轿车车身结构轻量化设计技术

– 车身结构拓扑优化
• 基于密度的方法 • 复合材料均质化方法
– 结构识别
车身结构轻量化设计
• 截面形状、尺寸优化方法
– 建立梁、板壳单元有限元模型 – 优化结构形状、尺寸
• 梁截面形状、尺寸 • 板的厚度
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– 设计等效车身结构
• 用薄板焊接结构代替梁 • 建立车身设计明细
车身结构轻量化设计
• 车身结构性能分析
车身结构轻量化设计方法研究
• 更新设计思想 • 结构优化设计 • 采用轻质材料
– 铝合金的应用 – 镁合金的应用 – 高强度钢板和特种钢板的应用 – 塑料和复合材料的应用
• 革新制造工艺
汽车轻量化设计
• 轻量化设计意义
– 节能、环保 – 提高动力性 – 降低制造成本，提高产品竞 争力
• 轻量化设计方法
• 当前热点
– 铝合金材料车身结构 – 高强度钢车身结构 – 车身结构的多学科综合优化设计
车身结构轻量化材料应用实例
• Audi A8和Audi A2全铝空间框架（Space Frame）结构车身 • ELISE全铝合金车赛车 • carbon-fiber composite body structure in Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle • Jaguar Car by Topology Optimization
– 轻量化材料
• • • • 高强度钢板和特种钢板 铝、镁轻金属合金 塑料、复合材料 泡沫材料
– 轻量化结构设计
• 车身结构轻量化设计 • 底盘部件轻量化设计 • 发动机动力总成轻量化设计
轻量化设计的历史和发展方向
• 历史
– 车辆的小型化 – 部件的轻量化优化设计
• 发展方向
– 以轻量化为主要目标的整车综合性能的优化设计 – 多材料组合的车身结构的优化设计
Audi A8全铝空间框架结构车身
ELISE全铝合金车赛车
Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle
Jaguar车身结构轻量化设计
• 车身整体结构的拓扑优化
– 定义车身结构设计空间 – 设计空间离散化
• 实体单元
– 定义车身性能评价指标
• 扭转刚度 • 最低固有振动模态
5,000
300 250
225 279.5
2006 Light Vehicle Aluminum Content
Average Curb Weight 50% SUVs and Pickup Trucks 5% SUVs and Pickup Trucks
7.74% Aluminu m
259.28 lb/v
7.18% Aluminum 251.33 lb/v
Japan
Source: Ducker report December 2005
车身结构轻量化设计实例
• Audi A8和Audi A2全铝空间框架（Space Frame）结构车身 • ELISE全铝合金车赛车 • carbon-fiber composite body structure in Hypercar, Inc.’s Revolution concept vehicle • Jaguar Car by Topology Optimization
轿车车身结构轻量化设计技术概述
吕毅宁
清华大学汽车工程系
汽车轻量化设计
• 轻量化设计模型
Min. s.t. Safe Weight Comfortable
Fuel Efficient
Cost Effective
Environment Compatible
etc.
• 轻量化设计方法
– 拓扑优化 – 截面形状、尺寸优化 – 集总模型参数优化
油底壳加强筋优化设计（Altair）
车身结构轻量化设计（Altair）
发动机罩的优化设计
焊点优化设计
• 轻量化设计基础
– 车身结构设计方法 – 车身结构性能分析 – 优化设计方法
轿车车身结构轻量化设计的意义
• • • • 有助于提高车辆的动力性和经济性 降低能源消耗和减少废气排放 改善制动性 车身结构与整车其他部分有较强的关联性， 车身轻量化对整车轻量化具有较大的波及 效果 • 可以提高我国的车身设计开发水平，同时 增强我国整车自主研发能力，对行业发展 具有重要的战略意义
底盘部件的轻量化设计 （FE-DESIGN GmbH，TOSCA）
• 底盘
– 悬架导向机构部件的拓扑 优化设计 – 油箱的拓扑优化设计
• 动力传动系
– 壳体、支承结构件 – 传动部件 – 操纵部件
油箱底面条纹的拓扑优化
汽车变速器拨叉的拓扑优化
下控制臂的优化设计 （Altair，OptiStruct）
– 刚度分析 – NVH特性分析 – 碰撞安全性分析
Ranking 1 2 3 4 5 6 7 8 Load Case Torsion Front crash Side crash Rear crash Vertical bend Rear end bend Roof crush Prop centre bearing Attribute NVH Crash Crash Crash NVH NVH Crash NVH Weighting % 45 15 10 10 5 5 5 5
Light-weighting part-by-part
Light-weighting by increments more successful than wholesale change
轻量化材料在汽车中的应用
Weighted Average Light Vehicle Aluminum Content
European Union
3.6% CAGR
4,000 3,000 2,000 1,000 0 North America
20% SUVs and Pickup Trucks
Pounds Per Vehicle
200
135
5% CAGR
150 100 50 0 1990 2000 2006
7.97% Aluminu m 318.7 lb/v