基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
白车身扭转刚度分析及优化_翁洋-13
白车身扭转刚度分析及优化翁洋张伟（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海，200804）摘要：白车身结构是否具备合理的静态扭转和弯曲刚度对于提升整车的结构耐久和NVH性能是至关重要的。
不同的车型，刚度的目标值也不同。
车身结构的刚度值可以通过试验或者有限元分析得到，使用有限元方法来模拟白车身刚度试验，通过试验结果来验证有限元分析的正确性。
BIW Torsion Stiffness Analysis & OptimizationAbstract：Adequate static torsion stiffness of BIW is essential for better overall durability and NVH performance. Stiffness targets vary for different vehicles. The stiffness can be evaluated experimentally and analytically. The FE results can be used to correlate CAE to testing data.引言在小型乘用车设计开发中，对车身结构设计进行有限元分析计算是有效缩短产品开发周期、节约产品开发及实验费用、提高产品可靠性的重要技术手段。
因此车身的扭转和弯曲刚度作为衡量车身设计的一项重要条件，对其进行准确的分析计算成为设计开发中的一项不可缺少的重要内容。
为了和白车身刚度试验结果对比，分析中所需的零件需要和试验一致。
可以通过优化软件进行DOE分析，并根据分析结果调整对产品性能起主要作用的参数进行优化设计。
建立有限元模型本文所涉及的有限元模型采用Hypermesh进行前处理。
网格模型由Quard4、Tria3单元以及相应的焊接单元构成，并且单元质量符合指定的建模标准。
模型结构如图所示白车身结构网格模型边界条件后减震塔约束3个方向的自由度，前横梁中心约束5个方向的自由度。
基于有限元的白车身模态刚度CAE分析及其优化
摘要汽车工业发展到今天，汽车车身已成为影响其各种性能的最大组成部分之一，特别是轿车车身，它在很大程度上决定了汽车的商品价值和销售市场。
近几十年来，人们对汽车的安全性、舒适性、经济性、可靠性和耐久性的要求越来越高；由于能源的紧缺和激烈的汽车市场竞争，又迫使汽车要实现轻量化并尽可能降低成本，因而引发材料工程与制造业巨大的变化，并促使设计理念和设计方法不断改进。
有限元法是关于连续体的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它在车身结构分析中发挥着重要的作用。
本论文利用先进的CAE技术，以某轿车白车身为主要研究对象，在Hyperworks软件下，建立了轿车白车身详细有限元模型，进行白车身自由模态分析、扭转工况和弯曲工况下的白车身刚度分析，以检测白车身是否满足基本的模态刚度要求。
并利用CAE 软件进行白车身钣金件的优化，以达到轻量化的目的，提高白车身的经济性和安全性，满足市场需求。
关键词：白车身模态刚度Hyperworks 优化备注：因要遵循公司保密条约，本论文数据已处理。
Modal and Stiffness Analysis and OPtimizationon Body-in-whiteof Car Based on Finite Element MethodAbstractAutomobile industry development today, the body has become the various properties of the largest part of the car body, in particular, it largely determines the value of the goods and the sale market of automobile. In recent decades, the vehicle safety, comfort, economy, reliability and durability of the increasingly high demand; because of the shortage of energy resources and the car market with intense competition, and forced the car to lighten and reduce costs as much as possible, and thus lead to materials engineering and manufacturing industry tremendous changes, and make the design concept and design method of continuous improvement. The finite element method is a kind of continuum discrete numerical calculation method, the mechanics model to approximate the numerical method,the body-in-whit structure analysis plays an important role.In this paper, the use of advanced CAE technology, to body-in-whit as the main research object, in Hyperworks software, establish the detailed finite element model of body-in-whit, for white body free modal analysis of torsional and bending condition and working condition of BIW stiffness analysis of body-in-whit, to detect whether meet the basic modal stiffness degree requirements. And the use of CAE software for white main body sheet metal parts optimization, has reached the goal of lightening the body-in-whit, improve the economy and safety of, meet market demand.Key words:Body-in-whit Moda Hyperworks Stiffness Optimization目录中文摘要 (Ⅰ)英文摘要. (Ⅱ)目录 (Ⅲ)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2国内外车身CAE技术研究现状 (2)1.3本文的主要内容 (3)第二章有限元法理论 (4)2.1引言 (4)2.2有限单元法和白车身刚度的基本原理 (4)2.2.1有限元和模态分析基本理论 (4)2.2.2白车身扭转刚度基本理论 (5)2.2.3白车身弯曲刚度基本理论 (7)2.2.4白车身门窗开口变形理论 (8)第三章某轿车白车身有限元建模 (9)3.1引言 (9)3.2建模要求 (9)3.2.1网格标准的确定 (9)3.2.2网格质量要求 (9)3.3建模的基本步骤 (10)3.3.1建模原则 (10)3.3.2单元类型的选择 (10)3.3.3连接方式的选择 (10)3.3.4单位制及材料特性 (11)3.2.5模型的装配 (11)第四章轿车白车身模态分析 (13)4.1白车身模态分析的意义 (13)4.2白车身模态分析的基本设置 (13)4.3白车身模态分析结果分析 (13)4.4本章小结. (16)第五章轿车白车身刚度分析 (17)5.1引言 (17)5.2白车身扭转工况分析 (17)5.2.1加载及约束条件 (17)5.2.2白车身扭转刚度结果表达及评价标准 (18)5.2.3轿车白车身扭转刚度数据处理及分析结果 (18)5.3白车身弯曲工况分析 (22)5.3.1加载及约束条件 (22)5.3.2白车身弯曲刚度结果表达及评价标准 (22)5.3.3轿车白车身弯曲刚度数据处理及分析结果 (23)5.4本章小结 (25)第六章轿车白车身优化分析 (26)6.1引言. (26)6.2优化分析的基本原理 (26)6.3优化分析的基本步骤 (27)6.3.1在Hypermesh中完成相关设置 (27)6.3.2提交Nastran完成计算 (28)6.3.3提取灵敏度信息 (28)6.3.4确定优化方案 (28)6.4白车身优化结果分析 (28)第七章结论与展望 (29)7.1本文结论 (29)7.2工作展望. (29)参考文献 (30)致谢 (32)第一章.绪论1.1引言近几年，我国汽车工业快速而稳步发展，打造我国自主品牌、开发核心技术是我国汽车工业的必然选择。
白车身模态灵敏度分析及厚度优化
零件
护板 行李箱罩支撑 后备箱门闩盖
管路_07 后顶管 后支架 后背门门闩底板 后背门门闩底板 管路_06
右A柱 左后支架 左斜底梁 左斜底梁 右A柱下护板 右端盖 左A柱下护板 左端盖
Sensitivity
0 -0.05
-0.1 -0.15
-0.2 -0.25
-0.3 -0.35
-0.4 -0.45
白车身模态灵敏度分析及厚度优化:弯曲模态灵敏度
Variable
变量
d224 d513 d449 d384 d353 d23 d138 d421 d243 d464 d440 d119 d102 d33 d527
通过对白车身535个零件模态灵敏度分析底梁对于重量、扭转模态、
弯曲刚度的灵敏度影响较大；
底板对于重量灵敏度的影响较大；
分析目标： 设计变量： 变量范围： 约束条件：
评价指标：
白车身重量最小
白车身535个零件厚度
初始厚度±20% 一阶扭转及一阶弯曲模态频率达标,弯曲和扭转 刚度大于目标值 若目标件的灵敏度在多个变量中排名前20，则 不建议改动
d369 d314 d284 d359 d483 d504 d172 d247 d472 d171 d264 d30பைடு நூலகம் d499 d184 d484
中横梁 中前底横梁 左斜底梁
后墙 左A柱螺柱管 右A柱螺柱管
A柱横梁 右斜底梁 前下方设备面板 后支架
右A柱 中横梁 右A柱下护板 左斜底梁 左A柱下护板
底部内部构件 右上端缓冲装置 左侧撞击连接护板
左变速器通道 右变速器通道 保险杆支撑 保险杆支撑
d247 d360 d239 d235 d448 d301 d246 d264 d302 d184 d284 d499 d231 d484 d299
白车身灵敏度分析规范
1
1
DESVAR
1 gc10.75 0.6 0.9
$HMNAME DVPRELS 1
~gc1 1
DVPREL1 1
PSHELL
1
4
1
1.0
5. 选择 SOL200 求解器
关键字：SOL 200
6. 设置分析类型
变量的初始值、下限和上限
变量和板件属性关联
0.0
PDF created with pdfFactory Pro trial version
白车身灵敏度分析规范1of10pdfcreatedwithpdffactoryprotrialversion1标题摘要目录11标题标题部件子系统名上一级系统版本号白车身灵敏度分析规范白车身na目的相关的试验规范分析白车身性能对板件厚度的灵敏度na撰写人撰写日期黄石华2011032612摘要白车身灵敏度分析就是确定白车身特性响应对板件厚度变化的灵敏度白车身特性响应主要包括扭转模态频率和扭转刚度弯曲刚度工况下的关注点位移
白车身灵敏度分析规范
PDF created with pdfFactory Pro trial version
1 of 10
1 标题/摘要/目录
1.1 标题
标题
白车身灵敏度分析规范
目的
部件/子系统名 上一级系统
白车身
N/A
相关的试验规范
分析白车身性能对板件厚度的灵敏度
S
i r
=
0.01M 0
S
i m
P0
×
S
i p
× 100%
（1）
式中，
S
i r
为第
i
个部件的相对灵敏度；
M 0 为白车身初始状态总重量；
基于扭转刚度的白车身减重优化
机电技术
2019 年 2 月
基于扭转刚度的白车身减重优化
李文彬
（东南（福建）汽车工业有限公司，福建 福州 350119）
摘 要：白车身（Body in White，BIW）的扭转刚度是车身重要的力学性能之一，对整车各方面的性能有着直接或间接 的影响。以某 SUV 车型为研究对象，运用 HyperMesh 软件建立了 BIW 的有限元模型，并对 BIW 的扭转刚度进行了仿真分 析；为了提高 BIW 的扭转刚度，利用 OptiStruct 软件分析了零件板厚对扭转刚度的灵敏度，得到了影响 BIW 扭转刚度的关 键区域；基于灵敏度分析结果，从板厚、焊点两个方面对扭转刚度进行了优化；对比最终优化前后的结果，扭转刚度增加了 16.6 %，质量减少了 3.9 kg。
1 BIW 扭转刚度的数值计算
1.1 BIW 有限元模型的建立
本文用于分析扭转刚度的 BIW 模型主要包括
A 柱、B 柱、C 柱、地板、顶棚、前后围等部件，不包 括玻璃和 IP 横梁。利用 HyperMesh 软件对各个零 部件进行有限元网格划分，划分网格时采用四边 形单元和三角形单元混合建模的方法，平均单元 尺寸为 7 mm，同时控制单元的网格翘曲度、雅克 比、四边形及三角形的最大最小内角等满足质量 指标。根据 BIW 的结构特点，粘胶采用 adhesives 模拟，焊点采用 acm 模拟、焊点直径为 6 mm，螺栓 连接等其他连接方式采用 rigid 单元模拟。整个 BIW 有限元模型共有 977 352 个单元，如图 1 所示。
效于在连线中点处加载 2000 N·m 的力矩。
车身扭转刚度定义为：
KT
=
M θ
=
M
arctan[
d1
石朝亮_基于HyperWorks白车身灵敏度分析及结构优化
KU P
式中，K 是刚度矩阵；U 是单元节点位移矢量；P 是单元节点载荷矢量。
K U P U K X X X
则
U P K U K 1 X X X
一般，结构相应（如约束函数 g）可以描述为位移矢量 U 的函数：
g QTU
所以结构响应的灵敏度[2]为：
各板件质量灵敏度和刚度灵敏度值序号质量灵敏度刚度灵敏度序号质量灵敏度刚度灵敏度220e04600e0510157e04841e05286e03292e0211226e04228e04360e04428e0412342e04141e04117e02191e0213123e03109e03509e03123e0214903e04450e04595e04244e0415305e03428e03120e04188e04158e04693e05186467e03730e02119e04151e04187246e03598e03altair2012hyperworks技术大会论文集白车身各刚度灵敏度区间板件42确定优化方案结合上述质量灵敏度和刚度灵敏度的分析结果增厚质量小且对刚度敏感的板件减薄质量大且对刚度不敏感的板件
-3-
Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
<1%
1%~3%
3%~5% 图 2 白车身各刚度灵敏度区间板件
>5%
4.2 确定优化方案
结合上述质量灵敏度和刚度灵敏度的分析结果，增厚质量小且对刚度敏感的板件，减薄质 量大且对刚度不敏感的板件。由于白车身中碰撞吸能区、能量传递区和乘员保护区等部位影响 汽车的碰撞性能，在确定优化方案的过程中，这些部位的汽车板件暂不作厚度更改。 在确定零件厚度变化范围时，只要车身零件的厚度调整适度，相应的加工模具就可以不用 改动或只作小改动。根据实际经验，当板件厚度<1.5mm 时，板件增厚与减薄最大值分别为 0.2mm 与 0.1mm；当板件厚度≥1.5mm 时，板件增厚与减薄最大值均为 0.2mm。 最终确定减薄和增厚的部件如图 3 所示，具体参见表 2。
某铝制物流车白车身刚度灵敏度优化分析
0前言为了应对日益突出的能源危机和环境污染，实现可持续发展，轻量化已成为汽车产业的发展方向之一。
由于车身质量占整车质量的40%~50%左右，因此车身是轻量化设计的关键总成[1-2]。
然而，在实际路况中，车身需要承受弯曲、扭转、颠簸、转弯、制动、驱动等各种载荷，因此，车身刚度性能设计的合理与否将直接影响到整车的可靠性、安全性、NVH等多方面性能[3-5]。
所以，如何在保证刚度的基础上实现轻量化是车身设计的重要课题。
此外，传统汽车多为钢制，铝合金因具有质轻、可塑性强、回收好等一系列优良性能而被广泛应用，目前越来越多的汽车采用铝制材料[6-8]。
然而国内铝合金车身的应用尚未成熟，文献中关于铝制汽车方面的研究也相对较少，因此对铝制白车身进行研究具有十分重要的意义。
作为轻量化设计的技术手段之一，灵敏度优化分析广泛应用于汽车概念设计及详细设计阶段[9-11]。
本文以某铝制物流车白车身为研究对象，建立有限元模型，在对初始方案进行刚度分析的基础上，以白车身质量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度不低于目标值为约束条件，以白车身料厚为设计变量，得到弯曲刚度对车身料厚的灵敏度，对灵敏度大的车身料厚进行加厚处理，对灵敏度小的车身料厚进行减薄处理，最终得到优化后的车身料厚分布。
1灵敏度优化分析理论灵敏度是设计响应对设计变量的偏导数，反映出设计响应对设计变量变化的敏感程度[12-13]。
对于有限元方程：KU=P（1）式中，K为刚度矩阵；U为单元节点位移矢量；P为单元节点载荷矢量。
两边对设计变量X求偏导数：∂K∂X U+K∂U∂X=∂P∂X（2）则节点位移向量U对设计变量X的偏导数为：∂U∂X=K-1(∂P∂X-∂K∂X U)（3）一般来说，设计响应是位移矢量U的函数：g=Q T U（4）所以设计响应对设计变量的偏导数为：∂g∂X=∂Q T∂X U+Q T∂U∂X（5）由此即可求得目标函数和约束函数对设计变量某铝制物流车白车身刚度灵敏度优化分析杨珊，夏德伟，王雪飞（辽宁忠旺集团有限公司产品设计与应用研究所，北京100102）摘要：以某铝制物流车白车身为研究对象，通过建立有限元模型对其初始方案进行弯曲刚度和扭转刚度分析。
SUV白车身扭转刚度的分析与优化_熊辉
日习则学不忘，自勉则身不坠。
— — —徐干
－ 43 －
３）前轮罩处增加接头布置，形成完整的环状路径， 增大环状结构截面面积，加大结构加强件料厚。
４）关键接头部位增加结构胶和焊点，提升车身扭 转刚度。
通过灵敏度分析以及车身结构优化设计，最终计 算得到白车身扭转刚度是 １７ ８７０ Ｎ·ｍ（／ °），提升量为 ４ ０２１ Ｎ·ｍ（／ °），提升率为 ２２．５%，满足项目设定目标。 同时白车身弯曲刚度提升了 １６．７%，弯曲和扭转模态也 得到了有效的提升。
极大提高产品可靠性。因此针对车身的扭转刚度对白 车身进行准确的有限元建模分析成为设计开发中一项 不可缺少的重要内容。
某款 ＳＵＶ 车型扭转刚度分析思路，如图 ３ 所示［２］， 首 先 把 工 程 设 计 ＣＡＴＩＡ 数 模 导 入 有 限 元 分 析 软 件 ＨｙｐｅｒＭｅｓｈ，然后进行单个零件网格建模、连接、支撑、
参考文献 ［１］ 高云凯，蓝晓理，陈鑫． 轿车车身模态修改灵敏度计算分析［Ｊ］． 汽车工
程，２００１，２３（５）：３５２－３５５． ［２］ 仇彬． 轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［Ｄ］． 安徽：合肥工业
大学，２００７：１８． （收稿日期：２０１５－０９－２７）
人能不食十二日，惟书安可一日无。
— ——陆游
考虑到白车身的受力传力复杂性，本次采用的是 详细有限元模型。建模重点过程分为结构优化、单元 选取、单元数量和质量控制、网格布局及连接方式模
步分析，分析各个环的截面和连续性等；然后挑选出各 个环中的关键件并进行简化建模和灵敏度分析，白车 身简化模型图，如图 ７ 所示。灵敏度分析可以迅速找出 对白车身扭转刚度影响的关键部件并分析出贡献量， 为后期设计优化提供重要的支持。
基于灵敏度分析的白车身扭转刚度优化
基于灵敏度分析的白车身扭转刚度优化
郑孟;李阳;郝海舟;张健
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2014(23)4
【摘要】为提高某量产车型白车身(Body in White,BIW)扭转刚度,提出一种基于灵敏度分析的BIW刚度优化方法.深入阐述灵敏度分析原理和车身刚度优化策略,分析该车型车身开发中的37个低成本横向构件的料厚变化对BIW扭转刚度的影响.通过对BIW有限元模型的计算和分析,验证优化策略并对比优化前后的BIW扭转刚度性能.结果表明该方法以较低成本就可达到车身扭转刚度的较大提高.
【总页数】5页(P21-25)
【作者】郑孟;李阳;郝海舟;张健
【作者单位】中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车轻量化工程技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122
【正文语种】中文
【中图分类】U461.7;U461.91
【相关文献】
1.基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析 [J], 王志亮;刘波;马莎莎;曹洪娜
2.基于扭转刚度的白车身减重优化 [J], 李文彬
3.基于有限元分析的某重卡白车身扭转刚度优化设计 [J], Zhao Zhen;Shan Changzhou;Wang Xiangting
4.基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析 [J], Tian Pei;Hua Rui
5.基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计 [J], 李铁柱; 华睿; 黄维
因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。
轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析
轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析作者：刘盼,夏汤忠,王萍萍,刘文华,袁智,陆志成来源：《汽车科技》2011年第06期摘要：本文以某轿车白车身为研究对象，建立有限元模型，采用优化软件OptiStruct，以车身结构件的板厚为设计变量，进行车身一阶扭转固有频率、车身扭转刚度对板厚的灵敏度分析，找出对车身动、静态特性影响较大的部件，据此确定车身结构的最优设计方案。
该方法能够为车身结构动态、静态特性的改进、车身的轻量化和车身结构的优化设计提供重要依据。
关键词：白车身；有限元；OptiStruct；灵敏度分析中图分类号：U463.82+1 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）06-0042-04Mode and Torsional Stiffness Sensitivity Analysis of a Passenger Vehicle BodyLIU Pan，XIA Tang-zhong，WANG Ping-ping，LIU Wen-hua，YUAN Zhi，LU Zhi-chen（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，Technology Center Vehicle Department，Wuhan 430056，China）Abstract：In this paper，a finite element model is developed to analyze the sensitivities of its natural frequency and torsional stiffness and mass to the thickness of sheet of the body.The optimization software of OptiStruct is adopted. The main parts which are greatly affecting the dynamic and static characteristics of bodywork are found. According to the analysis results，an optimal conceptual design is given. This method provides an important reference for improving the dynamic and static performance of bodywork，lightening its weight and optimizing its design.Key words：white bodywork；finite element；optiStruct；sensitivity analysis随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得CAE仿真模拟分析技术展现出高效、详细和低成本的强大优势，CAE仿真分析优化技术已广泛应用于汽车研发设计各个阶段，在车身开发设计中显示出其强大的作用。
基于灵敏度分析的乘用车白车身尺寸优化
freq - FREQ Mode 2
Subcase 1 7.71E-01 1. 43E+00 1.35E-01 4.01E-01 2.04E-01 3.03E-01 & 91E-02
Weighted Reciprocal Eigenvalue Frequency (频率倒数)及
Frequency (频率)等。
2.3尺寸优化函数
Minimize: f(X)=f(X[, x2,…，xj
Subject to: g«X) « 0, j= 1,…，m
hk(X)«0, k= 1,…，mh
式中：
141 环境技术 / Environmental Technology
1白车身一阶扭转模态 模态介绍：特征值提取，无阻尼的有限元模型特征 值提取公式
K1™—刚度矩阵（如果基础状态包括几何非线性的影 响，则包括初始刚度）；
駅一W征向量（振动的模态）； M&N—自由度。 搭建好的白车身有限元模型，采用NASTRAN软件 求解器计算。白车身求解一阶扭转模态的过程即，根据
X;L < X: < Xj, i= 1,…，n
X=(xj , X2 …，xj—变量； f(X)—目标响应；
g(X)、h(X)—约束响应。
2.4尺寸优化原理 通过设置飯金件壳厚度优化范围，设置一阶扭转模
态不低于目标值，可进行轻量化优化，获取轻量化性能
最佳的厚度分布结构；
设置一阶扭转模态高于初始值，可进行一阶扭转模
2.2尺寸优化的设置参数 变量指：变化的物理量，比如材料的密度，壳单元
基于灵敏度分析的MPV白车身轻量化优化研究
基于灵敏度分析的MPV白车身轻量化优化研究作者：江想莲王子剑王定虎来源：《科技风》2018年第06期摘要：为使白车身结构轻量化，以降低整车质量，本文以某MPV的白车身作为研究对象，首先建白车身有限元模型，计算车身弯曲扭、转刚度对车身的料厚的灵敏度分析，结合灵敏度系数对车身轻量化优化设计，并进行刚度和碰撞性能分析验证，经验证满足目标要求。
本次研究结果对车身轻量化优化具有重大指导意义。
关键词：灵敏度；轻量化；刚度随着越来越多的消费者购买汽车，改善人们生活水平的同时，其燃油、排放也为能源供给、环境保护和道路交通安全也带来巨大压力。
因此节能减排也成为汽车工业面临的一个重大挑战。
汽车的轻量化也成为实现节能减排的一个重要手段，有试验表明，汽车质量没减轻10%，油耗下降6%-8%，排放量下降4%，同时可直接提高汽车的比功率，使得汽车的动力性能提高，因此汽车轻量化技术对降低油耗、减少排放的起着至关重要的作用[1]。
目前汽车轻量化技术已经成为汽车工业界的研究热点，汽车轻量化是指在保证汽车原有的行驶安全、结构强度、舒适性等性能不降低，汽车造价不被提高的前提下，有效地减轻汽车的重量；主要采取材料轻量化和结构轻量化两种方式实现汽车的轻量化目标[2]。
本文则采用结构轻量化方式对白车身主要结构的料厚进行轻量化优化，结合弯扭刚度对结构料厚对的灵敏度实现对白车身高效的轻量化优化。
1 车身结构灵敏度分析1.1 灵敏度分析基本理论灵敏度是优化设计中某个设计变量的变化对系统的结构特性的影响程度，即结构性能参数Ti对设计参数Xi变化的敏感性，可表示为[3]：在有限元线性静态的优化分析中，约束和目标函数均可能为静力平衡方程位移解的响应，由于弯曲和扭转刚度的载荷F均为常量，因此目标函数或约束等有关节点位移函数的性能参数对设计变量的灵敏度可表示为下式[4]，其中T表示为结构性能参数，d表示为性能参数相关的节点位移，x表示为结构变量：1.2 变量的设定本次分析以白车身为研究对象，同时兼顾整车强度以及抗撞性要求，前机舱的主要梁架件均未参与本次灵敏度分析，主要选取结构料厚偏大的结构件设计为变量，主要包括有側围内外板总成、前后地板总成以及部分前壁板组件，本次参与料后灵敏度优化结构件共有143个。
基于刚度灵敏度方法的白车身轻量化设计优化分析
中后期 的某款 车为例，利用有 限元 软件进行 了计 算和分析，综 合质量灵敏度、 刚度 灵敏度和优化
板件 的数量，提 出了一种优化 方案。在不降低汽
车性能或者 性能降低较小 的情 况下 ，通过实例分 析 使 白车 身重量 减小 １ Ｏ ． ２ ％，实 现 了车辆 的轻
量化。
【 关键词】： 弯曲刚度 ： 扭转刚度 ： 优化分析 ： 灵敏性分析
轻 量化设计对车 身性能的影响作用， 因为车身模 态、板件 振动 及 Ｎ Ｖ Ｈ特 性都可 以直 接或 间接地 通 过 刚 度体 现 出来 。 因此， 在对 车 身轻 量 化设 计 中，把车身 刚度值 、模态值及碰撞 性能等作为
轻量化设计 的约束条件是保证其他 相关性能不 明 显减低 的重要手段 。 白车身刚度主要包括 弯曲刚
度和扭转 刚度 。弯曲刚度可 用车 身在垂直载荷作 用下产生 的位移 变化大小来描述。扭转 刚度可 以 用车身在扭转载 荷作 用下产生 的扭转 角大小来描
述
引言
随 着 能源 的 日益 紧 缺和 制 造成 本 的 不 断增 加，汽车轻 量化设计 已经成 为汽 车制造商 的主流 设 计。所 谓 轻 量化 ，就 是 在保 证 汽车 的强 度和 安全 性能的前提下，尽可能地 降低汽 车的整备质
计 变量一般 不能包括所 有的 白车 身零件 ， 同时应
考 虑材料是 否可优化成 新型材料 ， 是 否可 改用新 工艺来减轻材料 的厚度等。 ３）保证扭 转刚度和 弯 曲刚度 的性能降低 不 能超过 ５％ ： 保 证碰撞 性能满足原有 设计 目标值 ： 并尽可能保证板件 的厚度 变化范 围较小。 ４）在 以刚度和模态 为约束 条件的优 化计 算
弯曲刚度试验、扭转刚度试验及模态试验 。
白车身模态灵敏度分析及减重优化
白车身模态灵敏度分析及减重优化作者：钱平包键李建新来源：《汽车科技》2016年第01期摘要：基于白车身有限元模型，分析了白车身的自由模态，得到了一阶弯扭模态；研究各钣金件厚度对弯扭模态的贡献量，找出了影响较大的钣金件。
根据分析结果确定了优化方案，在保证弯扭模态不降低的情况下减重26.4 kg，为车身的轻量化设计提供明确的方向。
关键词：白车身；灵敏度分析；一阶弯扭模态；轻量化中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2016）01-0026-03Abstract： Base on a MPV， the finite element model of the BIW is established， the first order torsion and bend mode is got through the free modal analysis of the BIW； The contribution of the shell to the first order torsion and bend mode is studied， and the more important component was found. The solution was found base on the results， the weight of BIW has been reduced 26.4 kg，offering a certain direction to the light weight design of BIW.Key Words： BIW； Sensitivity Analysis； First order torsion and bend； light weight随着汽车工业的发展，人们对车辆的经济性和舒适性的要求越来越高，作为汽车性能开发的重要指标，车身结构模态以及白车身质量的优化具有具有重要意义[1]。
白车身基于灵敏度分析减重优化技术
2020年4月机电技术白车身基于灵敏度分析减重优化技术许苘（东南（福建）汽车工业有限公司，福建福州350119）摘要：建立某SUV 车型白车身的有限元模型并分析计算车身刚度及其模态，在此基础上分析板厚对对白车身弯扭组合工况的灵敏度，找出影响车身结构特性的关键结构，对板厚进行优化分析，实现车身轻量化设计。
优化结果显示：通过车身刚度灵敏度分析及其板厚优化，可实现车身的减重优化，为车身的优化设计提供参考。
关键词：白车身；灵敏度分析；弯扭刚度；优化中图分类号：U463.82文献标识码：A文章编号：1672-4801（2020）02-070-03DOI:10.19508/ki.1672-4801.2020.02.020作者简介：许苘（1975—），男，高级工程师，从事汽车整车设计及整车性能控制研究。
汽车轻量化已成为国家发展战略中的一个重要的方面，是实现节能、环保的重要途径[1]。
汽车的车身轻量化技术有利于乘用车节能减排，同时还能提高其动力性、燃油经济性，降低生产成本。
随着国家节能战略的推进，汽车轻量化技术将越发变得重要。
因此，车身设计时除了满足车身刚度、模态、安全等性能要求外，如何减轻车身重量也成为重要开发目标。
汽车轻量化实现手段主要有3种：基于灵敏度分析、拓扑优化以及多学科优化的轻量化设计技术；材料轻量化技术；制造轻量化技术[2]。
目前，汽车企业在产品研发过程中采用较多的是结构灵敏度分析方法。
其基本思路就是先建立有限元模型，通过分析车身结构设计参数对车身结构性能参数（刚度、模态等）响应的变化规律，得到灵敏度结果，从而定义设计空间，对结构的板厚进行优化，最后得到满足性能要求的减重优化方案，并针对其设计缺陷提出优化改进措施。
本文以某SUV 车型为例，进行板厚灵敏度分析，提出了一种基于板厚的减重优化方法，得到减重优化方案。
1白车身刚度分析1.1白车身模型建立本文某SUV 车型白车身有限元模型如图1所示，车身模型未包含IP 横梁和前保险杆及其附近相连件。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
10.16638/ki.1671-7988.2019.13.030
基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
田佩，华睿
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章主要介绍了一种白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析的方法，用于分析白车身扭转刚度工况下整体扭转角相对零件单位厚度质量的变化量，即计算设计变量△d相对零件单位厚度质量△m的变化量，称为扭转角相对灵敏度，通过对相对灵敏度结果进行排序，结合实际工程约束条件，为提升扭转刚度性能或轻量化设计提供较合理的厚度分配方案。
关键词：白车身刚度；CAE；厚度灵敏度
中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)13-85-03
Thickness Sensitivity Analysis Based on Torsional Stiffness of BIW
Tian Pei, Hua Rui
（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）
Abstract:The paper mainly introduces a thickness sensitivity analysis method for the torsional stiffness of BIW, which is used to analyze the variation of the vehicle torsional angle relative to the unit thickness mass of parts under the condition of the torsional stiffness of BIW, that is, the design variable △d is calculated, and the change amount relative to the unit thickness mass △m of the part is called the torsion angle relative response, by sorting the relative response results and combining the actual engineering constraints, a more reasonable thickness distribution scheme is provided for improving torsional stiffness performance or lightweight design.
Keywords: Stiffness of BIW; CAE; Thickness sensitivity
CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)13-85-03
引言
白车身的刚度是整车设计的一个重要指标，它决定了车辆在外力作用下抵抗变形的能力。
白车身刚度与整车的NVH 性能及操纵性，耐久性等均有一定的关联。
通常我们主要关注两个车身刚度指标，即扭转刚度及弯曲刚度。
如何在一定的成本及重量控制下尽可能提升白车身刚度是目前各车企研究的方向，本文主要通过一种研究车身板件厚度灵敏度的方法为车身刚度提升提供合理的厚度设计参考。
1 术语、定义及名词解释
白车身BIW：Body in White，仅经过车身总拼，即通过焊接、铆接、粘胶等工艺连接而成，而未经过涂装、装配底盘、车门和玻璃等的车身，本分析除白车身外还包括前档玻璃。
刚度：抵抗变形的能力，是载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。
灵敏度分析：研究与分析一个模型的状态或输出变化对系统参数或周围条件的敏感程度。
本流程中可简单说成：设计变量（厚度）在约束条件下发生变化，某些参数（大梁测点位移量）的变化程度，或参数变化与零件相应的质量变化
作者简介：田佩，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
85
汽车实用技术
86 的比值。
2 基本要求
2.1 软件要求
前处理：HyperMesh ；求解器：OptiStruct ；后处理：HyperView 。
2.2 数据要求
白车身模型数据。
3 主要内容
本流程包括边界条件、灵敏度分析建模、提交计算和后处理四步骤。
3.1 边界条件
加载： 左右前悬中心位置加载垂向反对称力（大小为前轴载荷的一半）；
约束： 约束前保险杠中点的3自由度，分别约束后悬左、右支座123自由度和13自由度。
图1 左右前悬中心位置加载垂向反对称力
4.2 灵敏度分析建模
创建灵敏度分析变量、响应、响应约束、设计目标及卡片参数等。
4.2.1 灵敏度分析变量的创建
在视图工具栏，属性模式显示所有部件；进入Compon -ent 面板，将左右对称的且厚度相同的两个零件赋予同一个属性；进入Delete 面板，依次删除空的属性和材料，进入display ，只显示需要进行灵敏度分析的零件（0D 单元、1D 单元、3D 单元、非关键区域小板件除外）；进入Renumber 面板，对需要进行灵敏度分析的属性ID 重新由小到大排序（为方便后处理中的数据整理，建议由1开始排序），选择需要进行灵敏度分析的属性（即当前显示的全部属性）；进入Tool 面板，重新命名全部属性，名称前缀为字母，如：s ，以ID 号结尾；进入Assemblies 面板，创建新的assembly ，选择当前显示的所有comps ；进入Analysis 面板，选择当前显示的所有props ，设置变量上下限参数；单击create →return ，灵敏度分析变量创建完成。
4.2.2 响应的创建
创建位移响应，即前、后悬对应大梁测量点的Z 向位移；创建函数响应，大梁测量点位移的关系函数，即扭转工况整
体扭转角：创建质量响应，约束模型整体应变能，保证刚度。
（1）如下图所示，创建扭转角函数：
图2 扭转角函数
其中字母x1,x2代表前悬对应左、右大梁测量点位移响应，y1,y2代表后悬对应左、右大梁测量点的位移响应；数值906.942,991.204分别为前后悬对应大梁测量点间Y 向距离（在所分析的模型中量取得到）。
（2）创建函数响应：选择上一步创建的函数（这里创建的函数名称为f ）。
进入edit 面板，依次选择函数f 中x1,x2,y1,y2对应的四个位移响应，并选择扭转工况。
4.2.3 响应约束的创建
进入Analysis 面板，创建响应约束，设置变化范围，即通过白车身刚度分析后处理得到，上限的绝对值应小于初始值的绝对值，下限为零。
4.2.4 设计目标的设置 以整体质量最小为设计目标。
4.2.5 优化控制参数设置 对优化过程及结果进行控制。
进入Analysis 面板，单击
参数定义：
表示最大优化设计迭代次数，默认值为30（若
已定义
，则默认值为80）仅计算原模型灵敏，不需优化，为节约计算时间，设置为1。
初始材料填充比例（本流程中为分析变量初始厚
度相对变量变化范围的比例）。
表示相对收敛条件，相邻两步迭代中目标函数相
对变化小于
，优化停止。
表示优化结果中构件的最小直径，本参数用于消
除优化结果中的小构件。
4.2.6 卡片参数设置
进入Analysis 面板，设置卡片参数 卡片①：
卡片②：
田佩 等：基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
87
卡片③：
图3 卡片参数设置
卡片①用于优化过程中取消模型网格质量检查，减少调试时间。
卡片②用于显示优化迭代输出窗口，输出设计变量，响应，目标函数的变化。
卡片③表示灵敏度分析。
4.3 提交运算
将以上建模导出fem 格式，提交求解器Optistruct 进行计算。
4.4 后处理
（1）计算完成后，启动HyperView 打开结果文件s*.h3d ，查看位移云图，对比初始模型计算结果。
若云图分布出现异常或与原模型结果差别较大，则需检查分析变量、响应、响应约束等，找到原因，调试后提交计算，以得到合理的分析结果。
合理的分析结果的位移云图：
图4 位移云图
（2）在计算文件存放路径中，找到初次迭代生成的***.slk 文件，用Excel 打开，为了避免后续操作失误，将ID 所在列的数字部分删除。
图5 初次迭代数据
（3）在第M 列列出△d/△m ，然后将数据区域以M 列为关键字，升序排序。
于是表中属性相对灵敏度由高到低列出。
（4）添加slk 表格中属性的中文名称或零件号。
打开计算模型文件，根据slk 表格中属性名称数字（即属性ID ），找到赋予该属性的零件：
图6 操作示意
步骤③④使对应的零件高亮显示：
重复步骤③④，找到各属性对应的零件，在slk 表中添加中文名称：
图7 slk 表 根据灵敏度高低，确认可实施方案。
5 总结
本文通过以上基于料厚的白车身扭转刚度灵敏度分析，可识别出最优的白车身料厚分配，从而达成扭转刚度性能及重量的综合优化，在满足性能的前提下，可以实现最大化降低整车成本及整车重量，提高产品设计准确性，指导实现车身轻量化的设计工作。
参考文献
[1] 黄金陵.汽车车身设计[M].机械工业出版社.2008. [2] 罗伟,周定路.白车身扭转刚度分析与优化探讨,2006. [3] 王勖成.有限单元法[M].清华大学出版社.2003.
[4] 郭乙木,陶伟明.线性与非线性有限元及其应用[M].机械工业出版
社.2003.。