基于灵敏度方法的白车身扭转刚度提升研究

2018-05-28王小留

汽车实用技术 2018年9期

王小留

（上海汽车集团股份有限公司乘用车公司技术中心，上海 201804）

前言

随着汽车的发展，汽车已经不仅仅是一个代步工具，人们对汽车的性能以及安全舒适性提出越来越高的要求。白车身扭转刚度是整车刚度的基础，其对整车的 NVH性能，碰撞安全性能都有着直接的关系。整车刚度不足，会导致整车的模态频率偏低，从而会导致汽车在行驶过程中容易因外界的低频激励引起共振，产生大幅度的振动与噪音。整车刚度不足也会导致汽车在行驶过程中产生大的变形，所以提升白车身扭转刚度对整车性能具有重要意义。

白车身扭转刚度的高低主要受车身结构、型腔断面和材料厚度的影响。一般情况下，优先通过优化车身结构和型腔断面来提升白车身扭转刚度。而往往车身结构和型腔断面受造型风格，人机布置等限制，有时某些车型在造型风格和人机布置上会严重限制车身结构形式和型腔断面的大小，这些车型往往在优化完车身结构和型腔断面的情况下，白车身扭转刚度往往难以满足整车的性能要求，这时需要通过采用新材料新工艺或通过合理增加材料厚度的方式来提升白车身扭转刚度，本文主要介绍后者，即通过重量灵敏度分析的方法，合理分配和改变材料料厚来高效提升白车身扭转刚度。

1 白车身扭转刚度仿真方法

白车身扭转刚度仿真方法是通过约束白车身的后端，下图1所示，在白车身前端的减震塔处施加扭转载荷进行评估。不同的地方在于，不同的企业在约束加载位置和测试所包含的零件上略有不同。

图1 白车身扭转刚度约束和加载示意图

2 重量灵敏度分析法

灵敏度分析是结构优化的基础，通过灵敏度分析，可以把白车身板件分为三类：高灵敏板件、低灵敏板件和负灵敏板件。适当加厚高灵敏板件、减薄不灵敏板件和负灵敏板件，可以实现白车身的性能改进和轻量化设计（1）。

灵敏度分析是通过计算机批量求解，通过批量设置每个零件厚度变化，求解每个零件厚度变化带来的车身性能变化。车身性能指标有模态、刚度和强度等，本文中车身性能只讨论白车身扭转刚度。当白车身模型中零件厚度为 T（单位：mm）时的白车身扭转刚度为KT（单位：Nm/°），在软件中设置零件厚度变化量△T（单位：mm），算出白车身模型中零件厚度为（T+△T）时对应的白车身扭转刚度（KT+△KT），把白车身扭转刚度变化量△KT与零件厚度变化量△T之比定义为厚度灵敏度的话，那么厚度灵敏度表示单位厚度变化引起的白车身扭转刚度的变化量。如果用零件的厚度灵敏度来衡量零件对白车身扭转刚度的贡献的话，该值很容易受到零件大小的影响，大的零件由于覆盖的面积广，零件质量大，料厚改变时往往对白车身扭转刚度值影响很大，但同时也会增加很多重量。为了排除零件大小的影响，更加合理的评估零件对白车身扭转刚度的贡献，引入重量灵敏度的定义：即在零件CAD模型中算出零件厚度变化量△T所引起的零件重量的变化量△M（单位：Kg），把白车身扭转刚度变化量△KT与零件重量的变化量△M 之比△KT/△M定义为重量灵敏度，它表示单位重量变化引起的白车身扭转刚度的变化量，用KT'表示。某个零件的重量灵敏度KT'的值越大，说明在增加同等重量的前提下，该件对白车身扭转刚度的提升贡献值越大。在车身结构一定的情况下，如果要通过合理分配零件料厚来提升白车身扭转刚度，那么分配零件料厚的原则是对重量灵敏度 KT'值高的零件进行加厚，对重量灵敏度 KT'值低的零件进行减薄。通过重量灵敏度分析的方法可以指导白车身扭转刚度提升的设计和白车身的轻量化设计。

3 某车型设计分析

下图2为某车型后部区域结构，因设计需要，没有衣帽架处环状结构，且由于受造型和布置限制，导致尾门洞上部区域型腔断面被压缩到极限状态，当车身结构和型腔断面优化结束后，该车型的白车身扭转刚度为17640 Nm/°，仍然不满足项目上定义的目标要求18500 Nm/°。基于这个现状，结合重量灵敏度分析，考虑通过合理分配零件材料厚度以达到合理提升白车身扭转刚度的目的。

图2 某车型断面受限示意图

在车身结构和型腔优化结束后的白车身模型中，批量设置每个零件（仅设置上车身的零件，下车身的零件为架构沿用件）的厚度变化量△T为 0.1mm，求解出每个零件厚度变化 0.1mm时所带来的白车身扭转刚度的变化量△KT，再算出每个零件厚度变化量0.1mm所对应的重量变化量△M，根据重量灵敏度的定义 KT'=△KT/△M，从而能得到每个零件在当前料厚下重量灵敏度，重量灵敏度值排名前十的零件如下图3所示，从零件分布可以看出重量灵敏度值高的零件都分布在尾门洞区域，提升尾门洞区域的这些零件料厚可以有效提升白车身扭转刚度。

图3 某车型重量灵敏度值排名前十的零件示意图

表1 重量灵敏度值信息表

对重量灵敏度排名前十的零件进行编号，分别命名为 1号零件、2号零件、3号零件……10号零件，表1是这10个零件的料厚增加0.1mm时对应的重量变化量△M，白车身扭转刚度变化量△KT，及其对应的重量灵敏度KT'值。

从上表可以看出，如果对排名前十的零件都进行增厚，每个零件都增厚 0.1mm的话，那么整个白车身将增重0.727kg*2（左右对称件），而白车身扭转刚度提升 220 Nm/°*2，仍然没有达到该车型对白车身扭转刚度的要求 18500 Nm/°。通过这种简单直接加厚的方法，虽然白车身扭转刚度得到相对明显的提升，但是增加的重量是不是最少，也就是这种方法是不是相对合理，需要继续探讨。根据重量灵敏度的定义，给零件分配料厚的原则是对重量灵敏度 KT＇值高的零件进行加厚，显然如果零件的重量灵敏度值随着料厚变化不变的话，那么只需对1号增重2kg，就能把白车身扭转刚度提升到18500 Nm/°，如果零件的重量灵敏度值随着料厚变化而会发生变化的话，那么每次零件增厚后，则需要重新寻找重量灵敏度值最高的零件，并对其加厚，以此类推，直到把白车身扭转刚度提升到目标值。

4 试验设计

为了弄清楚重量灵敏度KT'与零件料厚T之间的关系，当某个零件自身料厚增厚后，一方面要研究该零件自身的重量灵敏度的变化，另一方要研究该零件增厚后对周边零件的重量灵敏度的影响。我们选取重量灵敏度排名前四的零件进行增厚，如果每对一个零件增厚0.1mm就计算一次重量灵敏度的话，四个零件每个零件都增厚0.6mm，那么计算机将要进行24次的批量计算，为了节约计算机资源，减少计算次数，对重量灵敏度排名前四的零件同时增厚 0.1mm，研究这四个件增厚后自身的重量灵敏度的变化以及这四个件增厚后对其余六个未增厚零件的重量灵敏度的影响，为了重点研究重量灵敏度值高的零件，同时规定，当某个零件的重量灵敏度值低于250 Nm/（°*Kg）时，则该件在下一轮的计算中不进行加厚。计算得出的重量灵敏度KT'及其对应的料厚见表2。

表2 重量灵敏度KT＇及其对应的料厚

5 重量灵敏度与零件料厚的关系

从表2中我们先分析未加厚的5-10号零件的重量灵敏度的变化情况，从表中不难看出当其余四个零件的料厚在增加时，该六个件的重量灵敏度基本保持不变，其变化规律如表3，总结出规律为：当某一零件料厚 T保持不变时，随着周边零件料厚的增加，其重量灵敏度 KT'基本维持不变，也就是周边零件料厚T变化对其重量灵敏度KT'影响很小。

表3 5-6号零件重量灵敏度变化曲线

再分析四个增厚零件重量灵敏度的变化情况，可以看出4号零件当料厚只提升了0.1mm，其重量灵敏度急剧下降，其值就低于 250 Nm/（°*Kg），3号件料厚从 1.0mm 加到1.3mm时其重量灵敏度值也低于250 Nm/（°*Kg）。该四个件的变化规律如下表4所示，总结规律为：随着零件自身料厚的增加，其重量灵敏度KT＇呈逐渐变小的趋势，且基本呈线性变化，不同的零件其变化的趋势略有不同。

表4 1-4号零件重量灵敏度变化曲线

6 设计优化

根据第5节得到的重量灵敏度和料厚的关系我们知道，在车身结构不变的情况下，重量灵敏度 KT'与其他周边零件料厚变化基本无关，只与其自身料厚T变化相关，并基本成线性关系。根据这个规律我们前后只需选取两组不同料厚的组合，批量计算2次零件的重量灵敏度，然后可以采用差值法推算出中间各个料厚的重量灵敏度值。为便于理解，我们举个例子加以说明，我们选取1-6号零件用差值法算每个料厚的重量灵敏度值，具体步骤如下：

第一步：计算出1-6号零件当前料厚下的重量灵敏度KT'值，料厚T和重量灵敏度KT'见表5中的“Case1”列；

第二步：计算出1-6号零件另一组料厚下的重量灵敏度KT'值，料厚T和重量灵敏度KT'见表5中的“Case2”列；

第三步：根据线性规律推算出Case1与Case2之间的料厚对应的重量灵敏度 KT'值，见表中“推算过程”列，从而得到六个零件不同料厚所对应的重量灵敏度KT'值。

第四步：根据重量灵敏度 KT'的大小排名，在提升白车身扭转刚度时，依次选取重量灵敏度 KT'值高的零件进行增厚。

优化后的差值法，最大的优势是前后只需要两次批量计算零件的重量灵敏度 KT'值，减少了计算次数，加快了优化过程，节省了计算资源。