轿车白车身概念设计阶段梁截面优化设计
轿车白车身模态分析和局部刚度优化方法研究
模态坐标来代替物理坐标 , 使坐标耦合的微分方程解
耦为各个坐标独立的微分方程组 , 从而求出系统的各
阶模态参数 。对于无阻尼自由振动系统 , 阻尼和激励
沿纵向弯曲
5
53156
沿纵向弯曲 ,后窗局部变形
6
ห้องสมุดไป่ตู้56177
后部变形 ,后窗处较明显
有限元模态分析部分振型图 , 如图 2 示 。
2 有限元模态分析 根据某轿车白车身总成与零件的装配关系建立白
图 2 模态分析振型图 Fig1 2 Mode shapes for modal analysis
1 34 公 路 交 通 科 技 第 27 卷
模态分析来获得[1 ] 。 本文以某轿车白车身为研究对象 , 建立白车身有
限元模型 , 采用有限元模态分析和试验模态分析 , 对 其结果进行对比研究 。从振动 、强度角度考虑 , 分析 了该白车身所承受内外激励的影响 。并根据应变模态 的局域性特点 , 提出利用模态应变能分布优化车身结 构局部刚度的方法 。
21 Research Institute of Highway , Ministry of Transport , Beijing 100088 , China ; 31 Chery Automobile Co1 , Ltd1 , Wuhu Anhui 241009 , China)
Abstract : Using preprocessing software Hypermesh and FEA software MSC1Nastran , the detailed finite element model of car bodyΟinΟwhite (BIW) was established based on the theory of finite element1 Finite element modal analysis and experimental modal analysis were conducted to get the modal parameters of BIW , including natural frequencies and corresponding mode shapes respectively1 With comparison of the result of the simulation with that of test , the validity of the FEA model was verified1 From the view of vibration and strength , the impact of internal and external incentives on the BIW was analyzed1 According to strain mode local characteristics , a new method to determine the position where the maximum elastic deformation takes place by using the strain energy distribution of the vibration modes of different orders was therefore proposed1 The method can be used to improve the local rigidity of BIW1 The result shows that this method is reasonable and practical for the car body design1 Key words : automobile engineering ; modal analysis ; modal strain energy ; bodyΟinΟwhite ; local rigidity
基于参数化白车身的前纵梁响应面优化设计
传统 的汽 车设 计 方 法 依 赖 于 完 整 的 Ｃ Ｄ模 Ａ 型 ， Ｃ Ｄ模 型 的修 改 和 Ｃ Ｄ 到 Ｃ Ｅ 的转 换 需 对 Ａ Ａ Ａ 要花 费大 量 时间 和 人 力 ， 成 的 Ｃ Ｅ模 型 也 不 具 生 Ａ 备 可重 复利 用 性 ； 析 和 设 计 团 队之 间 的 数 据 和 分
ｓｇ ｓｇ ｔａ ｄ ｖ ｈ ｃｅ ｃ ａ ｈ ｒｈ ｎ ｓ ｅ ｏ ｍａ ｃ ｓ ｉ ｒ ｖ ｄ． ｉ ｎ ｉ ｏ ｎ ｅ ｉ ｌ ｒ ｓ ｗｏ ｔ ｉ ｅ ｓｐ ｒ ｒ ｎ ｅ ｉ ｍｐ ｏ ｅ ｆ
【 关键词 】 碰撞
前纵梁 白车身 参数化
ｄ ｉ１ ． ９ ９ ｊｉ ｎ １ ０ －５ ４ ２ １ ． ６ ０ ｏ ：０ ３ ６ ／ ．ｓ ． ０ ７４ ５ ． ０ ２ ０ ．３ ｓ
加速 新 产 品的研 发 。其流 程见 图 １ 。
评估优 化
知识 的交 流 存 在 障碍 ， 难 实 现 对 结 果 的 快 速 响 很
应 ； 计方案 大多是 通过工 程师 的经验来 确定 ， 设 Ｃ Ｅ在 研发 流程 中仅 充 当验 证 工具 的角 色 。上 述 Ａ
种种 原 因导致 设计 后 期 和 制造 阶段 的大量 反 复修
“ 析驱 动设 计 ” 念 能较 早 、 清 晰 地 制 定 分 理 较 出决 策 ， Ｃ Ｄ和 Ｃ Ｅ团 队在 设计 早期 阶段 的密 使 Ａ Ａ 切合 作 成为 可能 ， 少后 期 的设计 更 改 ， 加 产 品 减 增
的可靠 性 ， 短 开 发 周 期 ， 高 开发 效 率 ， 升 和 缩 提 提
近 年 ， 内各 汽 车 厂 商 对 车 辆 碰 撞 安 全 性 能 国
研究 的关注 度也 逐 步提 高 。作 为 汽 车 的 主要 吸 能 部件 ， 纵 梁 的 吸 能 特 性 和 变 形 模 式 决 定 了车 体 前
概念车身梁截面厚度优化设计
概念车身梁截面厚度优化设计概念车身梁截面厚度优化设计随着汽车的发展，车身结构设计越来越受到重视。
而作为车身结构中的骨架部分，车身梁的设计也成为了重点。
车身梁是汽车车身结构的支撑和负载承受部分，主要起着分散并承受车身荷载，保证车身刚度、强度和稳定性的重要作用。
因此，在车身梁的设计中需要综合考虑结构强度、刚度、质量、成本等多个因素。
本文将介绍车身梁截面厚度的优化设计方法。
在优化车身梁截面厚度的设计中，首先需要确定设计要求和目标。
针对不同的要求和目标，可以选择不同的设计方法。
例如，对于重视强度和刚度的要求，可以采用拓扑优化设计方法；对于考虑成本和质量的要求，可以采用优化设计方法。
在以下的讨论中，我们将以优化设计方法为例进行详细介绍。
在优化设计中，需要制定合理的设计变量和限制条件，建立数学模型，并采用计算机仿真技术进行模拟分析。
设计变量包括车身梁的截面厚度（t）和长度（L），以及其他可能对截面厚度产生影响的因素。
限制条件包括要求的刚度、强度和稳定性等方面的指标。
假设我们的设计目标是最小化车身梁的重量，即在保证车身梁满足规定的强度、刚度和稳定性的条件下，尽可能减小车身梁的重量。
在这个设计目标之下，可以采用以下的优化设计流程：第一步，建立数学模型。
假设车身梁的截面形状为矩形，其截面厚度为设计变量t，长度为L。
设车身荷载为F，车身梁截面积为A，应力为σ，弯曲刚度为EI，则车身梁的强度和刚度满足以下条件：σ = F/A ≤ σmax（强度满足条件）EI = F(L/2)^2/3 ≤ EImin（刚度满足条件）其中，σmax和EImin分别是车身荷载和车身梁截面形状给定条件下的最大应力和最小弯曲刚度。
此外，还需要根据设计要求确定车身梁的稳定性条件。
第二步，采用优化设计方法求解最优解。
在求解最优解时，需要考虑优化方法、目标函数、约束条件等因素。
优化方法有很多种，例如遗传算法、粒子群算法、仿生算法等。
在目标函数方面，以最小化车身梁重量为目标函数，即：minimize W = ρAL其中，ρ是车身梁的密度。
白车身结构设计与技巧 汽车设计技术
根据制造过 程中出现的 问题对数据 进行优化
完成第二
版冻结数 模
发放附件 供应商
根据第一版冻结数模对 升降器、仪表板等车身 附件和内饰件进行设计
车身结构件——试装验证阶段
钣金一序件制 造完成，模具、 焊装夹具初步 完成，单件检 具全部完成
车身附件及内 外饰快速成型 件或软模件制 造完成
进行车身焊
接及附件、 内外饰装配
力以及使车身结构合理化，采用无承载式车 身。在大客车及轿车现在基本上都采用承载 式车身。
白车身组成：
白车身由前围焊接总成、地板焊接总成、左/右侧围焊 接总成、后围焊接总成、顶盖焊接总成。
三、白车身结构设计的基本原则
白车身设计是一个复杂的系统并行设计过程，要彻底摒弃 孤立地单个零件设计方法，任何一个零件只是其所处在的 分总成的一个零件，设计时均应考虑其与周边相关零部件 的相互关系。
较深的零件
五、白车身设计一般流程
车身结构件———工艺数据设计阶段
车身内板 及加强板 设计
参考标杆车结构与已冻 结的车身外观覆盖件数 模相结合完成整车数模
逆向标杆车关键件及大 件，同时与已冻结的车 身外观覆盖件数模相结 合完成整车数模
完成第一 版工艺数 模
车身结构件——工艺数据设计阶段
工艺分析
第一版工 艺数模
2、钣金按表面质量分有一、二两级：一级质量最好， 适用于外板；二级次之，适用于内板与加强板。
3、钣金按冲压拉延等级分有P、S、Z、F、HF、ZF六 级
4、钣金按强度等级分有：普通强度、高强度、超高 强度钢板。高强度和超高强度按其强化机理分为： 固溶强化、析出强化、组织强化，复合组织强化、 热处理硬化型强化、相变强化、冷作强化、时效强 化等。
译文-汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型
译文-汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型号：毕业设计(论文)外文翻译（译文）题目：新型微型拖拉机外观及主要部件结构设计院（系）：机电工程学院专业：机械设计制造及其自动化学生姓名：学号：指导教师：职称：副教授题目类型：☐理论研究☐实验研究☑工程设计☐工程技术研究☐软件开发2010年5月23日汽车设计概念阶段白车身接头与梁式结构优化的简化模型摘要本文提出了一种替代汽车模型构造中的梁式结构与节点的工程方法。
其最终目的是为设计人员在创建一个汽车零部件概念模型提供一种有效方法。
在汽车设计的早期，利用NVH优化方法对白车身进行优化设计。
所提出的方法是基于简化梁与节点建模方法，其中涉及到梁构件截面几何分析和接点的静态分析。
第一个分析旨在确定梁中心节点和计算的等效梁属性。
第二个分析目的在于通过静压下的复杂有限单元模型，建立由有三个或以上的梁构件通过的接点的简化模型。
为了验证所提出的方法，列举由简化模型取代梁式结构和汽车车身上部区域的接头的工业研究个案，两种静态载荷分别作用于原始模型和简化模型上并比较了两种模型的全车扭矩刚度和弯矩刚度，所采用的比较方法与OEM公司使用的标准是相同的。
也对两种模型的全局频率与模态震型方面做了动态性能分析比较。
在高度竞争的市场中，设计工程师面临着的挑战就是遵从复杂且有可能相互矛盾的设计标准开发新产品。
在汽车产业领域，为完善汽车的各项功能性，如安全，降低噪音和振动，注重环保等任务，使越来越多的困难，由推出新产品或更新现有模式。
为了使复杂的设计标准与降低上市时间相适应，就需要将计算机辅助工程（CAE）设计方法用于汽车设计的早期阶段。
近来，为了使汽车设计人员在汽车功能已经确定、但详细的几何数据还不明确的概念阶段利用CAE进行设计，研究人员花费了不少精力。
其目的是要改善初始CAD设计，从而缩短了设计周期。
在NVH和碰撞安全性的预测领域，研究人员已经提出很多概念建模方法。
它们可以分为三类：基于前任有限元模型方法，零开始方法，并行计算机辅助方法。
白车身强度分析及优化设计
10.16638/ki.1671-7988.2020.10.054白车身强度分析及优化设计刘小会，杨越（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230001）摘要：文章首先阐述了车身强度分析的目的以及CAE分析的方法，然后分析了基于强度考虑的车身优化设计方法。
以某型汽车C柱区域的强度问题为例，进行了原因分析和方案优化，经CAE分析验证，结果满足要求。
关键词：汽车；强度；CAE 分析；应力中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2020)10-181-03The Optimal Design of The White Body StrengthLiu Xiaohui, Y ang Y ue（The technology center of the jiang huai automobile, Anhui Hefei 230001）Abstract: This paper first describes the purpose of the body strength analysis and the method of CAE analysis, then analyzes the body design method based on intensity is considered. Finally, this paper takes the strength of the column with a certain type of car C area problem as example, has carried on the analysis of the causes and scheme optimization, the final CAE analysis verify again, can meet the requirements.Keywords: Automobile; Strength; CAE; StressCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2020)10-181-03前言汽车的结构强度主要由车身强度来决定。
白车身接附点动刚度优化设计
白车身接附点动刚度优化设计白车身接附点动刚度优化设计随着车辆制造技术的不断发展，汽车的安全性能、舒适性能以及使用寿命等方面的要求越来越高，白车身的接附点动刚度优化设计成为了一项非常重要的工作。
接附点动刚度是指车辆受力后在车身车轮接触点产生的位移值与施加的受力的比值，通常也叫做车辆的高速稳定性。
以下介绍一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法。
1、轻质化设计将白车身轻量化是提高接附点动刚度的一种有效方法。
在设计过程中，可以采用高强度钢材、铝合金、碳纤维等轻量化材料来替换传统材料。
轻质化设计不仅可以减少车身重量，提高燃油经济性，而且可以提高车身的接附点动刚度。
2、前后轴重分配设计这是一种有效的设计方法，通过将车辆的前后轴荷载比例调整，使得车辆在行驶时的重心更加稳定，同时减小了车辆的滚动摆动。
前后轴重分配设计需要将引擎舱、乘员室等设备布置合理，实现前后轴重量分配的最佳状态，从而使车辆的接附点动刚度得到优化。
3、悬挂系统设计悬挂系统是车辆接收路面振动的关键部件，同时也是影响车辆接附点动刚度的重要因素。
在设计悬挂系统时，可以通过合理选择弹簧、避震器的硬度和减震器参数来优化车辆的接附点动刚度。
合理设计的悬挂系统可以使车辆在行驶时获得更好的稳定性。
4、结构优化设计通过优化白车身各组成部分的结构设计，有效地提高车辆的接附点动刚度。
例如，在车辆的底盘结构设计中，合理设计受力部位的加强筋和连接结构，可以有效地提高接附点动刚度。
另外，在车辆前后桥结构优化设计中，可以通过增加连接点的数量和降低连接点之间的距离等措施来提高接附点动刚度。
总之，白车身接附点动刚度是汽车制造中非常重要的一项指标，对于提高车辆的安全性能和使用寿命都有非常重要的意义。
通过合理运用以上设计方法，对白车身接附点动刚度进行优化设计，可以为汽车的制造企业提供更加优质的汽车产品，同时满足消费者不断提高的需求。
除了以上介绍的一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法，还有一些其他的设计方法可以帮助优化车辆的稳定性和运行平稳性。
白车身骨架模态研究与结构优化设计
2024年第2期47白车身骨架模态研究与结构优化设计马保林，熊辉，张略（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000）摘 要：为了提高某承载式车身骨架的模态，解决其在汽车行驶过程中与外界激励频率重合产生共振和异响，改善白车身骨架的NVH性能，对某轿车白车身进行研究并对关键零部件进行了结构优化设计，并进行有限元分析验证。
根据有限元分析及实车验证，这些结构优化方案对改善车身模态频率具有良好的效果，为其他车型提供设计参考。
关键词：模态分析，结构优化，白车身，有限元分析中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）02-0047-05Research on the BIW Modal and Optimization Design of theStructuralMA Bao-lin, XIONG Hui, ZHANG Lue (Chery Automobile Co., Ltd., WuHu 241000, China)Abstract: In order to improve the mode of a load-bearing body frame, solve the resonance and abnormal noise caused by its overlap with the external excitation frequency during the driving process of the car, and improve the NVH performance of the BIW skeleton, the BIW of a car was studied, and the structural optimization design of key components was carried out, and the finite element analysis was carried out to verify it. According to the finite element analysis and actual vehicle verification, these structural optimization schemes have a good effect on improving the modal frequency of the body, and provide design reference for other models.Key Words: Modal Analysis; Structural Optimization; Body-In-White; Finite Element Analysisdoi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.02.008 收稿日期：2024-01-021 前言随着我国汽车行业的飞速发展，乘员对于汽车振动噪声品质的要求不断提高。
概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析
概念设计阶段的轿车车身结构简化建模及碰撞分析概念设计是车身设计的前期阶段,需要在满足整车性能的前提下完成车身结构的设计和优化。
车身结构详细壳单元模型建模周期长、模型修改困难,不适合应用在概念设计阶段,而多刚体模型和薄壁梁单元简化模型在建模时间、模型修改、碰撞优化等方面具有明显优势,因此,在概念设计阶段建立准确的多刚体和薄壁梁单元简化模型,进行动态碰撞特性求解,进而修改和优化模型,对缩短研发周期及快速提高车身性能具有重要意义。
本文首先建立了一种用于正面仿真碰撞的假人多刚体模型,该模型定义了车身结构和假人之间的多体动力学计算模型,车身模型由整车质量和适当刚度表示,通过推导多刚体模型的运动方程,编写MATLAB程序求解隐式微分方程组,从而得到该模型的正面碰撞特性。
其次,推导出建立薄壁梁单元车身模型所需的梁单元截面力学特性,包括:截面面积、形心、弯曲惯性矩和扭转惯性矩,其中,根据实心任意截面梁扭转刚度的微分方程和扭转问题的弹性力学薄膜比拟解法,推导扭矩关于截面面积和剪力流的平衡方程,以及剪应力与扭转角的几何方程,从而求得任意数量腔室(开口、单室、双室、三室等)的,复杂薄壁截面扭转惯性矩的统一计算公式。
采用有限元方法提取梁单元的塑性特性,结合梁单元建立轿车白车身简化模型。
最后,建立了假人多刚体模型正面碰撞、轿车前纵梁简化模型正面碰撞和轿车白车身简化模型正面碰撞工况仿真,对比壳单元详细模型的变形模式、变形位移、速度曲线、加速度曲线和能量曲线等的一致性,并验证计算效率。
同时,对车身前纵梁(矩形薄壁截面S型梁)进行了碰撞优化研究,提出了将响应面和遗传算法相结合的优化设计,在轴向压溃位移、截面厚度和截面边长的约束下,优化前纵梁截面面积。
研究结果表明:与有限元假人模型相比,多刚体假人模型在正面碰撞工况中具有较好的一致性,且该模型的修改速度较快,可以在轿车的概念设计阶段快速评估假人的损伤水平。
梁单元模型较详细模型具有相当程度的计算精度,并在计算效率上具有绝对的优势,可以满足在车身概念设计阶段的工程需求。
某轿车白车身模态分析与优化
｛ （ ｙ ｆ ）＝ｆ ｘ Ｙ ｚ ｅ： Ｈ ， ，， ） ６（ ， ，） ｌ ｜ ＇
（） ３
其 中 ： ｑ 。 ，））为矢 量振 幅 ； ｛ （ ＇ｚ ｂ ， ∞ 简谐 运 动 的角 频 率 。将其 代人 （ ） 得 ： ２， 【 一∞ 】 ｂ ｅ ｐ ｉ ｉ ＝ ） Ｋ （ ｘ （ｔ Ｏ ） ｏ） （） ４ （） ５
果 精 确度 降 低 ； 删 去 对 整 体 性 能 影 响 不 大 的 小 部 ③
件， 但保 证 总体 白车 身质 量与 实际 质量 相差 不大 。 现代轿 车 多采用 全 承载式 车 身 ， 体骨 架结构 由 车
车体结 构件 及 覆 盖件 焊 接 而 成 】 白车 身 的焊 接 工 。
中 图分类号 ： ４ Ｕ６ 文献标识码 ： Ａ 文章编号 ： ０ — ４４ ２ ｌ ） ３ ０ ２ － ３ １ ６ ４ ｌ （０ １ ０ － ０ ６ ０ ０
Ｍ ｏ ｌａ ａ ｙБайду номын сангаасｉ ｎｄ ｏ ｉ ｉａ ｉ ｎ ｏ ａｒ ｓｂｏ ｙ—ｉ ｄａ ｎ ｌ ｓｓ ａ ｐｔｍ ｚ ｔｏ ｆｃ ｄ ｎ—ｗｈ ｔ ｉｅ Ｘｉ ａ ｙ ， Ｆ ｎ ａ ａ Ｚｈ ｏ－ ｉ ｅ ｇ Ｌ ｎ—ｆｎ ａ ｇ，Ｗ ａ ｇ Ｈｏ ｇ ｉｏ，Ｈ ｕ ｎ－ｂ ｎ ｎ －ｘａ ｉＹａ ｏ
Ａ ｓｒｃ：Ｆｎ ｅ ｍ ｎ ｍ ｄｌ ｎ ｙｉｔｅｒ ｉ ｄ ｃ ｓ ｄｂ ｅｙ． ｄｆ ｉ ｌ ｎ ｍ ｅ ｃｒ ｏｙ ｉ－ ｈｔ（ Ｉ ｂ ｔ ｔ ｉｉ ｅｔ ｏａ ａ ｓ ｏ ｉ ｕｓ ｒ ｆ ａ ｎｔｅｅ ｔ ｏ ｌ ｆ ａ’ｂ ｄ－ｎ ｗ ｉ ＢＷ） ａ ｔ ｄｅ ａｌ ｓｈ ｙ ｓ ｓ ｅ ｉ ｌ ｎ ｉ ｅ ｍｅ ｄ ｏ ａ ｓ ｅ
研 穷 与 分 析
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:ACross Secti on Opti m i zati on for Thi n W all ed Bea mof Vehicle B I W i n Concept Design PhaseKONG M i n 1,GUO Yong ji n 1,LI U Bo2(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。
概念设计阶段的白车身结构模块化设计方法张羽
概念设计阶段的白车身结构模块化设计方法张羽发布时间：2021-09-06T05:53:28.913Z 来源：《中国科技人才》2021年第15期作者：张羽[导读] 在特定汽车的概念设计阶段，需要建立概念车身结构的几何模型，设定常规的车身横梁截面。
根据具体的的性能要求，进一步用弹簧元件和刚性梁元件对关节进行模拟，计算车身五个常见关节的刚度、计算概念模型的弯曲刚度、扭转刚度和模态，并将其与详细设计的结果进行比较江淮汽车集团股份有限公司安徽省合肥市 230601摘要：在特定汽车的概念设计阶段，需要建立概念车身结构的几何模型，设定常规的车身横梁截面。
根据具体的的性能要求，进一步用弹簧元件和刚性梁元件对关节进行模拟，计算车身五个常见关节的刚度、计算概念模型的弯曲刚度、扭转刚度和模态，并将其与详细设计的结果进行比较。
若概念设计的计算结果与详细设计的计算结果基本相似，表明所提出的概念设计方法可以更准确地预测车身结构的性能。
关键词：概念设计阶段；白车身结构；模块化设计引言现代车身结构设计分为概念设计和详细设计。
概念设计阶段在整个汽车设计过程中起着重要作用。
一些数据表明，在概念设计阶段，已确定了整个汽车设计过程成本的大部分。
概念设计阶段会对后续工作产生影响，也可以说对整个车身设计奠定了整体的基调和模式，可以更准确地预测车身结构，避免重大问题。
对此，下文就概念设计阶段的白车身结构模块化设计方法进行简单探讨，以供参考。
1白车身概述白车身是指车身结构和外罩焊接组件的未上漆车身，包括前翼板、门、引擎盖、行李箱盖。
涂漆后，白色车身会增加内部和外部装饰（包括仪表板，座椅，挡风玻璃，地毯，内部装饰板等）以及电子和电气系统（音频，线束，开关等），安装底盘系统（包括系统动力总成，悬架系统等）和动力总成系统（包括发动机，变速箱等）组成了整辆车。
普通汽车一般使用的是承载式车身结构，而部分豪华汽车所使用的则是非承载式车身结构。
承载式车身结构由于不需要框架，因此可以减小整个车辆的地板离地高度，这有助于提高车辆的行驶稳定性以及上下车的便利性。
白车身多学科轻量化优化设计应用
白车身多学科轻量化优化设计应用面对日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况，无论在传统的内燃机汽车还是新能源汽车领域，轻量化设计都已成为汽车业关注的焦点。
轻量化技术必将成为汽车公司的核心竞争力之一。
目前轻量化设计的主要方法有以下3种：结构轻量化，即采用优化设计方法对车身的拓扑结构、形状尺寸与厚度进行优化设计，实现轻量化；工艺轻量化，即采用特殊的加工工艺方法，如激光拼焊板、柔性轧制差厚板、液压成型技术等；材料轻量化，采用高强度钢板、轻金属材料（如铝、镁）、非金属材料（高强度塑料、碳纤维复合材料等）。
标签：白车身；轻量化；优化设计1、白车身轻量化研究白车身结构轻量化能够达到理想状态，需要做到以下几点：1.1在早期的设计阶段就确定可行的轻量化方案。
通过运用虚拟分析与优化技术掌握各设计参数对各性能和重量的影响规律，做到重量和性能的平衡，不要到车辆开发的后期才考虑减重，这样减重效果并不明显。
目前国内的研究大多集中在车辆研发后期或者小改型设计，仅针对现有车型车身钣金件进行材料强度和厚度的减重优化设计，并没有涉及到车身骨架的开发，鲜有前期就引入结构轻量化的研究。
1.2车身轻量化优化设计需要考虑车身各项性能，是一个多学科的集成优化设计过程，应找到系统整体的最优解。
目前国内轻量化优化设计工况多为单学科，优化后再针对其他学科工况进行验算和结果修正，并没有直接进行多学科的集成优化。
1.3车身各零件的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度共同影响着车身各项性能。
目前国内汽车企业主要集中对零件材料强度和厚度进行减重优化，没有综合考虑零件的拓扑关系、截面尺寸等导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。
本文在车辆早期开发阶段，建立了整车参数化白车身模型。
共定义了60多个设计变量，包括车身关键零件的形状、位置、尺寸、材料与厚度。
根据整车布置空间与工程师经验，确立了设计变量的有效变化范围。
采用试验设计方法产生计算样本点，经仿真计算后汇总结果建立优化近似模型，通过多学科的集成优化，找到满足不同学科不同工况条件下的最轻白车身。
白车身刚度设计原理介绍
白车身刚度设计原理介绍A柱，B柱，C柱，D柱、顶架以及结合点对整车的刚度起到十分重要的作用。
较弱的局部结合点会破环整车的刚度。
根据弯曲模型，确保A/B/C柱、上侧梁（Cantrail）以及平台（Platform）有良好的连结性。
车身框架（frame work）的设计标准：1.直梁，局部无弱化截面，横梁需要承载载荷。
2.尽可能使用封闭圆形或者矩形截面3.横梁连结处需要采用刚性耦合好的设计是直截面和刚性连接。
梁截面应承载载荷。
避免局部切口或其他减弱连结点，使结构效率最大化。
在重要的连结处采用可靠的截面，以避免在受到载荷时发生偏转和扭矩。
载荷需要加载在中性梁上，避免产生扭矩。
不要梁结构在面板上断开，因为这样会把力传递到关键区域并产生异响。
C柱内圈（C pillar inner ring）:从顶棚到衣帽架钣金处是连续的钣金面板连结。
C柱外圈：从顶棚到轮罩以及地板有良好的刚性连结，避免有应力集中。
图中断面12的断面是C柱区域，聪截面可以看出，C柱的截面尺寸较大并加有加强结构。
衣帽架横梁是一根连续的梁结构连结到侧梁。
当仔细观察衣帽架区域的Y0断面，可以发现：断面尽量是封闭截面。
如果不可避免的要加孔的特征，孔尽量是独立的，尺寸尽可能小，避免出现在前截面处。
如果孔必须出现在前截面上，可以通过增加额外的小支架增强局部的强度。
衣帽架区域：一个环形结构连结衣帽架钣金、轮罩和地板。
奔驰S级以及宝马7系还额外加了一块加强板。
通过观察顶棚Y0截面，可以发现截面的连接处都有加强结构。
通过观察行李箱环状钣金（trunk ring）环状部位，可以发现结构连续且强健，侧梁与行李箱环状钣金都有连接关系。
概念车身梁截面厚度优化设计
因 为截面 决定 了梁单 元 的实 际性 能 ．从 而影 响到 整
常数 和翘 曲常 数等 是计 算 截 面 刚度 的主 要参 数 ． 是 影 响 白车身 刚度 特性 的重 要 因素［］ ２。 Ｉ ３
轿车白车身有限元模型修正研究
使 设计开发阶段 ， 不需要大量的制造样车或 断反复的试验即可了解 析与试验存在差异 。采用调整结合面连接刚度的方法 ， 白车身
产品的动态特Ｊ 预测并改进潜在的问题。 生， 但是一个成功的 Ｃ Ｅ分 的有 限元 模 型 与试 验数 据 基本 一致 。 Ａ
析取决 于一 个准确 的有 限元 模 型 ， 而在 工程 实 际 中 ， 理论 假 然 由于 设（ 如边 界条件 、 条 件 的处理 、 模 型的 简化 等 ） 连接 力学 的误差 和结
２３结合面 连 接 刚度 的修 正研 究 ．
车身 七各部件结合面的连接刚度取决于两个因素 ：
（） １由于 物理 连 接 （ 如焊 接 或螺 栓 ） 产生 的连接 刚 度 ， ；
构原始参数的分散和不确定， 有限元模型很难准确的反映实际结构 的动态特陛， 因此需要进行检度 ｋ。依据车身上常用 ：
表 １薄板模态试验结果
结构和零部件 ， 略了螺栓连接部分螺栓 、 忽 螺母的质量 以及车架 上油漆 、 阻尼材料等附属质量。
目前广 泛采 用 的焊 点 连接 方 式主 要有 两 种 ： 是采 用 梁单 一种
２１ ．． 度 误 差 ２刚
另一 种则 将 有焊 接 连 接 的接触 部 车架间是通过螺栓 、 铆钉连接在一起 的， 而在有限元建模时 元在 焊 点连 接 处模 拟 焊接 作 用 ， 分处理成等效厚度的单层等效板结构 。 分别采用梁单元和等效板 统 一采 用梁 单元 来模 拟 与 实 际的 连接 刚度 是 有所 不 同 的。
２１ ．３材料误 差 ．
有 限元分析 中选 用的材 料屙 胜与实际结构的材料有一定差异 。
对 点 焊 薄板 的连 接 刚度 进行 修 正研 究 。
分圳 采用了 ４种连接方法对单元尺寸为 ２ｍｍ的薄板进行 ０
关于白车身强度分析及优化设计
关于白车身强度分析及优化设计摘要：先谈一谈车身强度分析的方法，而后提出基于强度要求的白车身设计方法，指出当悬架、副车架安装位置不同时，强度设计要点与方法有所不同，最后提出白车身强度优化技巧。
关键词：汽车；强度；应力；设计对于汽车来说，车身强度可以直接影响和决定汽车的结构强度，若车身强度不够，则容易导致汽车的整体结构受到影响。
在汽车行驶过程中，车身结构需要承受不同的荷载，且不能出现裂纹、塑性变形、损坏的问题。
如果在设计过程中存在车身强度不足的问题，则汽车行驶过程中较容易出现塑性变形，汽车的行驶安全与使用寿命随之受到影响。
也正是因为如此，在汽车设计中，必须高度重视车身强度分析及优化设计，充分确保汽车车身的强度。
本文较系统的探究了白车身强度及优化设计，现作如下的论述。
一、车身强度分析的方法车身强度分析十分重要和必要，必须始终视为车身结构优化设计的重点。
汽车的白车身可以承载多种工况下的整车重力与加速度，主要有右转、静止起步、垂直冲击、制动、左转。
在行驶过程中，各个零部件因为受力和大小的不同，为避免出现车身结构开裂、变形等风险，在早期的设计过程中便需要确保每一个零部件有足够的强度。
就车身强度分析的目的来说，最根本的目的是精准评估每白车身每一个零部件的运行情况，确保在各种工况下均可以安全平稳的运行。
若是评估结果低于零部件本身的强度，则表明车身强度不足，必须进行针对性的加强处理[1]。
目前来看，在车身强度分析中，主要是分析五种工况下车身零部件的受力大小，包括静止起步、垂直冲击、右转、制动、左转。
车身强度分析时，可以在ADAMS（机械系统动力学自动分析）里面计算并提取相关信息，关键信息是不同工况下前后悬架与减震器连接点的荷载。
考虑到重力场的作用，对轮心做好约束，并且要释放约束惯性。
在判断与分析白车身强度结果时，有最为基本和重要的一条准则，即白车身的最大应力不能超过其零件的屈服强度。
二、基于强度要求的白车身设计方法在分析白车身强度时，无论是哪一种工况，白车身所受到的力均是由悬架、副车架安装点向周边件传递的，所以悬架、副车架的安装部位受力最大，这一种力可以朝着焊接点向周边的零部件传递。
白车身结构设计的原则
QJ/ZX 03.0X—2007 Array5 白车身结构设计的原则5.1 基本原则5.1.1 白车身设计是一个复杂的系统并行设计过程，要彻底地摒弃孤立地单个零件设计方法，任何一个零件只是其所处在的分总成的一个零件，设计时均应考虑其与周边相关零部件的相互关系。
5.1.2 任何一种车型的白车身结构均可按三层板的设计思想去构思结构设计，即最外层是外板，最内层是内板，中间是加强板，在车身附件安装连接部位应考虑设计加强板。
5.1.3 所设计的白车身结构应首先确定在满足整车性能、结构、冲压工艺、焊接工艺、涂装工艺、总装工艺上是否比参考样车或其他车型更优越，是否符合本公司或国内（客户）的实际生产状况，以便预先确定结构及工艺的改良方案。
5.1.4 白车身在结构与性能上应满足车身所需的承载能力,即强度和刚度要求。
5.1.5 除非有更优越的结构，逆向设计时应尽量保持与样车一致。
5.1.6 白车身设计应坚持经济性原则。
5.2 零部件结构选用原则5.2.1 新开发零部件应采用当前国内外技术成熟、性能先进、质量可靠的零部件。
5.2.2 改型产品应尽可能选用基础车型中的技术成熟、性能先进、质量可靠的零部件,以提高零部件的通用化程度,减少产品的开发费用和零部件的管理费用。
5.2.3 对于有产品系列规格要求的零部件,应按标准规定的规格选择设计。
5.3 钣金件设计的原则5.3.1 结构复杂化，以求最大强度、刚度设计车身钣金结构尽可能复杂化，在大于50x50mm的区域内布置加强凹坑、筋等特征；车身钣金结构尽可能复杂化，尽可能用自由曲面代替平面。
5.3.2 轻量化设计在满足强度和刚度的前提下，应选取较薄的料厚；在满足强度和刚度的前提下，应考虑布置减重孔；在满足强度和刚度的前提下，不应出现不必要的零件。
5.3.3同一零件设计对于一些零部件（如一些小的加强板，比较规则的纵横梁等），可以考虑设计成自身是关于某一面对称的，这样左右件可以使用同一件。
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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:ACross Secti on Opti m i zati on for Thi n W all ed Bea mof Vehicle B I W i n Concept Design PhaseKONG M i n 1,GUO Yong ji n 1,LI U Bo2(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所图2 某门槛梁截面示)以及板件的厚度决定的,直接影响车身的刚度性能。
1.1 基于响应面的梁截面属性计算公式响应面法是通过构造一个具有明确表达形式的多项式来近似表达隐式功能函数,它采用有限的试验,通过回归分析拟合出解析表达式来代替真实响应面[6]。
一般来说,系统的响应量y 与设计因子(x 1,x 2, ,x n )可以表示成:y =g (x 1,x 2, ,x n )+ 。
通过试验设计,系统响应与设计因子表示成下面的回归模型:y =f (x 1,x 2, ,x n )+ 。
其中 是误差分量,f (x )是g (x )的近似函数.目前构造响应面的方法主要有多项式、指数函数和对数函数拟合,以及人工神经网络(ANN )、样条插值等近似方法,式(1)给出了二次多项式的近似函数。
y = 0+!ni=1ix2i+!nj=1j x2j+!ni,j=1 ijx i xj+ (1)图3 截面分段计算截面属性将车身梁截面定义为由长度为L 、宽度为e (即实际板厚)的多条线段连接构成,如图3所示,其中Centro i d 为截面的质心,(y 1i ,z 1i )、(y 2i ,z 2i )分别为第i 线段的起点和终点。
通过响应面法(以3个开口梁、3个单连通区域梁和3个双连通区域梁为样本梁),得到用于计算梁截面面积、惯性矩、惯性积、扭转常数等截面参数的公式:S =!L i *e i(2)I yy =!L e 312co s 2 +L 3e 12s i n 2+eLC 2y (3)I z z =!L e 312sin 2 +L 3e 12co s 2+e LC 2z (4)I yz =!L 3e -L e 312sin 22 +eLC y C z(5)J 0=!L e 33(6)J c s=4A 2int ∀dL e(7)J =4{S 21(L 2/t 2+L 3/t 3)+2S 1S 2L 3/t 3+S 22(L 1/t 1+L 3/t 3)}L 1L 2/t 1t 2+L 2L 3/t 2t 3+L 1L 3/t 1t 3(8)式中:S 为封闭截面的面积;e 代表线段处板厚;L 为线段的长度, 为该线段在坐标系中与y 轴的夹角;C y 与C z 分别为从线段质心到截面质心的y 、z 方向上的距离。
公式(2)为计算封闭或开口截面的截面面积的公式,公式(3)至(5)用于求封闭或开口截面的截面惯性矩,公式(6)用于求开口截面的截面扭转常量,公式(7)用于求单腔(梁截面由内板和外板构成)封闭截面的截面扭转常量,公式(8)用于求双联通(梁截面由内板,外板和加强板构成)封闭截面的截面扭转常量。
其中L 1、L 2、L 3分别为形成封闭区域内板、外板及加强板的长度,S 1、S 2分别为三板围成的两个封闭区域的面积。
1.2 截面形状变化设计变量图4 比例S 向量法控制截面连续变化为了进行截面的优化,需要缩减梁截面的设计参数。
这里采用比例向量法来表达优化设计中的梁断面[7]:长度变化量SV 和角度变化量 。
图4表示了 为90#,SV 分别为0.7、1、1.3的内板连续变化过程。
可以看出,通过控制相应的两个变量,可以使截面形状随之呈规律性变化。
比例向量法的基本思想为:原坐标系为O -yoz 坐标系,在确定完角度值 之后,将原坐标系旋转 角度后即为O -y ∃oz ∃坐标系,临时坐标为公式(9)所示。
y ∃z ∃=co ssin-s i n cos yzinit=co s *y init +sin *z i n it-sin *y init +co s *z init(9)在O -y ∃oz ∃坐标系引入S V 长度变化因子,在考虑原有转换角度后,转换最后的新坐标表示为y z =cos -sin si ncosy ∃*SV z ∃=co s *y ∃*SV -s i n *z ∃s i n *y ∃*SV +cos *z ∃(10)比例向量控制法通过长度变化因子S V 和角度 实现对截面形状的连续变化控制,为截面形状优化和逆向推导带来了极大的方便。
论述中首先确定控制点坐标的变化方向(即角度值 ),然后通过改变长度SV 使截面形状呈规律性变化。
当然角度值也可以作为设计变量,但这将使得优化的总设计变量的数目增加一倍。
2 白车身梁截面形状优化2.1 梁截面形状优化设计方法如图5所示为概念设计阶段基于刚度的白车身梁截面的优化设计流程。
121第6期 孔 敏等:轿车白车身概念设计阶段梁截面优化设计图5 基于刚度概念化阶段梁截面的优化设计流程首先对车身质量和刚度(包括弯曲和扭转刚度)进行灵敏度分析。
考虑到板厚对质量的影响体现在截面面积上,所以这里只考虑截面面积对整车质量的灵敏度,因而以各梁的截面面积为变量,在A lta ir /O pti Struc t 中对其进行灵敏度分析。
灵敏度分析完成后,通过相对灵敏度K B 和K T ,即弯曲与扭转刚度对质量灵敏度的比值,来筛选出对车身刚度和质量贡献度最大的梁,即需要重点优化的梁。