一种车身轻量化设计方法与流程

本发明属于车身轻量化设计技术领域，具体涉及一种车身轻量化设计方法。

背景技术：

汽车轻量化是汽车节能、减排的重要途径之一，世界各大汽车集团已纷纷将轻量化技术升级为企业战略，以提升自身竞争力。有资料统计显示，相同动力系统下，整车质量每降低100kg，车辆每百公里燃油消耗减少0.6l，co2排放减少5g/km，新能源车续航里程将增加20km至30km。

车身是整车重量占比最大的总成，占比超过1/4，车身的轻量化还可带来底盘、动力总成等重量的螺旋式下降，对整车的轻量化至关重要。长期以来，汽车工程师对于车身材料“高强、减薄”这一轻量化技术路线一直比较明确，但车身是一个庞大系统，强度匹配、减薄位置、减薄程度、料厚变化对车身性能影响等问题尚未研究十分明确。

高强度钢具有低成本、高性能和生产制造技术成熟等优点，是目前车身轻量化材料的首选。高强度钢，如双相钢和热成型钢，已经广泛应用于车身结构件、安全件，同时一些新型的高强钢材料、铝合金材料、复合材料、钢铝混合材料及其成型、连接工艺也逐渐出现，进一步拓展了车身材料的应用范围。

车身材料的轻量化主流技术路线主要是通过提升车身钣金的强度和塑性，配合先进成型与连接工艺，在保证包括安全性能和结构性能的前提下，减薄车身部件料厚，进而实现减重。

目前，有多种车身轻量化设计方法，主要集中在结构设计，对材料的性能匹配、工艺实现研究较少。

技术实现要素：

针对上述现有技术中存在的缺陷，本发明公开了一种车身轻量化设计方法，涵盖材料选择、结构优化、仿真计算和工艺分析四个学科体系，能够有效提升车身轻量化设计的效率，同时保障设计方案与工程实践的转化。结合说明书附图，本发明的技术方能如下：

一种车身轻量化设计方法，所述方法包括：

步骤一：制定车身材料方案，使车身材料性能与其在白车身的具体应用位置相匹配；

步骤二：通过灵敏度计算，筛选出灵敏度高和灵敏度低的零部件，并使车身零部件材料厚度与其在白车身的具体应用位置相匹配；

步骤三：根据灵敏度的高低对白车身零部件的结构进行优化，实现提升零部件及整车的性能；

步骤四：通过车身零部件的冲压工艺分析，优化成型工艺，保证材料替换方案的工程实现；

步骤五：对优化后的车身零部件进行cae分析验证，若满足车辆的轻量化设计目标，则设计完成；若不满足车辆的轻量化设计目标，则重复上述步骤二至步骤四。

进一步地，所述步骤一中：

所述车身材料包括：高强钢材料、铝合金材料、复合材料或钢铝混合材料。

进一步地，所述步骤一中：

选择替换的车身材料时，遵循“等强度替换原则”，

所述等强度替换原则公式如下：

上述公式中：

t1为等强度下，采用替换前材料的零部件厚度；

t2为等强度下，采用替换后材料的零部件厚度；

σs1为等强度下，采用替换前材料的屈服强度；

σs2为等强度下，采用替换后材料的屈服强度。

进一步地，所述步骤二中，所述灵敏度计算包括：扭转刚度、弯曲刚度、车身模态和碰撞安全性能在内的灵敏度计算，根据所述灵敏度计算的结果，对车身零部件钣金料厚进行优化的过程包括：

建立车身有限元模型，并赋予车身零部件材料及料厚；

计算原型车的车身模态、扭转刚度、弯曲刚度和碰撞安全性能；

选择可变厚度的车身零部件料厚作为车身灵敏度分析设计变量，控制车身零部件料厚变化范围为±20％以内；

以优化后整车性能应不低于优化前性能水平为约束条件；

优化目标为白车身重量最小；

计算灵敏度，采用最小步长迭代法，求解出对各项性能影响大的车身零部件；

根据车身零部件灵敏度计算结果，对车身零部件钣金料厚进行重新赋值，并对车身模态、扭转刚度、弯曲刚度和碰撞安全性能结果进行验证计算；

对验证计算结果进行评估，评价轻量化效果。

进一步地，所述步骤三中，对灵敏度高的零部件及车身整体框架结构采取结构拓扑优化，针对所述灵敏度低的零部件采取结构尺寸优化、结构形貌优化或结构数量优化。

更进一步地，所述结构拓扑优化是指：在结构进行服役工况中，剔除受载小于预设值的局部或者整体结构；

所述结构尺寸优化是指：对结构搭接尺寸、截面宽度尺寸、截面高度尺寸或截面厚度尺寸进行优化；

所述结构形貌优化是指：对结构减重孔位置、减重孔尺寸或局部形貌特征进行优化；

所述结构数量优化是指：结构精简、结构拆分或冗余结构删除。

进一步地，所述步骤四中，结合制定的车身材料方案和车身零部件钣金料厚优化结果，进行钣金件成型性优化验证的过程包括：

在cad设计软件中建立车身钣金件模型，然后建立相应的模具凸模模型、模具凹模模型和压边圈模型，并提取模具凸模、模具凹模模型和压边圈模型的曲面，形成冲压模具文件，并将冲压模具文件导入用于冲压成型分析的cae软件；

将冲压模具文件导入用于冲压成型分析的cae软件后，进行网格划分，并调整模具凸模、模具凹模和压边圈之间的相对位置；

在cae软件中设置成型参数，待成型板料参数包括：厚度、材料和网格尺寸；冲压模具的参数包括：行程控制、冲压速度或冲压力、摩擦系数和模具闭合状态；

成型参数设置完毕后，调入求解器进行计算；

完成计算后，查看包括：成形极限图、厚度、应变和材料流动在内的计算结果；

根据计算结果对强度要求高且进行了减薄处理后的零部件进行结构优化，改善零部件的开裂、起皱或回弹的冲压工艺问题。

与现有技术中相比，本发明的有益效果在于：

本发明所述车身轻量化设计方法通过车身材料方案制定，将材料强度与车身位置匹配，通过灵敏度计算，将零部件料厚与车身位置进行匹配，通过结构优化，将零部件及整车的性能提升到最大，通过冲压工艺分析，优化成型工艺，保证材料替换方案的工程实现。本发明所述车身轻量化设计方法可有效提升车身轻量化设计效率，同时，保障方案与工程实践的转化。

附图说明

图1为本发明所述车身轻量化设计方法的流程框图；

图2为本发明所述车身轻量化设计方法中，定制的车身材料方案示意图；

图3为本发明所述车身轻量化设计方法中，车身零部件的模态灵敏度示意图；

图4为本发明所述车身轻量化设计方法中，车身零部件的弯曲刚度灵敏度示意图；

图5为本发明所述车身轻量化设计方法中，车身零部件的扭转刚度灵敏度示意图；

图6a为采用本发明所述车身轻量化设计方法优化前的车身零部件减薄率示意图；

图6b为采用本发明所述车身轻量化设计方法优化前的车身零部件局部褶皱示意图；

图7a为采用本发明所述车身轻量化设计方法优化后的车身零部件减薄率示意图；

图7b为采用本发明所述车身轻量化设计方法优化后的车身零部件局部褶皱示意图；

具体实施方式

为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：

本发明公开了一种车身轻量化设计方法，如图1所示，本发明所述车身轻量化设计方法具体过程如下：

步骤一：建立白车身几何模型，制定车身材料方案，使车身材料性能与其在白车身的具体应用位置相匹配；

本步骤一中，以高强钢材料为例，根据车身具体应用位置选择不同的高强钢材料，所述高强钢材料根据强度从小到大依次包括：软钢、高强钢、先进高强钢和热成形钢，如图2所示，根据原型车结构，建立白车身几何模型，所述制定车身材料方案具体包括：

1、乘员舱重点考虑安全性，在门环、地板横梁、中通道、前围挡板等处采用热成型钢，控制乘员舱侵入量，保证驾乘人员安全；

2、碰撞吸能区既要有的良好塑性以保证碰撞能量吸收，又要有一定的刚度来传递碰撞冲击力，前纵梁采用先进高强钢，前悬支撑座采用高强钢，后纵梁根据强度要求，可采用先进高强钢或者热成型钢；

3、结构框架或节点重点考虑结构刚度，地板连接梁、顶梁、侧围加强板和搭接结构等选择成本适中的高强钢或先进高强钢，采用合理的结构和料厚，提升车身框架刚度；

4、钣金件综合考虑性能、成本、工艺性、nvh性能等，前地板和顶盖选择软钢或高强钢，中间地板、后地板、前围内板、流水槽、轮罩内外板、侧围外板等选择成型性好的软钢。

本步骤一中，还应结合所设计的具体车型级别、目标成本、性能要求、生产资源和平台化战略等诸多条件平衡，进行具体材料选择；

本步骤二中，除所述高强钢材料以外，还可以选择铝合金材料、复合材料或钢铝混合材料对原型车材料进行替换，且在进行材料替换时，应遵循“等强度替换原则”，

所述等强度替换原则公式如下：

上述公式中：

t1为等强度下，采用替换前材料的零部件厚度；

t2为等强度下，采用替换后材料的零部件厚度；

σs1为等强度下，采用替换前材料的屈服强度；

σs2为等强度下，采用替换后材料的屈服强度。

步骤二：建立白车身有限元模型，通过灵敏度计算，筛选出灵敏度高和灵敏度低的零部件，并使车身零部件材料厚度与其在白车身的具体应用位置相匹配；

本步骤二中，所述灵敏度计算包括：扭转刚度、弯曲刚度、车身模态和碰撞安全性能在内的灵敏度计算，根据所述灵敏度计算的结果，对车身零部件钣金料厚进行优化的过程包括：

1、建立车身有限元模型：在前处理软件hypermesh中建立白车身有限元模型，并赋予车身零部件材料及料厚；

2、原型车性能分析：计算原型车的车身模态、扭转刚度、弯曲刚度和碰撞安全性能，如图3、图4和图5所示；

3、建立车身灵敏度分析设计变量：选择可变厚度的车身零部件料厚作为车身灵敏度分析设计变量，控制车身零部件料厚变化范围为±20％以内，以不影响装配；

4、设定约束条件：以优化后整车性能应不低于或稍高于目前性能水平为约束条件；

5、设定优化目标：优化目标为白车身质量最小；

6、计算车身零部件灵敏度：应用nastran软件进行灵敏度计算，采用最小步长迭代法，求解出对各项性能影响比较大的车身零部件；

7、重新赋值计算：根据车身零部件灵敏度计算结果及常用板材供货条件，对车身零部件钣金料厚进行重新赋值，并对车身模态、扭转刚度、弯曲刚度和碰撞安全性能结果进行验证计算；

8、对验证计算结果进行评估，评价轻量化效果。

步骤三：根据灵敏度的高低对白车身零部件的结构进行优化，使零部件及整车的性能提升至最大；

本步骤三中，根据步骤二中计算获得的灵敏度，对灵敏度高的零部件及车身整体框架结构采取结构拓扑优化，针对所述灵敏度低的零部件采取结构尺寸优化、结构形貌优化或结构数量优化；其中：

所述结构拓扑优化是指：在结构进行服役工况中，剔除受载较小的局部或者整体结构；

所述结构尺寸优化是指：对结构搭接尺寸、截面宽度尺寸、截面高度尺寸或截面厚度尺寸进行优化；

所述结构形貌优化是指：对结构减重孔位置、减重孔大小或局部形貌特征进行优化；

所述结构数量优化是指：结构精简、结构拆分或冗余结构删除。

步骤四：通过车身零部件的冲压工艺分析，优化成型工艺，保证材料替换方案的工程实现；

本步骤四中，结合上述步骤一制定的车身材料方案和步骤二获得的车身零部件钣金料厚优化结果，进行钣金件成型性优化验证的过程包括：

1、建立冲压模具模型：在catia、pro-e等cad设计软件中建立车身钣金件模型，并进行必要的工艺补充，然后建立相应的模具凸模模型、模具凹模模型和压边圈模型，并提取模具凸模、模具凹模模型和压边圈模型的曲面，保存为.iges格式的冲压模具文件，并将冲压模具文件导入用于冲压成型分析的cae软件；

2、网格划分及位置调整：将冲压模具文件导入用于冲压成型分析的cae软件后，进行网格划分，并调整模具凸模、模具凹模和压边圈之间的相对位置；

3、设置成型参数：所述cae软件中，待成型板料主要参数设置包括：厚度、材料和网格尺寸；冲压模具的主要参数设置包括：行程控制、冲压速度或冲压力、摩擦系数和模具闭合状态；

4、求解计算：成型参数设置完毕后，调入求解器进行计算，常用求解器包括：ls-dyna、pam-stampsolver、autoformsolver；

5、计算结果后处理：完成计算，查看计算结果并进行必要的后处理，主要查看以下计算结果：成形极限图、厚度、应变、材料流动等。

6、对零部件进行优化：对强度要求高且进行了减薄处理后的零部件进行结构优化，通过调整产品设计或冲压工艺解决强度要求高且进行了减薄处理后的零部件的开裂、起皱或回弹等工艺问题。

如图6a、6b、7a和7b所示，通过本步骤四的冲压工艺分析及成型工艺优化，对所述零部件进行优化后，零部件的减薄率从-0.206变为-0.116，优化后的零部件的局部褶皱的工艺问题得到有效改善，确保采用当前材料下的零部件的成型工艺的实现。

步骤五：对优化后的车身零部件进行cae分析验证，若满足车辆的轻量化设计目标，则设计完成；若不满足车辆的轻量化设计目标，则重复上述步骤二至步骤四。

综上所述，通过本发明所述车身轻量化设计方法所设计的零部件，在优化前和优化后的对比如下表一：

表一

从上一可以看出，所述零部件通过跟发明所述车身轻量化设计方法进行优化后，扭转模态、弯曲模态、弯曲刚度和扭转刚度均得到提升，而零部件的重量有所下降，符合车身轻量化设计要求。

本发明所述实施例中，除有明确记载步骤顺序要求的，数字标号并不代表对步骤的顺序要求。

尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

以上所述本发明的具体实施方式，并不构成对本发明保护范围的限定。任何根据本发明的技术构思所作出的各种其他相应的改变与变形，均应包含在本发明权利要求的保护范围内。