汽车轻量化 | 某SUV车型白车身的轻量化分析案例
作者 | 王山 仿真秀科普作者
导读：轻量化是当今各整车厂在产品开发中无法回避的问题。当考虑到成本与工艺方面时，更是不容易解决的问题。对于高端车型，其较高的设计与生产成本允许其采用先进的轻量化设计与生产工艺，如碳纤维复合材料，铝镁合金材料，液压成型工艺，差厚板，激光拼焊等；对于低端车型来说，因较低的成本限制，则主要从结构设计角度来解决轻量化问题。但不论从材料，工艺还是结构方面实现轻量化，都需要借助CAE分析来提前预知结构性能。
白车身作为汽车主要承载部件，其质量占整车重量较大，通过合理设计，可减轻较多的质量，获得较为显著的轻量化效果。因而，车身的轻量化是开发阶段不可缺少且重点关注的部分。
这里所介绍的一种轻量化分析思路，是从结构设计与优化的角度，借助CAE仿真技术，来实现早期开发阶段的白车身结构从无到有，再到优的过程，起到控制车身性能和质量的目的，降低后期详细设计阶段车身性能与质量不可控的风险。
一、开发早期阶段的轻量化思路
在车身早期开发阶段中，一般情况下是没有车身的具体CAD数据。此时，为实现车身结构从无到有的过程，通过造型外CAS面及布置要求，制定车身拓扑空间，获得在考虑模态，刚度及碰撞等多个载荷工况下的车身载荷传递路径。结合此路径，来形成初版的车身结构形式布置方案。利用SFE-Concept隐式参数化建模技术实现布置方案的数字化与参数化，并得到初版的车身性能。（公开课-车身参数化建模及多目标优化技术，详见后文）
为实现从有到优的过程，通过对竞品车型结构研究及项目经验，同时必须结合初始性能分析结果，对于结果中较为薄弱的区域，选出具有代表性的结构形式，结合隐式参数化模型快速更替与修改能力，进行结构拓扑方案替换与性能验证，确保车身质量在基本保持不变的前提下，对车型性能进行提升，在项目计划时间内使车身结构性能尽可能最大化，目的是获取较大的减重空间。
之后利用断面尺寸优化与零件厚度优化，对车身进行减重分析，实现重量下降。由于该阶段并无具体性能目标，其减重优化工作应以减重前的性能水平为约束进行优化。待后续阶段制定具体目标值后可利用此模型再次进行减重优化分析，获得满足目标要求的轻量化车身结构。
二、某SUV车型白车身的轻量化分析案例
1、载荷传递路径分析
可利用Optistruct，Genesis等有限元软件的拓扑优化技术，以造型与内饰CAS面，动力总成占用空间，轮胎包络，车门门口，假人脚的位置，最小离地间隙，座椅安装位置，备胎占用空间等信息为输入条件，建立白车身拓扑优化空间，如图1所示。
图1 拓扑优化空间定义
车身的载荷传递路径获取需充分考虑车身各项整体性能要求，一般情况下，主要考虑NVH，刚度及碰撞三个学科，将白车身模态，弯扭刚度，正碰，侧碰，偏置碰，后碰及顶压作为考察工况。
经迭代计算后，可以获得多工况下的白车身载荷传递路径，如图2所示。
图2 白车身拓扑优化结果
拓扑优化分析结果需要进行解读，因为其结果为数值计算结果，并非考虑实际生产因素等方面的限制，所以需要筛选出主要的传递路径，此时应结合工程经验进行结构布置。识别出的各区域主要传递路径如图3所示，结构设计时可参考该路径对白车身纵梁及横梁进行布置。
下车身主要传递路径
发舱主要传递路径
侧围主要传递路径
顶盖主要传递路径
图3 白车身各区域主要传递路径
2、隐式参数化模型建立与初始性能评估
在白车身布置方案确定后，在无需白车身CAD数据的情况下，仅以底盘硬点，典型断面，接头草数据，各零部件之间的搭建关系为输入条件，利用SFE-Concept软件便建立白车身隐式参数化模型，将从拓扑分析结果解读出来的设计概念变成清晰的三维数模，如图4所示。
图4 白车身隐式参数化模型
隐式参数化建模技术是近些年来多数整车厂所采用的优化与轻量化分析工具，该建模技术能够在保证各部件连接完整性的前提下，实现结构的快速变形，如梁的位置移动，梁的截面尺寸修改等，因而可以融入到优化流程中，并且，可以一键快速生成满足后续有限元分析要求的网格。该技术的引用，使得以前使用morph功能对网格进行变形变得更加便捷。甚至，该参数化模型在车身开发中可替代第一版CAD模型。
本案例以白车身模态与弯扭刚度性能为主要考察指标，得到初始车身性能，如表2所示。从结果中可以看出，在考虑载荷传递路径分析结果下的白车身结构形式，其各项性能较好。
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汽车轻量化 | 某SUV车型白车身的轻量化分析案例（附公开课）
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