基于灵敏度分析的某铝合金白车身轻量化研究

罗宾 马丽春 李金龙

摘要：以某铝合金白车身为研究对象，建立有限元分析模型。以车身结构关键零部件的厚度为设计变量，对白车身质量、模态频率、弯曲刚度、扭转刚度进行灵敏度分析。根据灵敏度分析结果，对以上结构性能灵敏度较低的部件进行轻量化、对结构性能影响较大的部件进行厚度优化。最终在保证铝合金白车身以上结构性能不降低的情况下，提出具有重要指导意义的轻量化方案，实现了满意的减重效果。

Abstract： Taking an aluminum alloy BIW as the research object， a finite element analysis model is established. The sensitivity of BIW mass， modal frequency， bending stiffness， and torsional stiffness was analyzed regarding the thickness of key components of the body structure as a design variable. According to the results of sensitivity analysis， the components with lower structural performance sensitivity are reduced in weight， and the components making greater influence on structural performance are optimized for thickness. As a result， in the case of ensuring that the structural performance of the aluminum alloy BIW does not decrease， a constructive lightweight solution is proposed. The satisfactory weight reduction effect has been achieved.

关键词：白车身;有限元;灵敏度分析;轻量化

Key words： BIW;finite element;sensitivity analysis;lightweight

0  引言

一个结构性能优良的白车身结构是汽车的基礎。现代汽车车身结构基本都采用的是承载式车身，车身结构要承受汽车行驶过程中从路面传来的全部载荷以及各种配重的加速度载荷，所以白车身的结构性能就非常重要。白车身设计初期的主要性能参数有模态频率、弯曲刚度、扭转刚度，这几个性能将直接影响到整车性能的好坏。研究成果显示白车身的刚度对整车的刚度性能贡献量达到了60%以上。车身结构的低阶模态反映了车身结构的整体动态性能，是控制着整车振动特性的重要指标[1]。白车身的模态和刚度也是汽车结构耐久性能、NVH性能的重要指标参数，所以研究并保证白车身有良好的模态、刚度性能是非常重要的[2]。

随着人们对汽车燃油经济性和新能源汽车行驶里程的要求越来越高，不管是传统汽车生产企业还是新能源造车新势力都对汽车的轻量化非常重视。降低车身的重量将直接提升燃油经济性和新能源汽车行驶里程。研究资料表明：车身重量每减少10%，燃油消耗就会降低6%-8%[3]。

1  有限元模型的建立

国内自主的某铝合金车身是由铝合金型材、铸造件和钣金件连接而成的。结构简单的铸造件、型材和钣金件用壳单元模拟，单元尺寸8mm。比较复杂的铸造件用实体单元模拟，单元尺寸为3mm。铝合金车身的主要连接方式为铆接（FDS、SPR）、粘胶、焊缝，铆接用直径为5mm的acm类型焊点模拟，粘胶用adhesives类型单元模拟，焊缝用rbe2单元模拟。有限元分析模型如图1所示。

2  白车身基础性能计算

在进行结构性能优化之前，首先要对当前的结构性能有所了解。结构轻量化是以结构分析为基础的，所以第一步要对该白车身的模态、弯曲扭转刚度进行分析，了解结构的基础性能。

2.1 白车身模态分析结果

本文计算的白车身模态为自由模态，从分析结构中找到白车身的第一阶整体模态。分析仿真结果得知：①白车身模态前6阶为刚体模态。②第7、8、9阶模态为局部模态。③第10阶模态为该白车身的第一阶整体模态（扭转模态），模态频率为51.5Hz，模态振型如图2所示。

2.2 白车身弯曲刚度分析

白车身弯曲刚度工况边界条件及载荷：约束前后螺旋弹簧安装支座位置自由度，保证白车身固定又不过度约束，约束的自由度分配详见图3。载荷施加在如图3所示中心线的门槛梁上，两个门槛梁各施加1000N。

从计算结果中提取测量点位移，计算得到修正后的弯曲位移为0.1363mm，经计算白车身弯曲刚度值为14678N/mm。

2.3 白车身扭转刚度分析

白车身扭转刚度工况边界条件及载荷：约束白车身后螺旋弹簧安装支座位置自由度，约束的自由度如图4所示。前减震器安装点中心施加MPC约束，让两个安装孔中心Z向位移相反。扭转刚度工况施加扭转载荷为2000N·m。

从计算结果中提取得到测试点的位移，计算得到修正后的扭转角为0.1552°，计算得到白车身扭转刚度值为12886N·m/°。

3  灵敏度分析

3.1 灵敏度介绍

车身灵敏度主要包含静态灵敏度和动态灵敏度。静态灵敏度是指白车身的弯曲扭转刚度对设计变量的灵敏度，也包含车身质量相对设计变量的灵敏度[4]。动态灵敏度本文主要计算模态对设计变量的灵敏度[5]。

灵敏度分析基本概念主要有重量灵敏度、模态（刚度）灵敏度、相对灵敏度。

①重量灵敏度：某钣金增加1mm，白车身重量的变化量。

②模态（刚度）灵敏度：某部件增加1mm，白车身模态频率（刚度）的变化量。

③模态（刚度）相对靈敏度：某部件使白车身重量增加1%，对白车身模态频率（刚度）改变的百分比。

④模态（刚度）平均灵敏度：每个零件都加厚1%，对白车身模态频率改变的百分比。

以某铝合金白车身为研究对象，建立白车身有限元模型。本文选择了53个部件作为灵敏度研究对象，其厚度作为设计变量，如图5所示。以白车身基础扭转模态、弯曲扭转刚度作为约束，质量最小作为目标。计算这些部件的厚度变化对车身质量、模态、弯曲扭转刚度的灵敏度。根据计算结果，得到各零部件的模态、弯曲刚度、扭转刚度的相对灵敏度、平均灵敏度以及相对灵敏度与平均灵敏度的比值。通过比值来判断该零部件对车身结构性能参数的重要性[6]。选取对结构性能影响比较大的零部件进行性能优化，选取对结构性能贡献小的零部件进行轻量化[7-8]。

3.2 计算结果分析

对各部件的灵敏度分析结果进行处理，得到各个部件厚度对白车身的模态、弯曲扭转刚度的相对灵敏度和平均灵敏度。其中模态相对灵敏度较高的部件如图6所示。

对弯曲刚度相对灵敏度较高的部件如图7所示。

对扭转刚度相对灵敏度较高的部件如图8所示。

3.3 厚度优化方案介绍

综合考虑模态灵敏度、弯曲刚度灵敏度及扭转刚度灵敏度，挑选对三个性能影响都比较小的部件进行轻量化，并选择灵敏度较高的部件增加厚度，提升结构性能。最终挑选出如图9所示部件进行厚度优化，各部件的厚度变化情况如表1所示。

3.4 轻量化方案性能验证

按照以上轻量化方案对有限元模型进行修改，再次计算白车身的模态、弯曲刚度、扭转刚度。将轻量化前后的模型及结构性能进行对比，如表2所示。

分析统计表可知：根据灵敏度分析结果对关键部件的厚度进行优化后，白车身的扭转模态频率和弯曲刚度有所提升、扭转刚度基本保持不变，但白车身质量减少了4.1kg。

4  结论

利用灵敏度分析的方法对白车身结构进行轻量化，在保证了车身模态、弯曲扭转刚度的前提下，提出轻量化方案。这种方法对白车身轻量化工作有重要的指导意义，为轻量化方案的提出提供了重要依据。

本文利用灵敏度分析的方法，对某铝合金白车身结构进行轻量化分析。在白车身扭转模态、弯曲刚度、扭转刚度不降低的情况下，使白车身质量降低了4.1kg，轻量化效果明显。尽管轻量化方案的实施还要综合考虑其他性能，但灵敏度分析方法为轻量化工作指明了方向，提供了数据支持。

参考文献：

[1]高云凯.汽车车身结构分析[M].北京：北京理工大学出版社，2006：149-194.

[2]李金龙.某轿车白车身刚度、强度及模态有限元分析[D]. 重庆大学，2015.

[3]中国汽车工程学会.中国汽车轻量化发展——战略与路径[M].北京：北京理工大学出版社，2015.

[4]Kin K C， Kim C M， A study on the body attachment stiffness of the road noise[J]. Journal of Mechanical Science and Technology， 2005，19（6）：1304-1312.

[5]杨英，赵广耀，孟凡亮.某轿车白车身结构灵敏度分析及优化设计[J].东北大学学报（自然科学版），2008（08）：1159-1163.

[6]郭福森，洪汉池，陈志军，等.FSAE赛车车架灵敏度分析与轻量化设计[J].厦门理工学院学报，2015（1）：7-12.

[7]秦训鹏，冯佳伟，王永亮.基于响应面方法的微型车车门模态分析与优化[J].中国机械工程，2017，28（14）：1690-1695.

[8]韩继光，赵玉清，时玲.基于模态灵敏度分析的某乘用车白车身结构优化设计[J].机械设计，2017（09）：43-46.