本發(fā)明屬于車輛設計技術領域，特別是涉及一種基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法。

背景技術：

高剛度、輕量化成為當今汽車設計追求的指標。僅依靠增加部件厚度來提升白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度是與此背道而馳的。而且，研究表明在車身的結構設計中，增加部件的厚度并不一定能夠提高白車身的剛度。為此，本文以靈敏度分析為基礎，研究各零部件對白車身剛度的貢獻量，以確定白車身骨架結構的薄弱環(huán)節(jié)。并對其結構進行改進，從而有效提升車身性能。

據(jù)統(tǒng)計，汽車每減輕其總質(zhì)量的10％，燃油消耗量可降低6％～8％，降低排放5％～6％。車身是汽車的重要組成部分，其重量約占整車重量的40％，對車身結構進行優(yōu)化設計能夠有效降低汽車自重。車身的輕量化對于整車的輕量化起著舉足輕重的作用，其對于整車開發(fā)的影響是多方面的。

新材料、新工藝的大量應用雖然能明顯的實現(xiàn)減重，但也帶來的成本的急劇增加。優(yōu)化設計是60年代初發(fā)展起來的一門學科，是將最優(yōu)化原理和計算技術應用于設計領域，為工程設計提供一種重要的科學設計方法。利用這種新的設計方法，人們就可以從眾多的設計方案中尋找出最佳設計方案，從而大大提高設計效率和質(zhì)量，因此優(yōu)化設計是現(xiàn)代設計理論和方法的一個重要領域。通過優(yōu)化分析實現(xiàn)減重，降低車輛油耗、提高車輛運行的經(jīng)濟性的同時，也為汽車制造企業(yè)節(jié)約原材料、降低成本，帶來顯著的經(jīng)濟效益。

技術實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的主要目的在于提供一種基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法，能夠分析出車身整體結構中所有可實現(xiàn)輕量化的結構，且能夠高效的驗證優(yōu)化后的結構是否滿足模態(tài)、剛度要求，實現(xiàn)高效的、可靠的車身輕量化設計。

本發(fā)明通過如下技術方案實現(xiàn)上述目的：一種基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法，其包括以下步驟，

1)建立全鋁車身有限元模型；

2)對全鋁車身模態(tài)、剛度進行分析，得到模態(tài)計算值、扭轉(zhuǎn)剛度計算值以及彎曲剛度計算值；

3)建立靈敏度分析優(yōu)化響應模型：在常規(guī)模態(tài)、剛度計算模型的基礎上設置靈敏度分析所需的設計參數(shù)、優(yōu)化響應、約束條件以及優(yōu)化目標；

4)計算車身各部件的剛度靈敏度系數(shù)、模態(tài)靈敏度系數(shù)以及重量靈敏度系數(shù)；

5)根據(jù)靈敏度系數(shù)計算結果，進行結構優(yōu)化設計：根據(jù)靈敏度分析的結果，選擇剛度靈敏度系數(shù)和模態(tài)靈敏度系數(shù)小且重量靈敏度系數(shù)大的部件、以及剛度靈敏度系數(shù)和模態(tài)靈敏度系數(shù)大且重量靈敏度系數(shù)小的部件作為優(yōu)化對象；

6)對優(yōu)化后的車身結構進行CAE分析驗證，判斷是否滿足輕量化設計目標，若滿足，則設計完成；若不滿足，則重復步驟5)，直至滿足輕量化設計目標。

進一步的，所述步驟1)的具體步驟包括，

a)利用HyperMesh軟件前處理建立全鋁車身有限元模型；

b)采用acm單元模擬車身實體焊點；

c)采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分。

進一步的，所述步驟3)的具體步驟包括，

a)定義設計變量：根據(jù)可減重部件表，設定設計變量以及關聯(lián)設計變量，本實施例中以部件厚度為設計變量；

b)設計約束條件：以全鋁車身模態(tài)不小于所述模態(tài)計算值、彎曲剛度不小于所述彎曲剛度計算值、扭轉(zhuǎn)剛度不小于所述扭轉(zhuǎn)剛度計算值為約束條件；

c)設置優(yōu)化響應函數(shù)：根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標來設定優(yōu)化響應函數(shù)；

d)設置優(yōu)化目標：以全鋁車身質(zhì)量最小為優(yōu)化目標；

進一步的，所述步驟5)的具體優(yōu)化方法包括，

a)對質(zhì)量靈敏度大，而對彎扭剛度靈敏度小的部件，進行優(yōu)化減弱處理；

b)對質(zhì)量靈敏度小，而對彎扭剛度靈敏度大的部件，進行加強處理。

進一步的，所述步驟5)的具體優(yōu)化方法包括，

a)更改部件厚度：減薄靈敏度系數(shù)較小的部件，加厚靈敏度系數(shù)較大的部件；

b)去掉靈敏度系數(shù)較小的部件；

c)更改部件截面形狀或大小，或者去掉中間的加強筋；

d)結合拓撲優(yōu)化，修改部件的形狀；

e)更改部件與部件之間的連接。

與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明一種基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法的有益效果在于：

1)在實際的車身開發(fā)中起到了較好的指導作用，表現(xiàn)出很強的工程實用性，其優(yōu)化思路可為各個車型的輕量化分析提供參考；

2)基于模態(tài)和剛度靈敏度分析，在保證車身常規(guī)性能不降低的情況下，實現(xiàn)車身輕量化，除為設計提供輕量化方向，同時也為改善彎扭模態(tài)和彎扭剛度性能值提供參考；

3)在現(xiàn)有的模態(tài)、剛度計算模型基礎上，設計車身所有部件的剛度、模態(tài)以及重量的靈敏度分析模型，并在此基礎上進行輕量化優(yōu)化，整套方法流程為車身輕量化設計提供了有效的設計方法；

4)提出了具體的結構優(yōu)化方法，使得輕量化車身結構的設計更加具有針對性；針對優(yōu)化后的結構進行CAE進行分析驗證，為整個設計方案提供了可靠的保障。

【附圖說明】

圖1為本發(fā)明本實施例的設計步驟流程圖；

圖2為本發(fā)明本實施例的模塊化設計步驟流程圖；

圖3為本發(fā)明本實施例中全鋁車身的有限元模型結構示意圖；

圖4為本發(fā)明實施例中建立靈敏度分析優(yōu)化響應模型的流程圖；

圖中數(shù)字表示：

1前風窗上橫梁；2、左頂蓋側邊梁；3、右頂蓋側邊梁；4、CCB橫梁；5、左門檻梁；6、前風窗下橫梁；7、加強梁；8、地板前橫梁；9、地板后橫梁；10、前地板；11、行李箱邊梁；12前減震器支架；13座椅后橫梁；14 A柱；15后擋風上橫梁；16 B柱外板；17右門檻梁；18座椅前橫梁；19 B柱后三角窗封板；20 A柱加強板。

【具體實施方式】

實施例：

請參照圖1-圖2，本實施例為基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法，并以某型號全鋁車身為設計對象，其包括以下步驟：

1)建立全鋁車身有限元模型。

a)利用HyperMesh軟件前處理建立全鋁車身有限元模型；

b)采用acm單元模擬車身實體焊點；

c)采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進行網(wǎng)格劃分，有限元模型如圖3所示。

2)對全鋁車身模態(tài)、剛度進行分析，得到模態(tài)計算值、扭轉(zhuǎn)剛度計算值以及彎曲剛度計算值。

車身結構的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)是車身結構的重要力學性能，這三個指標反映了車身結構最基本的靜動態(tài)特性。因此，基于此特性的輕量化設計具有很強的實際意義和應用價值。該型號全鋁車身的一階模態(tài)為38.6Hz，大于目標值30Hz，滿足要求；彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度曲線過渡平滑，其中彎曲剛度為18450N/mm，大于目標值10000N/m，扭轉(zhuǎn)剛度7439Nm/°，大于目標值7000Nm/°，均滿足設計要求。

3)建立靈敏度分析優(yōu)化響應模型：在常規(guī)模態(tài)、剛度計算模型的基礎上設置靈敏度分析所需的設計參數(shù)、優(yōu)化響應、約束條件以及優(yōu)化目標，其模型處理流程如圖4所示。

a)定義設計變量：根據(jù)可減重部件表，設定設計變量以及關聯(lián)設計變量，本實施例中以部件厚度為設計變量；

b)設計約束條件：以全鋁車身模態(tài)不小于模態(tài)計算值、彎曲剛度不小于彎曲剛度計算值、扭轉(zhuǎn)剛度不小于扭轉(zhuǎn)剛度計算值為約束條件；

c)設置優(yōu)化響應函數(shù)：根據(jù)約束條件和優(yōu)化目標來設定優(yōu)化響應函數(shù)；

d)設置優(yōu)化目標：以全鋁車身質(zhì)量最小為優(yōu)化目標；

4)計算車身各部件的剛度靈敏度系數(shù)、模態(tài)靈敏度系數(shù)以及重量靈敏度系數(shù)，并由大到小排序；

5)根據(jù)靈敏度系數(shù)排序結果，進行結構優(yōu)化設計：根據(jù)靈敏度分析的結果，選擇剛度靈敏度系數(shù)和模態(tài)靈敏度系數(shù)小且重量靈敏度系數(shù)大的部件、以及剛度靈敏度系數(shù)和模態(tài)靈敏度系數(shù)大且重量靈敏度系數(shù)小的部件作為優(yōu)化對象。具體的，對質(zhì)量靈敏度大，而對彎扭剛度靈敏度小的部件，進行優(yōu)化減弱處理；對質(zhì)量靈敏度小，而對彎扭剛度靈敏度大的部件，進行加強處理。表1為該全鋁車身各部件的剛度、模態(tài)、重量靈敏度系數(shù)及厚度調(diào)整結果。

表1全鋁車身各部件的剛度、模態(tài)、重量靈敏度系數(shù)及厚度調(diào)整結果

具體的優(yōu)化方法包括：

a)更改部件厚度：減薄靈敏度系數(shù)較小的部件，加厚靈敏度系數(shù)較大的部件。

b)對靈敏度系數(shù)較小的部件，可以直接取消。

c)更改部件結構，如更改部件截面形狀或大小，或者去掉中間的加強筋。

d)結合拓撲優(yōu)化，修改部件的形狀，本實施例中，如B柱后三角窗封板19，在結構允許的情況下，增加了三條加強筋；

e)更改部件與部件之間的連接，加強結構，本實施例中，如在A柱加強板20和A柱14之間增加焊點以加強兩者之間的連接。

6)對優(yōu)化后的車身結構進行CAE分析驗證，判斷是否滿足輕量化設計目標，若滿足，則設計完成；若不滿足，則重復步驟5)，直至滿足輕量化設計目標。本實施例中，CAE分析驗證的結果顯示全鋁車身的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率43.3Hz，相比原有結構提高了4.7Hz；彎曲剛度為14579N/mm，雖然有所降低，但符合目標值要求；扭轉(zhuǎn)剛度為9936Nm/°，提高33.5％，此時，全鋁車身的重量比原有結構減少了38Kg，達到了輕量化要求。

車身結構靈敏度分析是車身結構性能參數(shù)的變化對車身結構設計參數(shù)變化的敏感性，是優(yōu)化設計的重要一環(huán)，可成倍提高優(yōu)化效率。通過靈敏度分析可以計算出結構響應值對于各設計變量的導數(shù)，以確定設計變化過程中對結構響應最敏感的部分，從而可以獲得最關心的靈敏度系數(shù)和最佳的設計參數(shù)。靈敏度分析是結構優(yōu)化的基礎，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：靈敏板件、不靈敏板件和負靈敏板件。加厚靈敏板件、減薄不靈敏板件和負靈敏板件，可以實現(xiàn)白車身的性能改進或者輕量化設計。

本實施例基于靈敏度與CAE分析的全鋁車身輕量化設計方法的有益效果在于：

1)在實際的車身開發(fā)中起到了較好的指導作用，表現(xiàn)出很強的工程實用性，其優(yōu)化思路可為各個車型的輕量化分析提供參考；

2)基于模態(tài)和剛度靈敏度分析，在保證車身常規(guī)性能不降低的情況下，實現(xiàn)車身輕量化，除為設計提供輕量化方向，同時也為改善彎扭模態(tài)和彎扭剛度性能值提供參考；

3)在現(xiàn)有的模態(tài)、剛度計算模型基礎上，設計車身所有部件的剛度、模態(tài)以及重量的靈敏度分析模型，并在此基礎上進行輕量化優(yōu)化，整套方法流程為車身輕量化設計提供了有效的設計方法；

4)提出了具體的結構優(yōu)化方法，使得輕量化車身結構的設計更加具有針對性；針對優(yōu)化后的結構進行CAE進行分析驗證，為整個設計方案提供了可靠的保障。

以上所述的僅是本發(fā)明的一些實施方式。對于本領域的普通技術人員來說，在不脫離本發(fā)明創(chuàng)造構思的前提下，還可以做出若干變形和改進，這些都屬于本發(fā)明的保護范圍。