基于白车身静刚度优化车身轻量化研究

岳涛 汪小朋 陈乐强

摘 要：文章基于车身轻量化项目，从白车身静刚度的角度出发，运用CAE方法对轻量化的方案进行优化分析，找出合适的轻量化方案。

关键词：轻量化；车身；CAE

中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988（2018）12-54-02

Abstract： This paper was written based on Lightweight-project， CAE-technology was used to find suitable the best Lightweight-method， from the point of body-in-white static stiffness optimization.

Keywords： Lightweight； body-in-white； CAE

CLC NO.： U467 Document Code： B Article ID： 1671-7988（2018）12-54-02

引言

据研究资料显示，若汽车整车重量降低10%，燃油效率可提高6%～8%；汽车整备质量，每减少100kg，百公里油耗可降低0.3～0.6升，汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。

目前国内外汽车轻量化技术发展迅速，主要的轻量化措施是轻量化的结构设计和分析，以及轻质材料在汽车上的应用，包括铝、镁、高强度钢、复合材料、塑料等。其中结构设计方面，一般是通过更优化的设计，来减小车身骨架及车身钢板的质量，同时对车身强度和刚度进行校核，以确保汽车在满足性能的前提下减重。

白车身静刚度主要包括静态抗弯曲刚度和静态抗扭转刚度。车身的抗弯刚度和抗扭刚度在很大程度上决定着车身的品质。经受很大变形的柔性车身壳体，如果其抗扭刚度不够的话，则将不能以应有的方式承受弯曲的作用，因此，良好的车身应当具有刚性壳体。车身是轿车的关键总成。车身结构必须具有足够的刚度以保证其装配和使用要求。

本文从车身刚度的角度出发，运用CAE方法，结合结构胶新技术，对车身轻量化进行研究。

1 有限元分析技术及使用软件简介

随着计算机技术和数值分析理论的发展，CAE技术在现代汽车产品设计中扮演着越来越重要的角色，几乎贯穿了汽车设计的全过程，它是计算机技术和工程分析技术相结合形成的新兴技术。

MSC.Nastran是由MSC.Software公司推出的一个大型结构有限元分析软件，主要的分析功能有：静力学分析、屈曲分析、动力学分析、热分析、空气动力学弹性及颤振分析、流固耦合分析、多级超单元分析、高级对称分析等，本文主用运用Nastran对车身静刚度进行分析。

2 某款轿车车身轻量化研究

根据轻量化项目要求，车身需要在不改变结构的情况下进行减重，减重后白车身的静刚度维持减重前的水平。

2.1 现状态车身静刚度分析

在减重方案制作之前，需要对现状态的白车身静刚度进行性能摸底，按照项目要求，减重前的白车身静刚度作为减重方案的设计目标。

沿左右纵梁布置位移测点，考察白车身在弯曲工况和扭转工况下车身静刚度。分析结果如下所示：

现状态白车身静刚度分析结果如下所示：

2.2 减重方案车身静刚度分析

按照要求，对车身进行减重，减重方案如下所示：

包括侧围、顶棚、中央通道等比较大的件均进行了减薄处理，减重方案白车身静刚度分析结果如下表所示：

从分析结果上看，减重方案对白车身静刚度影响较大，扭转刚度下降了7.68%，弯曲刚度下降了9.81%，不能满足项目减重后车身刚度保持原先水平的要求，需要对减重方案进行优化。

2.3 车身减重方案优化

按照项目要求，不能对车身进行结构的改动，只能在钣金的厚度上做优化，但是增加钣金的厚度以达到车身刚度提升的方法有悖于项目减重的初衷，因此需要在减重方案的基础上引进新的技术方案。

结构胶是近来新兴的一种技术，结构胶强度高、抗剥离、耐冲击、施工工艺简便。用于金属、陶瓷、塑料、橡胶、木材等同种材料或者不同种材料之间的粘接。可部分代替焊接、鉚接、螺栓连接等传统连接形式。结合面应力分布均匀，对零件无热影响和变形。

在车身连接薄弱的位置填加结构胶增强部件之间的连接，可有效的提升车身刚度，而且结构胶的质量很小，不会对车身质量造成很大的影响。

根据分结果，在车身较弱的位置填加结构胶进行分析。根据分析结果填加的结构架如下图所示：

对优化方案进行白车身静刚度分析，分析结果如下所示：

从分析结果上看，优化方案的分析结果扭转刚度不但达到设计要求，而且还提升了4.4%，弯曲刚度有0.8%的下降，可以接受。从提供的结构胶材料参数来看，重量仅增加了0.141kg。

3 结论

汽车轻量化是现在和未来汽车发展的一个重要课题，在轻量化的同时，车身刚度不能有很大的变化，因此在制作方案的阶段需要对方案的影响进行预测，CAE则是进行预测分析的最佳工具。

本文运用CAE方法从白车身静刚度的角度对车身轻量化进行分析，并在减重方案的基础上采用结构胶的方法对车身刚度进行优化，最终达到设计要求。

参考文献

[1] 郭乙木，万力，黄丹.有限元法与MSC.Nastran软件的工程应用[M].北京：机械工业出版社，2005.

[2] 庞剑，谌刚，何华.汽车噪声与振动-理论与应用[M].北京：北京理工大学出版社，2006：280-282.