白车身扭转刚度分析与优化

分析. 优化目标为重量最小. 白车身共有 141 个 零件，以它们的厚度作为设计变量，其厚度的±30 ％为变化范围. 因为前纵梁处测量点的 Z 方向的 位移对刚度值的影响最大，故取该两点 Z 方向位 移绝对值的平均值为 D5，根据该两点的水平距离 和载荷条件反算出满足扭转刚度要求时的位移值
其 Z 方向的位移分别为 D1 和 D2；在过后减震器 中心点的铅垂面与后纵梁底面截线的中心处也布
列出了前 5 阶模态的频率和振型.
表 1 前５阶模态的频率和振型
阶 频率 数 /Hz
振型
阶 频率 数 /Hz
振型
1 22.56 顶盖局部模态 4 28.35 2 阶弯曲
2 25.65 顶盖局部模态 5 31.24 2 阶弯曲
3 26.63
１阶扭转
扭转刚度参照试验方案确定边界条件，用
MPC 限制两前减震器安装支座中心点的位移，条
2.3 2.545 4 2.5
A088
1.8 2.312 Leabharlann Baidu 2.3
A102
1.2 1.6
1.6
A129
1.2 1.492 8 1.5
A443
1.6 1.995 9 2.0
A2617 1.4 1.999 1 2.0
的扭转刚度为 331 317.8 N·m/rad，提高了 20.2％，
满足设计要求. 此时，白车身的重量为 228.4 kg，
表 2 各测点位移
测量点 Ｚ方向位移/mm
D1 2.672 0
D2 -2.650 5
D3 -0.016 61
D4 0.019 52
计算得其扭转刚度为：275 759.4 N·m/rad.
2优化
作为约束的上限；同时还约束各零件的应力水平 低于许用应力. 整个优化模型如下所示：
n
∑ min g(x) = ρ Aj x j j =1
A004
0.7 0.895 3 0.9
A006
0.7 0.542 7 0.5
A076
1.4 1.183 0 1.2
A010
1.2 0.8
0.8
A012
1.0 0.701 9 0.8
A013
1.2 0.800 3 0.8
A014
1.4 1.0
1.0
A015
2.2 1.603 5 1.6
A017
1.6 1.0
增刊
罗 伟，等：白车身扭转刚度分析与优化探讨
223
件为在 Z 方向的位移：Z1+Z2=0，即两点在 Z 方 向的位移大小相等，方向相反. 约束后减震器安 装平面各节点所有的位移自由度，即 T1=T2=T3=0. 在左减震器中心点上施加一绕车身中轴线的分析 规定扭矩. 位移的测量点 P1 和 P2 位于过两减震 器中心点的铅垂面与前纵梁底面截线的中心处，
第 15 卷 增刊 2006 年 9 月
文章编号：1006-0871(2006)S1-0222-03
计算机辅助工程 COMPUTER AIDED ENGINEERING
Vol. 15 Supp1. Sep. 2006
白车身扭转刚度分析与优化
罗 伟，周定陆
(长安汽车股份有限公司，重庆 400060)
摘 要：对某白车身建立有限元模，利用 MSC Nastran 软件进行扭转刚度和模态分析，在此
s.t. σ j ≤ [σ ] ;U (x) ≤ 2.30 ,U(x) = (D1(x) + D2 (x) ) 2
其中，n=141，xj（j=1，2，…，141）为设计 变量即板厚；ρ为材料密度；Aj为板材面积；σj为 应力，[σ]为许用应力.
优化分析的结果为：车身重量减小到 225.85 kg，前测点的位移为 2.304 mm；相比优化前的结 果，重量减小 7.9％，位移减小 13.4％. 优化分析 得到的方案满足了扭转刚度的要求，重量也得到 了控制. 但由于优化时厚度是连续变化的，一些 零件的板厚不是规格的尺寸，因此对结果进行了 取整（表 3 列出了部分优化前和优化后厚度变化 较大或虽然变化不大但尺寸较大的零部件），并根 据取整的数值对模型的厚度重新赋值后进行了扭
基础上以车身重量为优化目标，在满足扭转刚度要求的条件下对零件厚度进行敏感度分析和
优化分析，得到了符合设计要求的改进方案.
关键词：扭转刚度；白车身；优化设计；有限元分析（FEA）
中图分类号：U463.821; O344.3; O241.82
文献标志码：A
Torsion Stiffness Analysis and Optimization of BIW
LUO Wei, ZHOU Dinglu
(Chongqing Chang’an Automobile Co., Ltd., Chongqing 400060, China)
Abstract: A finite element model of BIW is established. The torsional stiffness and modes are calculated using MSC Nastran. Based on the results of these, the optimization analysis and sensitivity analysis that the design variables are the thickness of parts are carried out. The target of optimization is to minimize the weight of BIW on condition of satisfying the requirement for torsional stiffness. By those analyses, improvement is made to meet the design requirements. Key words: torsional stiffness; BIW; optimization; finite element analysis (FEA)
A035
1.4 2.0
2.0
A038
0.7 1.0
1.0
A047
1.4 1.823
1.8
A048
1.4 1.995
2.0
A058
0.7 1.0
1.0
A063
2.0 1.203
1.2
A064
2.0 1.203
1.2
A065
2.0 1.2
1.2
A068
1.2 0.8
0.8
A070
1.4 1.0
1.0
A078
[1] MSC Nastran Design Sensitivity and Optimization User’s Guide[K]. [2] MSC Nastran Quick Reference Guide[K].
（编辑 袁林新）
3结论
图1
图 1 显示的是对扭转刚度起正作用的零件即 板厚增大较明显的零件，也就是对扭转刚度敏感 度较大的零件. 可以看出，这些零件基本上都是 车身框架的构成零件，是承受扭转载荷的主要零
参考文献：
通过对白车身各零件进行全局优化分析，能 够在减小车身重量的同时提高扭转刚度，为设计 更改提供很好的借鉴和依据，有效地节省设计更 改以及试验所花费的时间和成本.
置两个测量点 P3 和 P4，其 Z 方向的位移为 D3 和 D4. P1 和 P2 在水平方向的距离为 L1，P3 和 P4 在 水平方向的距离为 L2.
在扭转载荷作用下白车身的扭转角和扭转刚
度的计算公式为：
α =（D1－D2）／L1－（D3－D4）/L2 K＝M／α
式中：M 是扭转力矩，α 是扭转角. 当前状态白车身各测量点的位移列于表 2 .
某厢式车在设计时发现其白车身重量超过设 计目标值，并且扭转刚度未达到设计要求. 通过 对局部零件的修改，可以达到扭转刚度的要求， 但是带来了重量进一步的增加. 从此看来，单纯 靠增加局部零件强度的方法已经不能根本地解决
问题，只能通过对白车身进行全局优化才能在满 足扭转刚度要求的条件下减小车身重量.
1 有限元分析
1.0
A018
1.0 0.710 1 0.7
A085
1.4 0.8
1.2
A020
2.0 1.6
1.6
A878
1.6 2.2
2.2
重新计算的结果如下：
表 4 板厚规格化后各测点的位移
测量点
D1
D2
D3
D4
Z 方向位移/mm 2.225 7 -2.225 3 -0.014 63 0.017 61
由扭转刚度计算公式，得板厚规格化后模型
在当前的设计状态下建立白车身的有限元模
型. 模型中平均单元尺寸为 10 mm，焊点采用
CWELD 单元模拟. 整个白车身共有 356 265 个节
点，329 436 个 CQUAD4 单元，12 618 个 CTRIA3
单元. 白车身有限元模型的重量为 245.3 kg.
先在该模型基础上进行自由模态分析. 表 1
0引言
白车身扭转刚度是其重要的力学特性之一， 如何在设计中在提高白车身扭转刚度的同时并使 白车身的重量保持一定的水平及轻量化的要求是 白车身设计的一个重要环节. 通过有限元分析方 法，应用灵敏度分析的手段可以找到能最有效地 提高白车身扭转刚度和对扭转刚度贡献不大的设 计变量，通过合理地搭配这些设计变量的值达到 提高扭转刚度并减小白车身重量的目的. 在优化 的同时，还需考虑白车身其他方面的性能，如模 态、各零件的应力水平等方面的要求，这些要求 可以作为优化的约束条件以保证优化的合理性.
比优化分析的值略有上升，但比优化前减小了
16.9 kg，约为 6.7％. 各阶模态频率有所上升，第
一阶全局模态增加到 27.51 Hz，仍为扭转模态.
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计算机辅助工程
2006 年
件，增加这些零件的板厚意味着刚度的增大. 在
初步的优化完成后，可以针对这些零件的结构进
行更详细的拓扑优化，更进一步地减轻重量.
MSC Nastran 的 SOL200 求解器可以进行灵 敏度和优化分析,本文即采用该求解器进行优化
转和模态分析.
表 3 部分零件的厚度变化
零件号 初始值 优化值 计算值 零件号 初始值 优化值 计算值
A001 A002
1.4 1.0
1.0
1.4 1.213 7 1.2
A003
0.7 0.5
0.5