一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化设计方法与流程

本发明涉及汽车零部件轻量化设计技术领域，尤其涉及一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化设计方法。

背景技术：

随着汽车工业对汽车节能、环保、安全要求的不断提高，汽车轻量化成为实现上述目标的重要途径之一。特别是目前各大汽车厂都在致力于开发新能源电动汽车，由于电池系统的重量大约在900kg，因此对于轻量化的需求变得更加迫切。

同时，中国新车评价规程(cncap)在2018年版的碰撞法规中，提升了对新车碰撞安全的要求，因此，如何在保证车身碰撞安全的前提下实现汽车轻量化是目前急需解决的问题，影响着汽车工业未来的发展方向。

目前，车身零部件的轻量化主要集中于材料优化、结构优化及工艺优化三方面。每一个方面都与车身的碰撞性能密切相关。而目前，汽车厂在开展汽车零部件轻量化设计时主要依靠试错法和经验，需要投入大量的人力和物力，同时由于无法和车身碰撞性能有效衔接，因此最终得到的轻量化结果并不理想，不能够在实际生产中推广应用。

专利文献cn201810450665.0公开了一种基于cae仿真技术的高强钢汽车零件轻量化方法，主要局限于通过对材料强度提升、厚度减薄的方式实现轻量化，并没有涉及目前很普遍的工艺优化、结构优化。因此，在实际推广中存在很大的局限性。

专利文献cn201810852993.3公开了一种车身轻量化设计方法，主要是通过刚度计算来验证轻量化方案的可行性。而目前，车身设计将碰撞性能作为重要的指标，因此该专利在推广应用过程中还存在一定的局限性。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化方法，充分结合材料、结构、工艺制定轻量化方法，对汽车白车身进行轻量化设计，利用有限元前后处理软件建立整车cae仿真模型，进行碰撞性能计算并灵敏度分析，进而获得可行的轻量化技术方案，达到车身轻量化目标。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案实现：

一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化设计方法，包括如下步骤：

1)根据车身cad数据，利用有限元前处理软件建立车身有限元模型；

2)在车身有限元模型的基础上，建立整车正面100％重叠刚性壁障碰撞有限元模型、整车正面40％重叠可变形壁障碰撞有限元模型和整车可变形移动壁障侧面碰撞有限元模型，计算得到评价碰撞性能的加速度值和位移侵入量；

3)在车身碰撞有限元模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、设计变量、约束条件及目标函数，建立灵敏度分析模型并进行求解计算；

4)整理灵敏度模型的计算结果，得到基于车身碰撞性能的钣金件的灵敏度分析结果；

5)在灵敏度分析模型的基础上，选取白车身轻量化设计变量、约束条件和目标函数，建立车身轻量化优化计算模型，并进行求解计算；

6)对步骤5)的结果进行提取与分析，依据车身设计要求修改部分钣金件的厚度值以实现轻量化，形成更新的bom表；

7)更新的bom表若满足轻量化设计目标，则轻量化设计完成；若不满足轻量化设计目标，则重复步骤6)，直至更新的bom表满足轻量化设计目标。

上述步骤1)中车身有限元模型满足有限元网格质量标准且经过碰撞试验对标验证。

所述的有限元网格的质量标准包括：基本单元尺寸8～10mm，最大单元长度≤15mm，最小单元长度≥3mm，单元长宽比≤5，单元翘曲≤10°，单元歪斜角≤40°，四边形单元最小内角≥40°，四边形单元最大内角≤140°，三角形单元最小内角≥30°，三角形单元最大内角≤120°，雅克比≥0.7，三角形单元所占比例≤10％。

上述步骤3)中灵敏度分析所用的设计变量为料厚可变更的钣金件，并定义厚度的变化范围；灵敏度分析所需的约束条件包括：整车正面100％重叠刚性壁障碰撞和整车正面40％重叠可变形壁障碰撞的加速度值小于设定的目标值，整车可变形移动壁障侧面碰撞的位移侵入量小于设定的目标值；灵敏度所需的目标函数是以白车身质量最小为优化目标。

上述步骤4)中灵敏度分析结果包括加速度值灵敏度系数、位移侵入量系数以及重量灵敏度系数。

上述步骤5)中轻量化设计变量包括：加速度值灵敏度系数和位移侵入量系数小且重量灵敏度系数大的钣金件，加速度值灵敏度系数和位移侵入量系数大且重量灵敏度系数小的钣金件；轻量化约束条件包括：整车正面100％重叠刚性壁障碰撞和整车正面40％重叠可变形壁障碰撞的加速度值小于设定的目标值，整车可变形移动壁障侧面碰撞的位移侵入量小于设定的目标值；灵敏度所需的目标函数是以白车身质量最小为优化目标。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

一种基于碰撞性能优化的汽车白车身设计方法，以灵敏度分析为基础，研究各钣金件对碰撞加速度值和位移侵入量的贡献量，对车身结构进行优化分析，进行更为合理的车身材料厚度分布，从而在满足车身碰撞性能的基础上实现轻量化，在车身开发过程中起到了很好的指导作用。该方法可推广应用至新车型设计中，实用性强，实用性广。

附图说明

图1是本发明实施例钣金件厚度对碰撞性能的灵敏度分析结果示意图；

图2是本发明的基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化流程示意图。

具体实施方式

下面对本发明的具体实施方式作进一步说明：

实施例1：

见图1、图2，一种基于碰撞性能优化的汽车白车身轻量化设计方法，具体步骤是：

1)根据车身cad数据，利用有限元前处理软件建立车身有限元模型，具体包括：

根据车身cad数据，利用有限元前处理软件ansa建立车身有限元模型；

采用spotweld和rbe2单元模拟车身实体焊点及连接，采用四边形和三角形网格单元进行网格划分，并进行网格质量检查，使有限元模型满足有限元网格质量标准，包括：基本单元尺寸8mm，最大单元长度≤15mm，最小单元长度≥3mm，单元长宽比≤5，单元翘曲≤10°，单元歪斜角≤40°，四边形单元最小内角≥40°，四边形单元最大内角≤140°，三角形单元最小内角≥30°，三角形单元最大内角≤120°，雅克比≥0.7，三角形单元所占比例≤10％。

2)在车身有限元模型的基础上，建立整车正面100％重叠刚性壁障碰撞有限元模型、整车正面40％重叠可变形壁障碰撞有限元模型和整车可变形移动壁障侧面碰撞有限元模型，利用lsdyna求解器进行求解，得到正面碰撞时的加速度值和侧面碰撞时的位移侵入量；

整车碰撞过程中的加速度值和位移侵入量是评价碰撞性能的重要指标，反映了车身被动安全性能。因此，基于碰撞加速度值和位移侵入量来开展白车身的轻量化设计具有重要的实际意义和应用价值。本实施例中的白车身重量为405.2kg，正面100％刚性墙碰撞加速度值为36.6g，小于设定的上限目标值41g，满足要求；40％正面可变性壁障偏置碰撞加速度值为40.3g，小于设定的上限目标值41g，满足要求；侧面可移动壁障碰撞前门侵入量最大为135.1mm，小于设定的上限目标值150mm，满足要求。

3)使用优化分析软件ls-opt，在task中选择doestudy模块，在车身碰撞模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、设计变量、约束条件以及目标函数等，建立灵敏度分析模型，将分析模型提到lsdyna求解器进行计算。

其中，设计变量选择料厚可变更的车身钣金件，以正面100％刚性墙碰撞加速度值小于41g为约束条件，以40％正面可变性壁障偏置碰撞加速度值小于41g为约束条件，以侧面可移动壁障碰撞前门侵入量小于150mm为约束条件，以白车身质量最小为目标函数。

4)通过ls-opt软件的灵敏度分析模块，将灵敏度分析模型计算结果进行整理，得到设计变量对应的车身钣金件的灵敏度分析结果，包括加速度值灵敏度系数、位移侵入量系数以及重量灵敏度系数。

5)通过ls-opt软件的灵敏度分析模块，在灵敏度分析的基础上，根据灵敏度分析结果，选取白车身轻量化设计变量、约束条件和目标函数，建立车身轻量化优化计算模型，并提交lsdyna进行求解计算；

轻量化设计变量包括：加速度值灵敏度系数和位移侵入量系数小且重量灵敏度系数大的钣金件，加速度值灵敏度系数和位移侵入量系数大且重量灵敏度系数小的钣金件；轻量化约束条件包括：整车正面100％重叠刚性壁障碰撞和整车正面40％重叠可变形壁障碰撞的加速度值小于设定的目标值，整车可变形移动壁障侧面碰撞的位移侵入量小于设定的目标值；灵敏度所需的目标函数是以白车身质量最小为优化目标。

6)对步骤5)的结果进行提取与分析，依据车身设计要求修改部分钣金件的厚度值以实现轻量化，形成更新的bom表；

7)更新的bom表若满足轻量化设计目标，则轻量化设计完成；若不满足轻量化设计目标，则重复步骤6)，直至更新的bom表满足轻量化设计目标。

本实施例中，cae分析验证的结果显示正面100％刚性墙碰撞加速度值为37.1g，小于设定的上限目标值41g，满足要求；40％正面可变性壁障偏置碰撞加速度值为40.5g，小于设定的上限目标值41g，满足要求；侧面可移动壁障碰撞前门侵入量最大为138.9mm，小于设定的上限目标值150mm，满足要求。优化后的车身重量为379.9kg，减重了25.3kg，达到了轻量化的目的。