车身平台轻量化设计方法研究

叶宝文，吴纯福，陈东，耿富荣

（广汽研究院，广东 广州 510000）

车身平台轻量化设计方法研究

叶宝文，吴纯福，陈东，耿富荣

（广汽研究院，广东 广州 510000）

文章以某国产车型平台化开发时所用的轻量化设计方法为研究对象，介绍从平台原型车到同平台的系列车型开发过程引入基于特征参数化概念开发技术、结构拓扑优化、几何形状优化、料厚优化、复合材料使用等设计方法，对比、分析平台车型进行轻量化设计前后的弯曲刚度、扭转刚度、模态等性能变化，在满足车身性能前提下减重，为车身平台轻量化提供了有效设计方法。

平台轻量化；车身平台；设计方法

CLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)20-42-04

引言

目前国内平台化技术处于发展时期，每个主机厂的平台化方案策略不尽相同，一般而言，主流平台设计思路是采用相同关键尺寸锁定的底盘设计、相同发动机布置等配合框架一致的车身结构及布置空间，由原型车衍生出更多类型的平台车型或通过不同的车身子模块组合得到满足高性能要求的车身结构，由于平台开发是产品群开发模式，面对日趋严重的能源问题、节能减排及开发成本控制，车身平台轻量化则成为开发过程中必不可少的关键环节之一。

为开发满足高性能、高刚度的产品群车身结构，在平台初期的概念设计阶段就需根据平台整车开发输入，确定车身平台的开发思路、车身平台拓展性、平台车身的性能目标定义，通过CAE等先进分析方法对计划内开发车型进行整体性能优化，找到影响平台车身性能的关键结构，通过有方向性、针对性进行结构优化设计，在平台开发过程中从材料轻量化、结构轻量化、架构轻量化、料厚等方面进行轻量化设计，从而使每个平台车型的性能达到最佳水平和可持续升级且富有竞争力。

以某国产车型基于同一平台开发的某款三厢车和 SUV为例说明平台车身保证整体性能前提下的轻量化设计方法：

1 车身结构轻量化设计

1.1 基于特性参数化概念框架正向开发技术

首先对平台原型车进行参数化建模，通过有限元分析软件Hypermesh、Nastran 、LsDyna的拓扑计算优化空间传递路径，对车身梁截面大小、方向、料厚、接头等特性参数建立参数化模型，通过计算找到在满足车身刚度、模态等性能要求下的最优框架结构和最佳结构参数，这样就可以有针对性的指导后续详细设计，通过合理设计框架的截面大小、采用合理材料料厚及接头形式让车身性能及结构最优化，这几个步骤同步进行且相互关联，最终达到平台车身轻量化设计的目的。

图1

1.2 结构拓扑优化

通过对原型车结构拓扑优化，找到最优传递路径，搭建相同传递路径的平台架构；

图2

通过拓扑计算得到车身封闭框架结构，由前直纵梁、上边梁、A柱形成第一个封闭框架；A柱、A柱上边梁、B柱、门槛梁形成第二个封闭框架；B柱、门槛梁、A柱上边梁、C柱等形成第三个封闭框架，从而整体形成封闭框架结构，有效提升车身刚度。

如下图所示，拓扑优化后平台车型采用传递路径一致性的架构方案。

图3

1.3 几何截面形状优化、料厚优化

确定车身主体框架后，对车身架构共47个部位的截面大小、方向、料厚等特性设置参数，优化得到以最小的截面形状和料厚达到最优的弯曲刚度和模态的目的。

图4 车身断面优化位置

图5 A柱边梁位置的特性参数优化

用分析优化软件Nastran对拓扑后梁架截面面积、形状、厚料大小等特性设置灵敏度，如上图A柱边梁位置的原始与优化后的重心转动惯量I1、I2体现弯曲刚度优化方向，J值是扭转常数，另外面积及料厚变化也影响该位置的弯曲和扭转刚度。

通过优化计算可以知道弯曲刚度性能较灵敏的结构依次为（＞5%）：后纵梁Z向高度；门槛Z向高度；B柱Y向宽度；后纵梁Y向宽度；A柱下接头等；

图6 弯曲刚度灵敏度分析

对扭转刚度性能较灵敏的结构依次为（＞5%） ：后纵梁Z向高度；衣帽架横梁 Z向高度；衣帽架横梁 X向宽度；A柱下接头等；

图7 扭转刚度灵敏度分析

由以上灵敏度分析可对原型车进行初始方案设定，对框架形式，截面形状，料厚，材料替换等作为变量进行参数优化，采用多目标优化方法得到以下优化方案：

表1

综上所述，车身结构轻量化优化设计后平台车身减重31.1kg。

2 材料轻量化设计

在进行上述结构框架拓扑优化同时进行车身材料轻量化设计，目前先进高强度钢和超高强度钢，铝镁合金，工程塑料、纤维增强复合材料是主流车身平台的轻量化替代材料。

2.1 高强钢的应用

高强钢使用中，对车身构件在使用过程中可能承受的变形进行分析，得出板厚、强度与性能之间的关系方程式：

（注：Ps为压溃强度，AE为压溃吸能，Pt为压痕抗力，P为微量变形抗力，σb为抗拉强度，t为板厚，σp为成形构件应变下的流变应力，ED为动负荷设计弹性模量，n为常数。）

从各类关系方程可以看出，除疲劳强度外，其他各性能均正比于板厚和相应的材料性能n次方的乘积，因此高强度钢板能够大幅增加构件的变形抗力，提高能量吸收能力和扩大弹性应变区。高强度钢板用于车身设计上，通过减薄零件来减轻质量。

平台车身高强钢板使用比例说明：车身纵梁、门槛、A、B柱、中通道、座椅横梁、后地板横梁等车身框架结构全部采用400Mpa以上高强钢板，对于A、B柱加强板、内门槛等对碰撞、弯扭影响更大的零件采用热成型钢板，高强钢使用比率由原来53%提高至65%，这样通过提高高强钢使用比率相对原型车重量减轻9kg。

图8

2.2 铝合金、复合材料的应用

图9

另外铝合金、复合材料的应用也是车身轻量化发展趋势之一，在平台车身对钢制前防撞梁替换为铝合金防撞梁、前纵梁加强板替换为CBS复合材料减重效果也很明显。

综上所述，材料轻量化设计为平台车身减重17.2kg。

3 先进制造工艺技术、连接技术的轻量化设计

实现汽车轻量化设计的制造工艺技术主要包括激光拼焊、辊压成形、高强钢热成形、液压成型等以及结构胶粘接和异种材料铆接等先进连接技术，平台车身主要应用了以下先进工艺：

3.1 激光拼焊

激光拼焊指将若干不同材质、不同厚度、不同涂层的钢材、不锈钢材、铝合金材等采用激光源进行自动拼合和焊接而形成一块整体板材、型材、夹芯板等，以满足零部件对材料性能的不同要求。

在平台车身上应用如前机舱纵梁、B柱内板、中通道、门内板等对碰撞变形有不同料厚需求的零部件，满足车身性能前提下减重状况如下所示：

图10

3.2 液压成型

液压成型是指以管材作为坯料，在管材内部施加超高压液体同时，对管坯的两端施加轴向推力，进行补料。在两种外力的共同作用下，管坯材料发生塑性变形，并最终与模具型腔内壁贴合，得到形状与精度均符合技术要求的中空零件。

图11

与冲压焊接工艺相比，液压成形技术和工艺有以下主要优点：

1）减少零件和模具数量，降低模具费用，液压成形件通常只需要1套模具，而冲压件大多需要多套模具；

2）提高强度与刚度，尤其是疲劳强度，如液压成形的散热器支架，其刚度在垂直方向可提高39%，水平方向可提高50%；

3）节约材料，减轻重量；

3.3 粘接工艺&铆粘技术

粘接技术是指利用适宜的胶粘剂作为工艺材料，采用适当的接头形式和合理的粘接工艺而达到连接目的的连接技术，与其他连接方法相比，胶粘连接有其独特优势：胶粘采用面接触而非点或线接触，与点焊及铆接相比，不易产生应力集中，连接强度和刚度以及疲劳强度也相对较高，而且连接范围广，能应用于轻金属、钢材以及不同材料的连接，在车身结构中不易于点焊操作且承受冲击载荷较小的部位可考虑采用胶粘工艺，例如车身后轮罩优化搭接结构后减重0.1kg。

另外由于胶粘的破坏形式为突然性开裂，失效时承受的载荷瞬间将为零，在车身结构应用中可能存在安全隐患，故而粘接一般是和铆接一起形成铆粘复合连接共同应用于车身结构，如捷豹Jaquar XJ 全铝车身、BMW I3、BMW5、BMW7车身重普遍使用了铆粘复合连接技术，由于此次国产车型平台车身主要以钢制本体为主，铆粘技术可作为后续平台升级车型的备选工艺。

综上所述，采用先进制造工艺技术、连接技术的轻量化设计后车身减重1.6kg。

4 轻量化结果说明

对平台原型车进行多目标优化计算，满足车身弯曲刚度（＞18000）、扭转刚度（＞18000）、模态的目标情况下重量减轻39.9kg（原车重量335kg），轻量化系数2.97，达到平台车身设定的重量目标。

表2

5 总结

在平台开发初期规划出平台的开发车型，然后对原型车根据布置方案和框架进行拓扑优化，由点、线、梁、截面、接头、曲面的方式建立基于特征参数化框架的车身模型，在质量最低、刚度性能满足目标要求前提下，采用结构优化、材料优化、先进制造工艺及连接工艺等设计方法进行车身减重，相对原型车，平台车型基本减轻 39.9kg,轻量化系数2.97，达到车身平台轻量化设计要求。

[1] 王远,王军,吉建平,朱会田.基于灵敏度的白车身轻量化优化分析[J].军事交通学院学报.2010.12(5)：55-58.

[2] 刘显贵,陈无畏.基于刚度灵敏度分析的轿车白车身结构优化[J].机械设计.2009.26（12）：58-60.

[3] 孟宪明,谢书港,马杰,多目标优化在车身结构轻量化设计中的应用研究[J].中国汽车安全技术国际研讨会.2012.(5)：55-58.

[4] 胡朝辉.面向汽车轻量化设计的关键技术研究[J].博士论文.湖南大学.2010.

[5] 崔新涛.多材料结构汽车车身轻量化设计方法研究[J].博士论文.天津大学.2007.

Study on the lightweight design method of body platform

Ye Baowen, Wu Chunfu, Chen Dong, Geng Furong
( Guangzhou automobile research institute, Guangdong Guangzhou 510000 )

In this paper, The lightweight design method based on a domestic vehicle platform development when used as the research object, it is introduced the design method for development process such as the concept of parametric technology,topology optimization, shape optimization, Material thickness optimization,composite materials using etc,The bending stiffness, torsional stiffness and modal performance of the platform were compared and analyzed before and after lightweight design, body weight loss Under the premise of meeting the performance, It provides an effective design method for lightweight body platform.

Platform lightweight; body platform; esign method

U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988 (2017)20-42-04

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.20.014

叶宝文，（1984-）本科，工程师，主要从事汽车车身结构设计方面工作。