高明

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200000)

基于單位質(zhì)量靈敏度的重卡駕駛室白車身輕量化研究

高明

(同濟(jì)大學(xué)汽車學(xué)院，上海 200000)

建立某重卡駕駛室白車身的輕量化有限元模型，并對(duì)其進(jìn)行了有效性驗(yàn)證。選取車身上有優(yōu)化空間的鈑金件作為設(shè)計(jì)區(qū)域，以設(shè)計(jì)區(qū)域質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)。在保證車身剛度和模態(tài)性能指標(biāo)的前提下，提出一種能量化性能指標(biāo)對(duì)輕量化程度的單位質(zhì)量靈敏度方法，用此方法優(yōu)化鈑金件的厚度大小并進(jìn)行修正。最后，通過(guò)模態(tài)、剛度以及碰撞安全等性能指標(biāo)驗(yàn)證優(yōu)化后的數(shù)據(jù)。結(jié)果表明：輕量化后的駕駛室總質(zhì)量降低了14.1 kg，所考察的性能均有所提高，滿足設(shè)計(jì)要求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)駕駛室白車身質(zhì)量的優(yōu)化，減少制造成本。

重型卡車；白車身；輕量化；單位質(zhì)量靈敏度；車身性能

0 引言

隨著汽車工業(yè)進(jìn)入3.0時(shí)代，汽車廠家的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，用較少的成本產(chǎn)生較大的收益逐漸成為生產(chǎn)廠家追求的目標(biāo)。此外，能源和環(huán)境問(wèn)題日益突出，節(jié)約資源、減少環(huán)境污染成為世界汽車工業(yè)界亟待解決的問(wèn)題。而這些問(wèn)題都與汽車輕量化有著密切的關(guān)系。目前，汽車輕量化設(shè)計(jì)主要途徑為選用輕量化材料或改進(jìn)零部件結(jié)構(gòu)和工藝、設(shè)計(jì)更為合理的車身結(jié)構(gòu)[1-2]。研究表明：汽車每減重10%，燃油消耗量降低6%～8%，排放降低5%～6%[3-5]。因此，如何保證車身相關(guān)性能的前提下，對(duì)汽車進(jìn)行輕量化研究很有必要。

作者利用有限元分析前處理軟件HyperMesh及其優(yōu)化模塊OptiStruct，基于單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度、單位質(zhì)量模態(tài)靈敏度對(duì)駕駛室車身結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行了尺寸優(yōu)化分析，并對(duì)優(yōu)化后的車身進(jìn)行模態(tài)、剛度以及相關(guān)碰撞分析，驗(yàn)證其性能指標(biāo)是否滿足設(shè)計(jì)要求。

1 重卡駕駛室白車身建模及其驗(yàn)證

1.1 駕駛室白車身建模

駕駛室白車身主要由沖壓鈑金件焊接及粘膠組成，通過(guò)HyperMesh軟件建立駕駛室白車身有限元模型。根據(jù)企業(yè)整車FEA模型建模規(guī)范，設(shè)定整體單元尺寸為10 mm，采用mixed混合單元，生成四邊形和少量三角形單元，完成后的整個(gè)車身被劃分為748 284個(gè)節(jié)點(diǎn)，807 018個(gè)單元，總質(zhì)量342.4 kg。有限元模型如圖1所示，材料屬性如表1所示。

圖1 駕駛室車身有限元模型

材料牌號(hào)密度/(t·mm-3)泊松比彈性模量/MPa鈑金件、焊點(diǎn)7.9×10-90.29210000結(jié)構(gòu)膠1.2×10-90.299塑料件3.8×10-100.45200填充物2.4×10-100.46500

1.2 有限元模型驗(yàn)證

為了驗(yàn)證有限元模型建模的可靠性和準(zhǔn)確性，對(duì)駕駛室進(jìn)行模態(tài)試驗(yàn)，在駕駛室白車身底部4個(gè)角落各焊接一段由矩形管材加工而成的支架，通過(guò)3組橡皮繩將整個(gè)駕駛室三點(diǎn)式懸掛起來(lái)，如圖2、3所示。此次試驗(yàn)測(cè)量駕駛室結(jié)構(gòu)在10～70 Hz頻段內(nèi)的固有頻率，布置了48個(gè)測(cè)量點(diǎn)，各焊接總成的測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)分別為：前圍6個(gè)測(cè)點(diǎn)、左右側(cè)圍共16個(gè)測(cè)點(diǎn)、地板9個(gè)測(cè)點(diǎn)、頂蓋8個(gè)測(cè)點(diǎn)、后圍9個(gè)測(cè)點(diǎn)，駕駛室整體測(cè)點(diǎn)布置如圖4所示。

圖2 駕駛室前懸掛點(diǎn)

圖3 駕駛室后懸掛點(diǎn)

圖4 整體測(cè)點(diǎn)布置模型

對(duì)車身進(jìn)行有限元模態(tài)分析，將有限元模態(tài)頻率與試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率進(jìn)行對(duì)比，如圖5所示，有限元模態(tài)與試驗(yàn)?zāi)B(tài)結(jié)果非常接近。由于低階模態(tài)對(duì)結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)特性影響最大，選取前6階模態(tài)，如表2所示，模態(tài)頻率最大誤差2.80%，小于3%[6]，兩者的振型接近，表明所建立的駕駛室白車身模型是可靠的、準(zhǔn)確的，可用于后續(xù)駕駛室白車身輕量化分析。

圖5 試驗(yàn)?zāi)B(tài)與有限元模態(tài)對(duì)比

模態(tài)階數(shù)試驗(yàn)?zāi)B(tài)/Hz有限元模態(tài)/Hz振型描述誤差/%116.37516.057一階扭轉(zhuǎn)(X軸)-1.94226.39227.123喘振2.77328.36429.158喘振2.80430.52931.324側(cè)圍橫向局部2.60533.80233.405一階扭轉(zhuǎn)(Y軸)-1.17643.29244.200頂蓋、地板局部2.10

2 駕駛室白車身輕量化分析

2.1 定義優(yōu)化模型

(1)設(shè)計(jì)變量

選取車身上要進(jìn)行優(yōu)化的鈑金件作為設(shè)計(jì)區(qū)域，同時(shí)為保證左右對(duì)稱件厚度變化相同，把對(duì)稱件視為一個(gè)變量(存放在一個(gè)零件號(hào))，選出54個(gè)車身零件板厚作為輕量化設(shè)計(jì)變量。由于設(shè)計(jì)變量較多，變化范圍較廣，設(shè)計(jì)變量上下限采用百分比，為各零件原始厚度的±20%。建立設(shè)計(jì)變量數(shù)學(xué)模型：

X=(t1,t2,…,t54)

其中：ti為鈑金件厚度變量。

(2)約束條件

車身彎曲剛度約束工況：約束駕駛室后懸安裝點(diǎn)X、Y、Z向平動(dòng)自由度(dof123)，約束前懸安裝點(diǎn)約束Y、Z向平動(dòng)自由度(dof23)；駕駛員、乘員座椅骨架中心分別施加Z向1 500 N的作用力，如圖6所示。

彎曲剛度計(jì)算公式：

其中：F1和F2為力載荷；Δ1和Δ2為力加載點(diǎn)變形位移。

車身扭轉(zhuǎn)剛度約束工況：約束駕駛室后懸安裝點(diǎn)約束X、Y、Z向平動(dòng)自由度(dof123)，約束前懸安裝點(diǎn)中間約束Z向平動(dòng)自由度(dof3)，在前懸安裝點(diǎn)分別施加Z向1 500 N的反向作用力，如圖7所示。

扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式：

其中：F為力載荷；L為支撐點(diǎn)左右中心間距；Δ1和Δ2為力加載點(diǎn)變形位移。

車身模態(tài)工況：自由模態(tài)，無(wú)載荷無(wú)約束，如圖8所示。

圖6 彎曲工況 圖7 扭轉(zhuǎn)工況 圖8 模態(tài)工況

駕駛室初始狀態(tài)下彎曲工況Z向位移0.429 mm，扭轉(zhuǎn)位移為0.572 6 mm，一階模態(tài)頻率為16.057 Hz，為保證彎曲扭轉(zhuǎn)剛度大于初始剛度，要求優(yōu)化后的駕駛室彎曲位移不大于0.429 mm，扭轉(zhuǎn)位移不大于0.572 6 mm，一階模態(tài)頻率不低于16.057 Hz。建立約束條件的數(shù)學(xué)模型：

(3)目標(biāo)函數(shù)

其中：W(X)為設(shè)計(jì)區(qū)域鈑金件總質(zhì)量；Wi(X)為鈑金件質(zhì)量。

將前面確定的車身優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件提交給求解器分析，經(jīng)過(guò)迭代后得到優(yōu)化過(guò)程中質(zhì)量、彎曲位移、扭轉(zhuǎn)位移的變化曲線如圖9—11所示：彎曲和扭轉(zhuǎn)位移前9次迭代震蕩劇烈，后續(xù)逐漸趨向穩(wěn)定；前9次質(zhì)量迭代下降劇烈，達(dá)8.7%，后面迭代其質(zhì)量趨向于穩(wěn)定。根據(jù)優(yōu)化計(jì)算厚度，車身減重36.9 kg，優(yōu)化后車身總體質(zhì)量減輕了10.8%。

圖9 質(zhì)量迭代過(guò)程 圖10 彎曲位移迭代過(guò)程 圖11 扭轉(zhuǎn)位移迭代過(guò)程

2.2 單位質(zhì)量靈敏度分析

靈敏度分析在優(yōu)化設(shè)計(jì)中起著重要的作用[7-8]，通過(guò)靈敏度分析可以度量因設(shè)計(jì)變量或參數(shù)的改變而引起的結(jié)構(gòu)響應(yīng)值變化程度，以確定設(shè)計(jì)變化過(guò)程中對(duì)結(jié)構(gòu)響應(yīng)最敏感的部分，從而可以獲得最佳的設(shè)計(jì)參數(shù)。通過(guò)靈敏度分析，在減重過(guò)程中找到不同設(shè)計(jì)變量對(duì)車身剛度與模態(tài)頻率的敏感程度。但靈敏度不具有量化輕量化程度的作用，因此，作者建立單位質(zhì)量模態(tài)靈敏度和單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度，如圖12—13所示。單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度表示扭轉(zhuǎn)剛度性能到每個(gè)部件單位質(zhì)量上的值，將其作為輕量化的量化，單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度越大，單位質(zhì)量所承擔(dān)的扭轉(zhuǎn)剛度就越大。同理，根據(jù)單位質(zhì)量模態(tài)靈敏度，可以知道模態(tài)性能到每個(gè)部件單位質(zhì)量上的值。根據(jù)單位質(zhì)量靈敏度正負(fù)值，說(shuō)明鈑金件的厚度變化可能導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的增加或減小，圖中編號(hào)為2、13、14、16、18～22、26～28、39、40、44～46、48的變量的靈敏度較大。單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度都為正值，表明零部件的厚度減少都可以使車身剛度降低，但是不同零部件厚度的減小對(duì)剛度的靈敏度是不一樣的，12、27、52的靈敏度較大。靈敏度大小反映了該結(jié)構(gòu)對(duì)整體性能貢獻(xiàn)情況，可以減小靈敏度為負(fù)和靈敏度較小的零部件厚度來(lái)實(shí)現(xiàn)車架輕量化，可以增加靈敏度為正的零部件厚度來(lái)保證車身性能，以保證車身在質(zhì)量和性能上達(dá)到最優(yōu)。

圖12 單位質(zhì)量模態(tài)靈敏度

圖13 單位質(zhì)量扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度

2.3 優(yōu)化結(jié)果與分析

由于分析時(shí)考慮工況較少，許多對(duì)局部要求較高的部位，可能靈敏度較低，但考慮局部連接安裝及結(jié)構(gòu)耐久性，故不作減重。綜合考慮分析結(jié)果及實(shí)際結(jié)構(gòu)，對(duì)優(yōu)化計(jì)算厚度進(jìn)行修正，實(shí)際厚度變更零件共45個(gè)，減重14.1 kg，其他9個(gè)變量未改變厚度值，最終部分車身鈑金件厚度優(yōu)化的結(jié)果如表3所示。根據(jù)靈敏度結(jié)果，把車身設(shè)計(jì)區(qū)域劃分三類，分別為增厚區(qū)域、不變區(qū)域、減薄區(qū)域，如圖14—16所示。

表3 部分厚度優(yōu)化結(jié)果

圖14 增厚區(qū)域 圖15 不變區(qū)域 圖16 減薄區(qū)域

3 優(yōu)化性能分析

3.1 駕駛室剛度模態(tài)驗(yàn)證

駕駛室白車身的剛度和模態(tài)是衡量車身性能的主要指標(biāo)[9]。為了驗(yàn)證以上優(yōu)化結(jié)果是否有效以及車身性能能否達(dá)到預(yù)期的指標(biāo)，按優(yōu)化后的厚度參數(shù)修改車身鈑金件厚度，進(jìn)行模態(tài)剛度有限元分析。如圖17—19所示，優(yōu)化前后彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度均有所提高，而且彎曲剛度曲線平滑、扭轉(zhuǎn)剛度曲線基本呈線性，說(shuō)明車身結(jié)構(gòu)剛度設(shè)計(jì)均勻。

圖17 優(yōu)化前后彎曲曲線對(duì)比

圖18 優(yōu)化前后扭轉(zhuǎn)曲線對(duì)比

圖19 優(yōu)化前后扭轉(zhuǎn)模態(tài)對(duì)比

在彎曲工況下，優(yōu)化后車身加載點(diǎn)Z向位移為0.295 mm。彎曲剛度為10 169 N/mm，優(yōu)化后彎曲剛度提高了2.36%，滿足彎曲剛度要求。在扭轉(zhuǎn)工況下，車身加載點(diǎn)扭轉(zhuǎn)角0.053 35°，扭轉(zhuǎn)剛度為34 583 N·m/(°)，優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)剛度提高2.4%，滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。如圖19所示：優(yōu)化后車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率為16.8 Hz，較初始扭轉(zhuǎn)模態(tài)有所提高，提高了0.7 Hz，表4是優(yōu)化前后剛度模態(tài)結(jié)果對(duì)比。通過(guò)優(yōu)化鈑金件厚度，能使車身模態(tài)剛度比初始值有所提高，車身質(zhì)量得到優(yōu)化。

表4 優(yōu)化前后剛度模態(tài)對(duì)比

3.2 駕駛室安全性驗(yàn)證

車輛碰撞安全性能對(duì)汽車車身輕量化問(wèn)題非常重要[10]。因此，作者對(duì)優(yōu)化后的駕駛室白車身進(jìn)行后圍擠壓及頂蓋壓潰工況仿真分析，以評(píng)價(jià)駕駛室車身的被動(dòng)安全性。根據(jù)ECER29-02法規(guī)要求建立邊界條件及評(píng)價(jià)標(biāo)準(zhǔn)。如圖20、21所示，經(jīng)分析駕駛室后圍擠壓30 mm，擠壓力已經(jīng)超過(guò)1.5×105N，換算成載質(zhì)量達(dá)到75 t，已經(jīng)遠(yuǎn)超滿載質(zhì)量噸位數(shù)。但生存空間還很大，繼續(xù)擠壓，接觸力還會(huì)上升，完全可以滿足法規(guī)要求。經(jīng)分析駕駛室壓潰180 mm左右，壓潰反力達(dá)到9.5×104N。前200 mm最大峰值力達(dá)到99 627 N，產(chǎn)生200 mm位移過(guò)程中平均接觸反力達(dá)到69 294 N，整體表現(xiàn)良好。同時(shí)初步分析變形后假人生存空間完全能夠滿足ECE R29-02要求。

圖20 優(yōu)化后后圍擠壓曲線

圖21 優(yōu)化后頂蓋壓潰力曲線

4 結(jié)論

(1)優(yōu)化后的駕駛室模態(tài)、剛度有所提高，碰撞安全性滿足法規(guī)要求。車身總質(zhì)量降低14.1 kg，實(shí)現(xiàn)了白車身的輕量化設(shè)計(jì)。

(2)靈敏度大小反映了該結(jié)構(gòu)對(duì)整體性能貢獻(xiàn)情況，而單位質(zhì)量靈敏度把敏感程度量化到每個(gè)部件單位質(zhì)量上，提供了切實(shí)可行的定量依據(jù)，更能找到最佳優(yōu)化零件及優(yōu)化厚度，避免了設(shè)計(jì)的盲目性。

(3)單位質(zhì)量靈敏度方法在汽車輕量化過(guò)程中是可行的，對(duì)汽車輕量化設(shè)計(jì)具有較大的實(shí)用價(jià)值。

[1]崔新濤.多材料結(jié)構(gòu)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法研究[D].天津:天津大學(xué),2007:4-7.

[2]龍江啟,蘭鳳崇,陳吉清.車身輕量化與鋼鋁一體化結(jié)構(gòu)新技術(shù)的研究進(jìn)展[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2008,44(6):28-35. LONG J Q,LAN F C,CHEN J Q.New Technology of Lightweight and Steel-aluminum Hybrid Structure Car Body[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering,2008,44(6):28-35.

[3]BENEDYK J C.Light Metals in Automotive Applications[J].Light Metal Age,2000,10(1):34-35.

[4]張勇,李光耀,孫光永,等.多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化在整車輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)機(jī)械工程,2008,19(7):877-881. ZHANG Y,LI G Y,SUN G Y,et al.Application Research on Multidisciplinary Design Optimization of the Full Vehicle Lightweight[J].China Mechanical Engineering,2008,19(7):877-881.

[5]田浩彬,林建平,劉瑞同,等.汽車車身輕量化及其相關(guān)成形技術(shù)綜述[J].汽車工程,2005,27(3):381-384. TIAN H B,LIN J P,LIU R T,et al.A Review on Ultralight Auto Body and Related Forming Technologies[J].Automotive Engineering,2005,27(3):381-384.

[6]李文,李猛,金永磊,等.轎車白車身試驗(yàn)?zāi)B(tài)與計(jì)算模態(tài)相關(guān)性分析[J].汽車技術(shù),2011(6):34-38. LI W,LI M,JIN Y L,et al.Correlation Study of Computing Modal and Testing Modal of Car BIW[J].Automotive Technology,2011(6):34-38.

[7]孫營(yíng),王澤斌.靈敏度方法在汽車設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].湖北汽車工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào),1999,13(4):67-70. SUN Y,WANG Z B.Application of Sensitivity Methods to Designing Vehicle Dynamic System[J].Journal of Hubei University of Automotive Technology,1999,13(4):67-70.

[8]王紅霞,黃金枝.靈敏度分析在汽車車架模型修改設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J].武漢汽車工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2000,22(1):14-17. WANG H X,HUANG J Z.Analysis of Sensitivities Model Modification Design in Automotive Frame[J].Journal of Wuhan Automotive Polytechnic University,2000,22(1):14 -17.

[9]張萬(wàn)才,姜葉潔,李文月.基于單位質(zhì)量剛度的白車身輕量化研究[J].山東理工大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2014,28(4):41-47. ZHANG W C,JIANG Y J,LI W Y.The Study of BIW Lightweight Base on Unit Mass Stiffness[J].Journal of Shandong University of Technology(Natural Science Edition),2014,28(4):41-47.

[10]龍江啟,袁章平,符興鋒,等.基于正面碰撞安全性的增程式純電動(dòng)汽車車身輕量化研究[J].汽車工程,2015,37(4):466-471. LONG J Q,YUAN Z P,FU X F,et al.A Research on the Body Lightweighting of an Extended-range Electric Vehicle Based on Frontal Crash Safety[J].Automotive Engineering,2015,37(4):466-471.

ResearchonLightweightofHeavyTruckCabBasedonSensitivityofUnitMass

GAO Ming

(School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 200000,China)

A finite element model of heavy truck cab was built for lightweight, and it was proved to be effective by test. The sheet metal parts of the heavy truck body with relatively optimal thickness were chosen as design area, the minimum mass of design area as optimization objectives. The sensitivity of unit mass which could quantize the degree of lightweight was proposed. Optimizing on the thickness of the sheet metal parts was meeting the requirements of stiffness and modal frequencies by this method, then the thickness sizes were fixed with the actual structure. Finally, the optimized data were verified through the modal, stiffness and collision safety performance indicators. The result shows that the total mass of the body is lightened 14.1 kg, and the body performance is improved and meets the design requirements after lightweight. The optimization of the cab body mass is completed, and manufacturing cost is reduced.

Heavy truck; Body in white; Lightweight; Sensitivity of unit mass; Body performance

TP391

A

1674-1986(2017)09-008-06

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.09.002

2017-06-02

高明(1972—)，男，在職碩士研究生,專業(yè)方向?yàn)檐囕v工程。E-mail：gmjh2223@126.com。