gè)件未達(dá)標(biāo)，左部件5100701左地板出現(xiàn)應(yīng)力集中的主要原因?yàn)楹更c(diǎn)布置在特征變化的位置，5100801右地板應(yīng)力集中出現(xiàn)的區(qū)域?yàn)樾兔孑^為特殊區(qū)域，過(guò)渡面不圓滑，立面較抖。根據(jù)CAE分析結(jié)果和CAE分組建議，及各模塊對(duì)接評(píng)審確認(rèn)，確定了以下結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案：

5100701左地板應(yīng)力集中處焊點(diǎn)往 Y負(fù)方向移動(dòng)約20mm；5100801右地板應(yīng)力集中處型面進(jìn)行結(jié)構(gòu)更改，兩相交平面進(jìn)行圓滑過(guò)渡處理。如下圖9所示。

將優(yōu)化后的數(shù)模參照上述3.3駕駛室強(qiáng)度分析參數(shù)，重新建立模型，進(jìn)行新一輪的分析，分析結(jié)果如下表 7，兩件均已滿(mǎn)足要求。

表7　新一輪強(qiáng)度分析結(jié)果對(duì)比表

5、結(jié)論

零部件的輕量化是汽車(chē)輕量化的根本，而對(duì)于重型卡車(chē)來(lái)講，白車(chē)身的輕量化更是重中之重。通過(guò)對(duì)部分鈑金件的料厚和材質(zhì)進(jìn)行變動(dòng)，及增加減重孔，使白車(chē)身整體重量減低21.3kg，從而達(dá)到輕量化的效果。同時(shí)通過(guò)有限元分析模型的建立，從駕駛室的模態(tài)、剛度和強(qiáng)度三方面進(jìn)行充分的分析，模態(tài)、剛度均已達(dá)標(biāo)，強(qiáng)度分析兩個(gè)件不達(dá)標(biāo)，但是通過(guò)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化處理，也達(dá)到了預(yù)期的效果。

[1]許超,趙洪倫,劉凱杰.車(chē)體輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)策略及其實(shí)施 .北京：中國(guó)鐵道出版社,2013(4).

[2]郭海艷,凌靜,李月紅,靳貴濤.汽車(chē)頂蓋部件輕量化的研究 .汽車(chē)工藝與材料,2015(10).

[3]魏瑩.汽車(chē)輕量化.現(xiàn)代零部件,2008(4)：35-36.

[4]王芊.汽車(chē)輕量化是發(fā)展方向.科學(xué)時(shí)報(bào),2006(4).

[5]王滕寧,王建國(guó)，王可容.降低汽車(chē)重量的途徑.重型汽車(chē)，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

淦堅(jiān)（1990-），男，車(chē)體設(shè)計(jì)工程師，就職于安徽江淮汽車(chē)股份有限公司，從事汽車(chē)車(chē)體設(shè)計(jì)。