汽车车身轻量化设计方法探析

李云

摘 要：车身轻量化是当前汽车车身设计与发展的必然趋势，先进技术为车身轻量化提供了可能。然而，轻量化设计必须全面考虑汽车车身材质、汽车车身的灵敏性和汽车车身的碰撞安全性。因此，轻量化设计成为当前汽车车身设计的重要研究内容。研究汽车车身轻量化设计方法不仅能够促进汽车车身轻量化的发展，而且对汽车制造业的进步意义深刻。为此，本文从汽车车身轻量化设计的基本方法入手，探索了汽车车身轻量化设计有限单元建模及基本性能，并从灵敏度、高强度钢材、碰撞安全性这三个方面探索了车身轻量化设计的具体方法。

关鍵词：汽车 车身 轻量化 设计 方法

中图分类号：TF426 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2018）06（b）-0079-02

1 汽车车身轻量化设计的基本方法

1.1 结构优化设计

优化设计主要将原有系统设计为带有变量的数学模型，通过变量的选取来实现设计要求，并使设计满足约束条件。结构优化设计主要包括形貌优化设计、拓扑优化设计和尺寸优化设计这三种方法。从结构拓扑优化方面来讲，设计人员需要了解结构的振动特性、静动态特性等性能，进而对结构进行拓扑优化设计。而结构的拓扑优化最大特点就是在设计之前，运用一定受力条件和外界条件就能够找出结构材料的最佳分配方案，进而得到结构的部分参数，为后续设计提供条件。从结构形貌优化设计方面来讲，形貌优化设计主要目的是寻找最佳的结构形状设计方法。例如，在设计车身钣金件形貌的时候，可以采取最佳加强筋布置方案，在减小钣金件质量的基础上增强钣金件的刚度和强度。从结构形状优化设计方面来讲，形状优化设计主要改变结构的形状来增强结构刚度的设计方法。形状优化设计最为简单和使用，能够在确定目标之后，在约束条件和设计变量的要求下进行优化设计。

1.2 有限单元分析技术

有限单元分析技术是当前工程问题分析的有效手段，主要通过计算矩阵对每一步过程进行计算，能够将显示的工程问题转化为数学问题进行分析和解决。而有限单元分析技术在解决复杂工程问题的时候需要设置很多条件，计算时间较长，对计算机硬件设备和有限单元分析软件提出了更高的要求。

1.3 新型材料的应用

新型材料的应用能够加快汽车车身的轻量化设计。然而，新型材料的应用会增加车身制造的成本，如果想要降低车身的质量，实现轻量化设计可以选择纤维复合材料。具体来讲，汽车车身轻量化设计主要在发生在开发设计阶段，对车身概念、车身动静态刚度、车身碰撞安全性等进行设计。其中，新型材料主要包括铝合金、塑料、镁合金等低密度材料和高强度钢等高强度材料。在运用新型材料的时候应充分考虑新型材料的其强度、刚度、成本、回收利用优势等。目前，汽车车身设计仍然主要使用钢材。而高强度钢具有较高的拉伸强度和较大的屈服强度，能够增强汽车车身的吸收能量能力和抗变形能力，优化汽车车身的动态性能，降低车身质量，实现车身轻量化设计。同时，高响度钢的固有频率、动静态刚度以及碰撞安全性与其他材料相比有着巨大优势，已经成为汽车车身轻量化发展的重要方向。另外，镁合金的加工性能较高，减震性和抗凹性突出，在汽车车身轻量化发展中有着良好的应用前景。然而，由于镁合金容易被腐蚀、回收成本和制造成本较高，镁合金在当前汽车车身轻量化设计应用仍然有较大的问题。

2 汽车车身轻量化设计有限单元建模

2.1 有限元建模

在开展汽车车身轻量化设计之前，设计人员应充分掌握汽车车身的固有振动频率参数、静态刚度参数等，为汽车车身基本性能参数设计提供基础。设计人员可以通过有限元建模方法来得到汽车车身的参数。为此，设计人员应根据汽车车身结构建立精确的有限元模型。具体来讲，设计人员可以对汽车车身钣金件结构进行简化和处理，去掉对钣金件结构影响较小的小孔、倒角等结构。在建立有限元模型之后，设计人员需要根据钣金件材料和钣金件的厚度选择合适的模拟焊接方法。

2.1.1 选择单元种类

由于汽车车身钣金件的厚度和长宽度尺寸较大，在建立钣金件结构模型的时候，可以将钣金件结构看作壳结构，运用四边形壳单元模拟汽车车身钣金件。然而，在比较复杂的钣金件结构方面，为了保证模拟网格的质量，可以使用三角形单元和四角形单元混合的方式对网络进行划分。并且，网格的密度和尺寸会影响模拟的精确性。如果网格密度过大、网格尺寸过小会导致模拟时间较长，模拟效率较低。因此，在网格划分的过程中要充分考虑模型的精确性以及模拟计算效率，选择合适的网格尺寸。

2.1.2 结构简化

汽车车身由众多钣金件拼焊而成，结构比较复杂。并且，钣金件的结构也比较复杂，大多数钣金件都设置了加强槽和加强筋，钣金件结构十分不规则。在这种情况下，有限元模型的建立应对汽车车身结构和钣金件结构进行简化，以提高建模质量和建模效率。而结构简化应保证钣金件的力学性能，不能去除钣金件结构上必要的加强筋结构。同时，在结构简化之后，有限元模型与钣金件实际结构必然会存在误差，设计人员要将误差控制在允许的范围内。

2.2 汽车车身模态分析

模态分析对汽车车身的动态分析具有重要的作用，是实现汽车车身动态分析的有效途径。现实生活中，汽车车身一般由众多钣金件焊接而成，而整个车身系是一个整体的振动系统。并且，这一振动系统会在外界刺激下产生振动，例如，发动机振动、车身在路面作用下的振动、汽车传统系统振动等。如果汽车车身的固有频率与外界刺激的频率相近时便会产生共振现象。在汽车车身轻量化设计过程中引入模态分析方法能够有效避免共振现象。具体来讲，在汽车车身轻量化设计过程中，可以将汽车车身模态分析结果作为车身优化设计的验证数据。并且，设计人员可以对汽车车身进行模态分析，加强对汽车车身动态性能的研究。另外，设计人员可以通过模态分析得到汽车车身的固有振动频率的参数，并将参数作为强量化的数据参考指标。

3 基于灵敏度的汽车车身轻量化设计的方法

3.1 车身灵敏度分析

灵敏度分析是汽车车身轻量化设计的重要方法，能够定量计算汽车车身设计的安全系数和余量，并估算汽车车身结构修改所要达到的效果，进而节省设计时间，提高汽车车身轻量化设计的经济效益。

3.2 基于灵敏度分析的车身设计的原则

首先，基于灵敏度分析的車身轻量化设计应将车身的物理问题转化为数学问题，运用数学手段来实现车身轻量化设计。为此，设计人员应合理选取设计变量，确定问题所使用的函数和问题的约束条件。其次，基于灵敏度分析的车身轻量化设计应将物理问题转化为数学模型，通过求数学模型极值来解决汽车车身设计问题，找出汽车车身灵敏度分析的设计变量、目标函数、约束条件等要素。具体来讲，设计变量的选择要能够影响目标函数值和计算效率，尽可能少地选取变量个数。再次，设计变量之间应互不干涉，使设计变量处于一定的变化范围之内。并且，灵敏度分析要充分考虑汽车车身的设计条件，将设计条件进行分类，在分类的基础上进行分析。最后，目标函数的选择应选取与汽车车身设计变量相关的函数，确保通过函数能够得到汽车车身轻量化设计的结果。

3.3 基于灵敏度分析的汽车车身轻量化设计的流程

在进行汽车车身轻量化设计的时候，要确保汽车车身的性能符合汽车车身设计的标准和要求。尤其在灵敏度分析的时候，要将车身钣金厚度作为变量，将车身扭转刚度、弯度、第一阶模态等作为设计的约束条件，以最小车身质量为设计目标对汽车车身进行轻量化设计。同时，在轻量化设计过程中，设计者要充分考虑零件厚度变化对钣金冲压成本的影响，确保最小的制造成本增加。

4 基于碰撞安全性的车身轻量化设计

汽车车身轻量化设计应满足碰撞安全性的要求，通过碰撞模拟对车身安全性进行验证。为此，设计人员在汽车车身轻量化设计过程中应重视汽车碰撞安全性的要求，在碰撞安全性的基础上开展车身轻量化设计。

4.1 建立整车碰撞有限元模型

从单元类型方面来讲，设计者可以将汽车车身钣金件选用壳单元作为单元类型，在模拟碰撞刚性圆柱的时候对刚性材料赋予薄壳单元进行碰撞圆柱模拟。从模拟材料方面来讲，模拟材料直接影响着模拟结果的可靠性。设计者可以根据普通钢和高强度钢材料的密度、泊松比、弹性模量、拉伸强度、屈服强度等参数进行碰撞模拟。从侧面碰撞圆柱的确定来讲，设计人员应按照我国发布的《汽车侧面碰撞乘员保护标准》确定碰撞模型。从接触方面来讲，汽车侧面碰撞模拟通常采用自动接触的方式。这是因为自动接触能够有效设备模型单元壳的厚度，并在接触过程中按照壳厚度进行处理。

4.2 轻量化设计的不同方案

在碰撞安全性方面，笔者设置了三种不同的碰撞方案，并对这三种方案进行了比较。第一种是在轻量化设计之前对车身进行有限元模型设计，第二种是通过修改车身钣金零件厚度构建限元模型，第三种对高强度钢轻量化车身进行了设计。从节点侵入量方面来讲，第二种放慢的节点入侵量会在某一时段略高于第一种方案，说明轻量化设计之后，车身碰撞安全性符合要求，安全性能下降很小。第三种方案的节点入侵量在大多数时间段内都小于第一种方案，这说明高强度钢的运用不仅能够实现车身轻量化，而且增强了车身的碰撞安全性。

5 结语

总之，通过上述分析，我们可知，作为一个汽车大国，在现代化汽车制造技术不断发展的今天，为实现我国汽车制造产业在当今可持续发展目标的实现。我们要加强技术转型与创新，通过汽车轻量化设计来促进汽车质量的提升，为我国汽车经济的绿色化、集约化发展而努力。

参考文献

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