汽车零部件结构性能分析及关键部件轻量化设计

汽车零部件结构性能分析及关键部件轻量化设计
摘要：安全、节能、环保是当今汽车工业的三大主题，而汽车轻量化则是实现
这三大诉求的重要途径。

部件结构作为车身的重要组成部分，其重量占到车身钣
金件的比重达到20%左右，因此部件结构的轻量化对整车的轻量化具有重要意义。

关键词：汽车；零部件结构性能；关键部件；轻量化设计
现代化的汽车工业中，为了降低成本，提高竞争力，模块化设计和平台化生
产已经成为行业共识，前端框架的零件概念即由此产生。

部件结构将传统意义上
汽车头部的散热器框架集成化，形成一个相对独立的模块连接到白车身。

汽车制
造商因此解放出来，将各挂载组件的性能及尺寸控制交付给专业的零件供应商，
从而更好地聚焦于整车性能表现以及尺寸匹配。

这种设计生产方式客观上加速了
车型升级换代，使得汽车制造商在保持既有车型平台不变、多次复用的情况下，
只需变更不同的模块设计(包括部件结构)就可以实现车型造型或功能升级，大大
提升了迭代效率，同时节省了迭代成本。

1汽车零部件结构性能分析
汽车开闭件在汽车整体系统中极为重要，其主要是指汽车上能够开闭的零部件，包括前后车门、前舱盖、后背门、顶棚总成等，多采取铰接方式连接。

开闭
件对尺寸、公差要求较高，其制作工艺也极为复杂，安装时所需附件较多，且具
有灵活、坚固、密封等多种安装要求，这些要求若无法得到保证，汽车的品质与
性能都将受到严重影响。

前门作为汽车开闭件之一，其使用率极高，结构模态是
影响车辆频率的重要因素，车门结构模态必须错开路面载荷激振频率与车辆频率，防止因车轮的不平衡导致激振频率的紊乱。

车门上部基本由玻璃组成，较为薄弱，而钣金件是汽车结构支撑的主要材料，它在车门门框的上部分较少，且门框相较
车门其他部分更为薄弱，该处易导致门框外侧变形，引发车门密封性变差，使车
门无法抵御风雨穿透，严重时易出现门框剧烈振动，导致玻璃无法正常升降。

窗
沿处的前门内板腰线刚度在车门中的作用也是极为重要的，如若该处刚度不足，
对于玻璃升降的平顺性可造成影响，易引发不必要的事故。

2轻量化现状
作为汽车重要的结构件，部件结构的轻量化探索始终获得业内持续关注，迄
今已经走过了约20年的轻量化历程，各种主流轻量化技术(高强钢、镁铝合金、
全塑及复合材料)都已经应用于部件结构设计方案，形成了当今市场上多种轻量化
路径并存，既相互竞争又互为补充的局面。

随着各主流汽车制造商、核心零件供
应商以及材料供应商的共同努力与持续关注，部件结构的轻量化日益向精益化发展，本节将从设计指标、虚拟仿真和材料选择三个方面详细论述。

3关键部件轻量化设计案例
本文同时考虑了车门的刚度、强度和耐撞性问题，属于典型的所学科优化问题。

优化的思路是在复杂系统中集成各个学科的知识，基于有效的设计优化策略
及分布式计算来组织复杂系统的设计过程，发挥各个学科之间的协同效应获得最
优结果。

试验设计的目的是选取有限的样本点，所选样本点要尽可能地满足设计
空间的整体特性，本文采用均匀拉丁方试验设计，该设计方法将每个因素的设计
范围进行均匀划分，并将不同因子的水平进行随机组合，形成采样点矩阵。

该方
法只需要较少的样本点就能反映设计空间的整体特性，对于非线性问题，该方法
能够使得响应和因子的拟合更加精确真实。

本文选取了车门内板厚度T1(车门内
板采用整体式)，铰链加强板厚度T2（新增件），窗框上部厚度T3，窗框下部厚
度T4，车门防撞梁厚度T5，腰线加强板厚度T6，限位器安装板厚度T7，锁扣加
强板厚度T8共8个变量，根据不同牌号的汽车板的厚度可供规格，定义了8个
关键零部件的厚度变量取值范围，见表1。

表1关键零部件厚度变量定义
采用均匀拉丁方试验设计采样，共采集80组输入数据，输出响应值为车门
重量M（在前述结构优化的基础上进行统计），一阶模态频率Fq1，腰线最大变
形Dbl，窗框最大变形D1和D2，下垂最大变形D15和D62.5，风过载最大开角Awind，侧柱碰平均挤压力F152共9个响应。

评估近似函数的拟合精度，反映的
是响应面模型在样本点的拟合精度，该值越接近1表示响应面的拟合的精度越高。

另一方面，响应面模型在非拟合样本点的精度检测方法主要通过设计空间非初始
拟合检测样本点的相对平均绝对值误差和最大绝对值误差来评估，各响应的决定
系数、相对平均绝对值误差和最大绝对值误差水平，其中最大误差为侧面柱碰挤
压力的最大绝对值误差，达到16.19%，其余工况各响应的拟合达到了很高的精度，总体上可以满足工程精度的要求。

图1最终优化结果和基础设计的结构性能对比
采用自适应响应面法进行优化，经过28次迭代得到最终的优化结果，同时
根据钢板的厚度可供规格对厚度优化结果进行工程解读，得到设计变量的工程最
优解，并对工程最优解进行了仿真验证，其中初始值基于前述的结构优化，表示
优化的初始值，而不是基础车门的初始值。

可以看出，除风过载外，最优解的结
构性能比初始值低，但是仍满足性能要求，同时工程最优解也满足结构性能要求。

最终的优化结果和基础设计的结构性能对比如图1所示，最终优化结果指的是结
构优化联合厚度优化的最终优化方案的结果，基础设计指的是原车门的结果。

可
以看出，通过结构优化和厚度优化，各项结构性能的分布更加均衡，实现了比较
合理的设计。

通过优化，实现减重2.552kg，减重幅度达到14.6%，实现了较好的
轻量化效果。

4结论
本文采用均匀拉丁方试验设计和移动最小二乘法建立了车门模态、刚度、强
度和侧柱碰的近似响应面模型，将关键部件的厚度作为设计变量，利用自适应响
应面法进行优化设计，优化结果显示各项结构性能满足要求而且分布更加均衡，
实现了较好的轻量化效果。

参考文献
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