摘 要：平臺(tái)化開發(fā)是汽車行業(yè)快速推出新車型的重要手段。在平臺(tái)化車型開發(fā)的過程中，汽車的NVH性能以及汽車輕量化是重要的性能指標(biāo)。本文提出了基于NVH性能的平臺(tái)化車身輕量化設(shè)計(jì)方法，主要是通過對(duì)平臺(tái)化的通用零部件進(jìn)行篩選，同時(shí)在通用零部件中篩選出關(guān)鍵通用零部件，以零部件的厚度為自變量，以車身的剛度以及模態(tài)為約束目標(biāo)，以車身質(zhì)量為優(yōu)化目標(biāo)，得到優(yōu)化后的通用零部件的最優(yōu)組合，并進(jìn)行驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)了白車身的剛度與模態(tài)滿足開發(fā)要求，平臺(tái)化車身達(dá)到輕量化的目的。

關(guān)鍵詞：平臺(tái)化車身 NVH 輕量化 關(guān)鍵通用零部件

1 緒論

隨著汽車行業(yè)的發(fā)展，為了更加快速地推出新的車型，形成消費(fèi)群體的覆蓋，各個(gè)車企在不斷地進(jìn)行開發(fā)策略的探索，力求可以有效地縮短開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，其中平臺(tái)化開發(fā)的理念成為車企的主要手段之一。平臺(tái)化開發(fā)需要各車企結(jié)合本車企的自身特點(diǎn)，包括現(xiàn)有的設(shè)計(jì)開發(fā)流程、生產(chǎn)制造等特點(diǎn)，從而形成適合本車企的平臺(tái)化設(shè)計(jì)開發(fā)流程，例如大眾汽車以動(dòng)力總成的位置不同而采用的模塊化平臺(tái)設(shè)計(jì)方法（MQB、MLB、MHB、MQB），雷諾以及日產(chǎn)以功能分布為設(shè)計(jì)出發(fā)點(diǎn)的CMF模塊化設(shè)計(jì)，本田汽車以下車體的分布為基礎(chǔ)的模塊化設(shè)計(jì)，以及目前國內(nèi)汽車企業(yè)中江淮汽車的和悅平臺(tái)，奇瑞汽車的MIX平臺(tái)，吉利汽車的MBA平臺(tái)架構(gòu)等平臺(tái)化開發(fā)策略。雖然各車企有著不同的平臺(tái)化開發(fā)策略，但是所追求的目標(biāo)基本是一致的，主要為一方面保證零部件的通用率，另一方面是需要保證汽車的性能要求，其中NVH性能以及輕量化目標(biāo)是其中的重要目標(biāo)。

2 汽車輕量化設(shè)計(jì)開發(fā)現(xiàn)狀

汽車的輕量化設(shè)計(jì)一直受到許多學(xué)者的研究，其中崔新濤對(duì)多材料結(jié)構(gòu)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行了研究與闡述[1]；高大威等人通過對(duì)動(dòng)力電池包進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了純電動(dòng)車的輕量化設(shè)計(jì)[2]；丁明德等從性能與成本角度出發(fā)，在某純電動(dòng)汽車上運(yùn)用復(fù)合材料，并進(jìn)行了相關(guān)的CAE分析，實(shí)現(xiàn)了機(jī)艙支架的輕量化設(shè)計(jì)[3]；謝嘉悅等基于隱式參數(shù)化方法提出了電動(dòng)汽車全參數(shù)化車身的平臺(tái)化與模塊化的設(shè)計(jì)開發(fā)建模策略，其中重點(diǎn)探究了輪距、軸距、車高、前段長度以及后端長度變化對(duì)汽車剛度與模態(tài)性能的影響，為實(shí)現(xiàn)性能驅(qū)動(dòng)的電動(dòng)汽車設(shè)計(jì)提供了參考[4]。同時(shí)為了推動(dòng)綠色能源與可持續(xù)發(fā)展，提升市場競爭力，汽車輕量化設(shè)計(jì)越來越受到車企的重視。車企通常會(huì)采用多種方式進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，目前主要有進(jìn)行采用高性能材料、結(jié)構(gòu)優(yōu)化等方式方法，在汽車平臺(tái)化設(shè)計(jì)的開發(fā)的過程中，汽車輕量化設(shè)計(jì)也至關(guān)重要。

3 基礎(chǔ)理論

3.1 模態(tài)理論

模態(tài)是結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的固有振動(dòng)特性。在汽車的性能設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，對(duì)車身進(jìn)行模態(tài)分析，并使車身模態(tài)進(jìn)行合理分布，可以有效地提高汽車的NVH性能。對(duì)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，振動(dòng)微分方程為：

式中：為質(zhì)量矩陣；為阻尼矩陣；為剛度矩陣；為車身系統(tǒng)的加速度向量，為車身系統(tǒng)的速度矩陣；為車身系統(tǒng)的位移向量，為激勵(lì)。

對(duì)于無約束的自由狀態(tài)下的車身系統(tǒng)，進(jìn)行模態(tài)分析時(shí)，無需考慮外部激勵(lì)與阻尼。

假設(shè)車身系統(tǒng)做簡諧運(yùn)動(dòng)，位移可表示為：

式中：為振幅；為振動(dòng)對(duì)應(yīng)的圓頻率；為時(shí)間，為初始相位角。

將式（2）代入式（1）可得如下方程：

令式（3）的系數(shù)行列式為0，即：

其非零解中，即為固有頻率，代入式（3）所得特征向量即為對(duì)應(yīng)的固有振型。

3.2 多目標(biāo)優(yōu)化理論

多目標(biāo)優(yōu)化方法可以在保證約束目標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)優(yōu)化，本文中是以剛度與模態(tài)為約束目標(biāo)，白車身質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，其中關(guān)鍵通用零部件厚度為變量，其數(shù)學(xué)模型為：

其中為白車身質(zhì)量，為白車身的剛度，包括彎曲剛度與扭轉(zhuǎn)剛度；為白車身的模態(tài)，包括彎曲模態(tài)與扭轉(zhuǎn)模態(tài)，為關(guān)鍵通用零部件的厚度。

4 算例

4.1 有限元模型的建立

有限元分析技術(shù)可以對(duì)汽車的各種性能進(jìn)行仿真分析，為了保證分析的精度，在平臺(tái)化車身的設(shè)計(jì)開發(fā)過程中，有限元模型的建立是進(jìn)行其他分析的基礎(chǔ)。其中車身大部分由鈑金件組成，大部分采用殼單元進(jìn)行劃分，網(wǎng)格主要采用四邊形單元進(jìn)行劃分，其中會(huì)有少量三角形單元，本文所建立的白車身有限元模型材料參數(shù)如下表所示。

4.2 關(guān)鍵通用零部件的篩選

汽車平臺(tái)化設(shè)計(jì)的過程中，需要對(duì)汽車的通用零部件進(jìn)行設(shè)計(jì)，這樣可以有效地節(jié)省制造成本，但在平臺(tái)化設(shè)計(jì)開發(fā)的過程中，通用零部件的設(shè)計(jì)需要滿足汽車性能需要。為了更快捷地進(jìn)行平臺(tái)化車型的通用零部件設(shè)計(jì)，需要對(duì)通用零部件中影響汽車相關(guān)性能的零部件進(jìn)行篩選，從而更加快捷地進(jìn)行后續(xù)的設(shè)計(jì)開發(fā)，其中常用的方法包括經(jīng)驗(yàn)法和靈敏度分析法等。本文中，對(duì)某平臺(tái)車型的通用零部件進(jìn)行了篩選，在通用零部件中主要是車身框架的零部件為影響白車身剛度與模態(tài)的關(guān)鍵通用零部件，通過工程經(jīng)驗(yàn)以及相關(guān)分析，影響白車身NVH性能的關(guān)鍵通用零部件主要為車身的橫梁與縱梁、門檻梁以及關(guān)鍵的接頭部分。

同時(shí)為了進(jìn)行優(yōu)化的過程中減少自變量，將對(duì)稱的關(guān)鍵通用零部件厚度設(shè)置為同一變量。

4.3 平臺(tái)化車身的剛度與模態(tài)分析

汽車NVH性能中，汽車的剛度是重要的性能指標(biāo)之一，汽車的剛度會(huì)影響汽車NVH性能，也包括汽車的氣密性等性能。汽車在行駛的過程中，若汽車剛度性能不達(dá)標(biāo)，會(huì)導(dǎo)致汽車動(dòng)態(tài)氣密性較差，從而車內(nèi)噪聲會(huì)增加。在汽車開發(fā)的過程中，主要是通過控制汽車的白車身剛度作為汽車的剛度指標(biāo)，包括汽車的白車身彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度。另外模態(tài)也是汽車NVH性能的重要指標(biāo)之一，通過控制汽車模態(tài)的分布，可以有效地降低汽車的車內(nèi)噪聲。通過對(duì)有限元模型施加合理的約束與加載條件以及其他的工況設(shè)置，可以有效地仿真計(jì)算出平臺(tái)化白車身的初始剛度與模態(tài)。

4.4 平臺(tái)化車身的輕量化設(shè)計(jì)

Isight集成軟件能完成多目標(biāo)優(yōu)化，也可以集成不同軟件，實(shí)現(xiàn)多軟件協(xié)同，完成多目標(biāo)優(yōu)化。本文通過Isight軟件進(jìn)行后續(xù)的多目標(biāo)優(yōu)化，其中以關(guān)鍵通用零部件的厚度為自變量，白車身的扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度以及模態(tài)為約束目標(biāo)，以白車身的質(zhì)量作為目標(biāo)，進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化。為了有效地節(jié)省計(jì)算的時(shí)間，需要提前進(jìn)行對(duì)零部件的厚度進(jìn)行自由組合計(jì)算出初始的值，設(shè)計(jì)出擬合的響應(yīng)面，運(yùn)用響應(yīng)面的方式進(jìn)行優(yōu)化分析，可以有效地節(jié)省設(shè)計(jì)開發(fā)的時(shí)間周期。

將優(yōu)化結(jié)果在有限元模型中進(jìn)行驗(yàn)證，對(duì)優(yōu)化后的平臺(tái)化車身的剛度、模態(tài)進(jìn)行分析。

優(yōu)化后平臺(tái)化車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度以及模態(tài)等NVH性能依然滿足性能目標(biāo)，輕量化減重達(dá)到8.7kg，輕量化效果顯著。

5 結(jié)論

汽車輕量化與NVH性能在汽車的開發(fā)過程具有重要意義，本文對(duì)平臺(tái)化車身的關(guān)鍵通用零部件進(jìn)行篩選，以關(guān)鍵通用零部件厚度為自變量，白車身靜剛度與模態(tài)為約束目標(biāo)，白車身質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行了優(yōu)化分析，得到了相應(yīng)的關(guān)鍵零部件厚度的優(yōu)化結(jié)果，最終實(shí)現(xiàn)了平臺(tái)化車身滿足剛度與模態(tài)性能要求的同時(shí)，汽車白車身質(zhì)量減少了8.7kg。該方法對(duì)平臺(tái)化車身的設(shè)計(jì)開發(fā)有一定的參考價(jià)值。

基金項(xiàng)目：重慶旅游職業(yè)學(xué)院2023年度科研課題基于NVH性能的新能源汽車與傳統(tǒng)汽車的平臺(tái)化車身開發(fā)研究（xj2312）。

參考文獻(xiàn)：

[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.

[2]高大威，付靜江，王聰昌，等.純電動(dòng)車動(dòng)力電池包結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)[J].公路交通科技，2023，40（06）：203-210.

[3]丁明德，張鵬，劉波.純電動(dòng)汽車輕量化機(jī)艙支架總成優(yōu)化與驗(yàn)證[J].重慶交通大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版），2021，40（11）：128-134.

[4]謝嘉悅，陳有松，沈國民.電動(dòng)汽車全參數(shù)化車身平臺(tái)化與模塊化建模及性能帶寬研究[J].汽車工程學(xué)報(bào)，2023，13（01）：94-103.