轿车白车身概念设计阶段梁截面优化设计

第26卷第6期2010年12月机械设计与研究

M achine D esign and R esearch V o.l 26N o .6D ec .,2010

收稿日期:2009-12-30

基金项目:国家863计划资助项目(2007AA04Z185)

文章编号:1006 2343(2010)06 120 04

轿车白车身概念设计阶段梁截面优化设计

孔 敏1

,郭永进1

,刘 波

2

(1上海交通大学上海市数字化汽车车身工程重点实验室,上海 200240,E m a i:l guoy@j sjtu ;

2.长安汽车工程研究院,重庆 401120)

摘 要:轿车白车身刚度对整车的噪声、耐久性和安全性等都至关重要。在以梁壳单元建立的白车身线

框模型基础上,推导薄壁梁截面特性参数的计算方法,引入比例向量为截面形状变化参数和设计变量,通过对白车身刚度进行灵敏度分析,以质量为优化目标,弯曲和扭转刚度为约束,得出车身的优化方案,并进一步推导得出目标梁的截面形状优化结果。优化结果表明,该方法能够在概念设计阶段为设计者提供有效的设计参考,缩短设计周期、提高设计质量。

关键词:白车身;刚度;截面形状优化;概念设计中图分类号:U 463.82 文献标识码:A

Cross Secti on Opti m i zati on for Thi n W all ed Bea m

of Vehicle B I W i n Concept Design Phase

KONG M i n 1

,GUO Yong ji n 1

,LI U Bo

2

(1.Shanghai K ey L aboratory of D i g ita l Au t obody Eng i nee ri ng ,Shangha i J i ao T ong U niversity ,Shanghai 200240,Chi na ;

2.Changan A uto m otive Eng i neer i ng Instit ute ,Chongqi ng 401120,China)

Ab stract :T he stiff ness o f auto m o tive body i n wh ite (B I W )is essential to veh icle no i se ,durability and safety .In th i s paper ,an opti m iza ti on techn i que for th i n wa lled bea m cross secti on is propo sed .T he techn i que i ncl udes a w ire fra m e m ode l o f B I W ,response surface m ethod based bea m cross section character izati on ,ratio v ector i n troduced t o de scr i be the cross secti on shape change ,and stiff ness sensiti v ity ana lysis .T he opti m a l cross secti on is derived based on the ra ti o vector descri ption of beam cross secti on .Th is techn i que cou l d be used in t he au t om oti ve concept design phase to prov ide usefu l desi gn so l utions for B I W bea m cross secti on w ith better quality and sho rter ti m e .

K ey words :B I W ;stiffness ;cross secti on shape op ti m ization ;concept desi gn

轿车车身结构概念设计是一个涉及到多方面因素的综合工程设计问题。如果在概念设计阶段,我们就比较精确地预测和控制零部件乃至整车的性能和结构可靠性,使得在开发初期就能使未来产品性能和结构指标得到保证,可以大大缩减企业在对已有车型的更新换代以及新车型开发阶段的时间和资金投入。考虑到现代轿车车身大多数采用全承载式结构,承载式车身几乎承担了轿车使用过程中的所有载荷,包括扭转、弯曲等载荷,在这些载荷的作用下,轿车车身的刚度特性则尤显重要[1]。由于白车身刚度的重要性,若能在概念设计阶段对白车身刚度性能进行评估和改进,就能减少设计的盲点,为后续设计提供有力的指导,所以在概念设计阶段进行白车身刚度仿真是一项性价比很高的工程[2-5]。

在对轿车白车身以梁壳单元进行概念化建模(如图1所示)的基础上,拟合了对梁截面属性的计算公式,引入形状控制参数以保证梁截面中任意部位的连续变化,在车身各部位梁灵敏度分析的基础上,以车身刚度为约束,车身重量最小

图1 梁壳混合模型与原车型的对比

为优化目标,应用优化

软

件

A lta ir /O pti Struct 得到梁的最佳形状参数,进一步通过形

状参数逆推优化后的截面形状。文中探索的基于刚度的车身梁截面优化设计流程可以在概念设计阶段为设计者提供有效的参数,尤其在改型车的研制方面,能大大缩短汽车车身结构设计周期、提高设计质量。

1 薄壁梁截面形状参数化

汽车车身结构主要是由各种规格的薄板通过冲压成形制造出的具有复杂曲面形状的薄板零件连接装配而成。在车身结构中包含许多起主要承载作用的封闭的薄壁梁结构。薄壁梁结构的承载性能是由薄壁梁的截面形状(如图2所