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基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计【ANSYS】【LB4】
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本科生毕业设计（论文）开题报告论文(设计)题目基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名宋志鹏作 者 学 号201322251指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成 时 间2017年3月毕业设计(论文)开题报告学生姓名宋志鹏专 业机电班 级B13141指导教师姓名许文娟职 称讲师工作单位北华航天工业学院课题来源教师自拟课题课题性质应用课题课题名称基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计本设计的科学依据（科学意义和应用前景，国内外研究概况，目前技术现状、水平和发展趋势等）轻量化是提高汽车燃油经济性、减少尾气排放、节约材耗、提升安全性的有效手段。国外有试验表明，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100公斤，百公里油耗可降低0.30.6升；汽车重量降低1%，油耗可降低0.7%。而在驾驶方面，汽车轻量化后其加速性能也将得到提高，而在碰撞时由于惯性小，制动距离也将减少。此外，车辆每减轻100公斤，二氧化碳排放可减少约5克/公里。这些数据显示出轻量化设计具备这样三个优点：节油、减排、提升驾驶乐趣。轻量化对于制造环境、国家、企业和消费者都是有益的，所以汽车轻量化的发展对人类的影响具有不可估量的划时代的意义。目前国内外针对车身轻量化的研究比较广泛。车身轻量化可以应用新型轻量化材料,例如高强钢、铝合金或镁合金等。车身结构的轻量化研究在已有车型的轻量化改进设计中应用广泛,可以在保证车身结构整体性能基本不变的前提下 ,最大限度地减轻各零部件的质量, 先进制造工艺：推广液压成形、激光焊接在汽车制造中的应用，但是车身结构的轻量化设计往往忽略了车身碰撞安全性的要求。此外，汽车所有零部件质量总和约占整车质量的3/4，汽车零部件轻量化技术研究必须得到重视。故而，充分发挥不同轻量化技术的优势，实现汽车轻量化技术的系统化和集成化，是未来汽车轻量化的必然之路。 设计内容和预期成果（具体设计内容和重点解决的技术问题、预期成果和提供的形式） 设计内容与预期成果：1、介绍汽车车身轻量化设计的发展现状。2、对车身零件的厚度进行优化设计计算并对其进行调整。3、应用有限元分析软件对轿车的正面碰撞进行模拟计算，和轻量化的结果进行比较分析。4、根据碰撞结果对优化的车身零件厚度进行调整。（重点）5、总结及发展前景。6、在基于碰撞安全性的前提下可以充分验证轻量化设计方法的可行性以及可以应用于实践的结果。图文并行拟采取设计方法和技术支持（设计方案、技术要求、实验方法和步骤、可能遇到的问题和解决办法等）汽车轻量化的工作不是一个减薄的工作，轻量化是设计出来的。本课题是在车身结构轻量化设计的同时，还要保证其碰撞的安全性。论文以某轿车为例，在保证刚度和模态的前提下，以车身质量最小化为优化目标，对车身零件的厚度进行优化设计计算，根据零件的可制造性和加工成本对优化的零件厚度进行调整。应用有限元分析方法对轿车的正面碰撞进行模拟计算，对轻量化的设计结果进行对比分析，根据碰撞结果对优化的车身零件厚度进行调整，使轻量化的车身满足碰撞安全性的要求。设计方法:1.更新设计思想2.结构优化设计建立梁、板壳单元有限元模型，优化梁截面形状尺寸、板的厚度以及设计等效车身结构。车身结构性能分析：刚度分析、碰撞安全性分析3.采用轻质材料轻量化材料：高强度钢板和特种钢板；铝、镁轻金属合金；塑料、复合材料；泡沫塑料。4.革新制造工艺。用薄板焊接结构代替梁、建立车身设计明细此次设计无法做出实物，只能进行模拟。实现本项目预期目标和已具备的条件（包括过去学习、研究工作基础，现有主要仪器设备、设计环境及协作条件等） 过去我们了解过汽车碰撞安全性的一些知识在书中以及文稿中看到过这方面的研究。因不具备太多的实验条件故以某轿车为例，在保证其碰撞的安全性的前提下，进行车身轻量化设计。 各环节拟定阶段性工作进度(以周为单位)时间进度安排：第1周广泛查阅参考资料，重点阅读重要参考文献；第23周对车身零件的厚度进行优化设计计算并对其进行调整；第45周应用有限元分析软件对轿车的正面碰撞进行模拟计算，和轻量化的结果进行比较分析；第67周根据碰撞结果对优化的车身零件厚度进行调整；第8周撰写论文，准备答辩。开 题 报 告 审 定 纪 要时 间地点主持人参会教师姓 名职 务（职 称）姓 名职 务（职 称）论证情况摘要 记录人：指导教师意见指导教师签名： 年 月 日教研室意见教研室主任签名： 年 月 日本科生毕业设计（论文）文献综述论文(设计)题目基于碰撞安全性的轿车车身结构轻量化设计作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名宋志鹏作 者 学 号201322251指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成 时 间2017年3月毕 业 设 计（论 文）文 献 综 述轻量化车身设计摘要：本课题是基于碰撞的安全性，对轿车的车身结构进行轻量化设计。论文以某轿车为例，在保证刚度和模态的前提下，以车身质量最小化为优化目标，对车身零件的厚度进行优化设计计算，根据零件的可制造性和加工成本对优化的零件厚度进行调整。应用有限元分析方法对轿车的正面碰撞进行模拟计算，对轻量化的设计结果进行对比分析，根据碰撞结果对优化的车身零件厚度进行调整，使轻量化的车身满足碰撞安全性的要求。关键词：轻量化设计、车身碰撞、安全性、模拟Abstract: This topic is based on the safety of the collision, the lightweight design of car body structure. Paper by a car as an example, on the premise of guarantee the stiffness and modal, body quality minimizing the optimization goal, to optimize the thickness of the body parts design and calculation, according to the manufacturability of parts and tooling costs to optimize the thickness of the parts to adjust. Finite element analysis method is applied to simulation of the front of the car collision, comparing with the results of lightweight design analysis, according to the result of the collision of thickness adjustment, optimization of the body parts made of lightweight body to meet the requirements of the collision safety.Keyword: Lightweight design, car crash, security, simulation 引言 当今环保与能源问题已经成了世界共同关注的问题，汽车行业也逐步向环保与节约能源的方向前进，而汽车轻量化设计的研究正是解决这一问题的重要课题。长安汽车工程院提出了基于灵敏度分析和侧面碰撞的汽车车身结构轻量化设计方法。首先以车身结构零件的板厚为设计变量, 白车身的模态和刚度为约束条件,白车身质量最小为目标,分析了零件板厚关于车身模态和刚度的灵敏度。选取对车身模态和刚度以及抗撞性不敏感的车身零件的板厚,进行以白车身质量最小为目标的优化计算。优化结果使车身减轻14.8 kg。轻量化后的整车和乘员约束系统进行了侧面碰撞的模拟计算,并与轻量化前的结果进行了对比,对整车耐撞性和乘员的安全性进行对比校核,根据碰撞结果对车身零部件的厚度进行了再调整。结果表明,轻量化后的车身满足碰撞安全性的要求,假人的C-NCAP得分也是可接受的。合肥工业大学高立新提出了面向整车性能的轿车集成开发流程,构建了包括目标设定与分解及验证过程在内的V字型整车开发流程图;并以整车正向开发中的瓶颈问题为主线,围绕底盘和车身这两大复杂系统的设计与开发,着重对扭转梁式后轴的拓扑优化设计和车身前纵梁结构的安全性能设计展开了详细的研究,并建立了面向正向设计的汽车性能仿真优化综合开发平台。研究结果表明,采用以上流程、关键技术和方法,不仅实现了整车结构轻量化目标,而且满足各项性能的要求总体性能优于标杆车型。陈晓斌以国产某自主研发轿车为例,介绍了整车开发流程及前期开发过程中有限元数值模拟所涉及的开发内容,同时详细论述了整车有限元建模方法。设计并进行了国产某自主研发轿车白车身模态试验。由试验结果分析得到了白车身结构模态频率和振型,获得了白车身的动态特性。还对国产某自主研发轿车白车身的灵敏度分析及优化计算。通过灵敏度计算识别出了对刚度及重量影响较大的零件。通过正面碰撞试验的变形时间历程及整车结构变形验证了整车碰撞有限元模型的有效性后,首次将正面碰撞与侧面碰撞的数值仿真联合应用于车身轻量化设计前后的整车结构抗撞性能研究。提出了基于引擎盖刚度与行人头部保护要求的轻量化设计方法。奇瑞汽车研究院与上海交通大学研究院以某型轿车为例,建立了车身的有限元模型,应用以灵敏度分析为基础的修正可行方向优化算法,在保证车身刚度和模态性能不降低的前提下,以车身结构质量的最小化为目标,优化车身零件的厚度,从而实现车身结构的轻量化,车身减轻的质量为原来的6.22%,车身结构的弯曲和扭转刚度也都获得不同程度的提高,主要模态频率变化在1Hz以内。朱平、张宇以某轿车为研究对象,运用显式有限元理论,建立整车有限元模型,基于“汽车正面碰撞乘员保护设计规则(CMVDR294)”的耐撞安全性仿真,从满足整车正面耐撞安全性能的角度,分别采用高强钢和铝合金对车身主要覆盖件进行轻量化研究,使车身减质量分别达9.31kg和53.10 kg,减质量效果达到11.30%和64.50%。对整车变形、整车与刚性墙的碰撞力、运动速度和加速度、主要零部件吸能等方面进行分析、评价,数值仿真验证了轻量化方案的可行性。王增武等人建立了左前车门的有限元分析模型,对车门在自由状态下进行模态分析;在一定工况下对车门的框架刚度分析;在一定工况下对车门进行腰线刚度的分析,通过通用的有限元分析软件进行分析,为结构设计选择及结构优化提供了理论依据.车门是车身结构的重要组成部件,其性能直接影响着车身结构性能的好坏.车门作为一个综合的转动部件,和车厢一起构成乘员的周围空间范围,应具有足够大的强度、刚度和良好的振动特性,以满足车门闭合时耐冲击性及与侧碰时的耐撞性等各项性能的要求. 周云郊、兰凤崇、陈吉清等利用有限元法分析了某半承载式客车车身骨架的刚度与模态。在此基础上,重点以整车状态下的车架为研究对象,进行灵敏度分析,通过选择有效的设计变量,在满足刚度和模态性能的条件下,以整车质量最小为目标函数进行了尺寸优化。最后通过对后排五人座椅处结构的调整,优化了该局部的受力模式,进一步减少了该处的下沉量,得到了符合设计要求的改进方案。黄宜松.陈吉清.李宇彤.随着汽车工业的发展,节能、环保、安全及使用性能已经成为汽车行业最为关注的几大问题。汽车轻量化不仅能降低油耗,提高资源利用率,还能延长汽车使用寿命,同时汽车的使用性也有了显著的提高,车身轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。综述车身轻量化材料的应用现状,并且针对轻量化材料,对其成形性能进行总结,基于目前的研究现状,提出了轻量化材料成形有待于进一步解决的问题和发展方向。吉林大学唐洪斌利用对车辆在实际交通事故中的碰撞类型的模拟分析,提取车辆结构的碰撞特征值,应用于车辆概念设计开发过程。在产品概念设计阶段应用MADYMO和CAE相结合的方法,对车辆正面抗撞性进行概念设计,实现车辆前端结构断面参数概念阶段的参数提取,并实现初步的能量管理。从实际道路交通事故调查到乘用车产品概念设计,再到车辆前端结构分阶段多工况设计和分析,最后到正面碰撞乘员约束系统性能设计,实现了对乘用车车身结构正面抗撞性和乘员约束系统性能设计的控制。 本文所研究的方法初步形成了乘用车正面抗撞性的碰撞控制逻辑、判断逻辑和结构设计准则,为实现乘用车被动安全性能控制提供了切实可行的方法和依据,并对国产汽车自主开发企业乘用车被动安全性的开发设计有重要的借鉴意义。从客车车身骨架结构的三种不同形式的对比分析入手,运用有限元技术,对桂林某客车公司设计的某款客车进行了静动态的有限元分析计算。在建立有限元计算模型时,借助于功能强大的有限元前处理软件HyperMesh建立车身骨架的有限元模型;根据设计要求及具体配置,将发动机、变速箱、燃油箱以及乘客、座椅、行李厢等载荷添加到模型中;对客车实际使用过程中可能遇到的路面情况进行科学的分析,确定有限元分析工况,最终采用更贴近实际情况的强迫位移的方法模拟扭转工况。在整个建模过程中,充分结合车辆的实际结构特点及实际使用情况,力争做到有限元模型能够准确的反映出车辆的实际情况。最后对计算结果进行研究分析,并对暴露出的强度问题,进行针对性的改进设计,并计算验证了改进方案的有效性。计算分析不仅解决了具体的设计问题,同时丰富完善了产品的设计数据库,有助于加速新车型的研发,进一步提高产品性能和技术含量。参考文献1 叶辉,胡平,申国哲,孙宏图,刘波,周定陆基于灵敏度和碰撞仿真的汽车车身轻量化优化设计J农业机械学报.2010 .10.2 高立新.轿车集成开发中若干关键技术研究D.合肥工业大学.2010.3 陈晓斌.基于现代设计方法和提高整车碰撞安全性的车身轻量化研究D.吉林大学.2011.4 韩旭.朱平.余海东.基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究J.汽车工程.2007.07.5 朱平.张宇.葛龙.林忠钦.基于正面耐撞性仿真的轿车车身材料轻量化研究J.机械工程学报.2005.09.6 王增武.靳晓雄.何剑锋.基于有限元某轿车左前门的模态刚度分析J.佳木斯大学学报(自然科学版).2011.057 周云郊.兰凤崇.陈吉清.李宇彤.裘芝敏.基于刚度与模态分析的客车结构轻量化研究A.2009年广东先进制造技术(佛山)活动周文集C.2009.8 黄宜松.陈吉清.李宇彤.裘芝敏.车身轻量化材料的应用及其成形性能研究进展A.2009海峡两岸机械科技论坛论文集C.2009年.9 唐洪斌.乘用车正面抗撞性设计方法研究D.吉林大学.2008年.10 栗广生.轻型客车车身骨架结构有限元分析及改进设计D.广西工学院.2011.毕 业 设 计（论 文）文 献 综 述指导教师意见 指导教师： 年 月 日专业教研室审查意见 负责人： 年 月 日密 级分类号编 号成 绩本科生毕业设计 (论文)外 文 翻 译原 文 标 题A Lightweight Optimization Method of Vehicle Body Structure Design 译 文 标 题车身结构轻量化优化设计方法作者所在系别机电工程学院作者所在专业车辆工程作者所在班级B13141作 者 姓 名宋志鹏作 者 学 号201322251指导教师姓名许文娟指导教师职称讲师完 成 时 间2017年3月译文标题车身结构轻量化优化设计方法原文标题A Lightweight Optimization Method of Vehicle Body Structure Design 作 者Zhixiang Li原文出处Proceedings of the FISITA 2012 World Automotive Congress 摘要：轻量化车身可以有效减少排放污染物，提高防撞性能和动态性能。轻量级指数与车身质量成比例，与扭转刚度成反比，用于评估车身结构的轻度度。可以根据增加的扭转刚度和减小质量降低轻量级指数。车身刚度的计算是一个线性过程，可以通过有限元分析高精度模拟。在本文中，通过使用CAE分析软件研究了车身的扭转刚度。模拟后，根据车身质量和扭转刚度计算轻量级指数。为了改善轻质指数，应优化车身结构，以改善扭转刚度和减轻体重。当考虑燃料经济性时，车辆的重量起到显着的作用，因此，车辆的车体结构是减轻重量的主要焦点。然而，车身结构在支撑其他车辆部件，在碰撞情况下保护乘客和整体车辆性能方面发挥重要作用。关键词：轻量化 扭转刚度 地形优化 灵敏度分析1前言车身质量是车辆整体的主要组成部分，通常是帐户占整个质量的30以上。 汽车重量直接影响车辆被动安全性能NVH性能，废气排放和车辆处理性能具有国家汽车排放法规和安全法规越来越严格，对汽车的要求重量变得更加严格，如何设计汽车产品来满足所有法律在规章制度的前提下，尽量减少体质，成为其中之一汽车行业的主要研究方向。轻型车身设计方法，采用先进的生产技术，创新材料和优化设计技术优化车身初步设计的结构，以达到目标设计性能最佳车身结构质量2。 当一辆汽车在路上行驶时，它会持续一个各种不均匀路面的载荷，这些载荷可分为弯曲载荷和它们是扭转载荷，而车辆结构上的扭转载荷更严重可能导致门变形，密封条脱落，体结构局部变形或即使是局部裂缝，所以车身扭转刚度是最基本和最重要的一表现车身结构。 在本文中，使用有限元分析研究了车身的扭转刚度，得到优化部件规格和结构，以改善车身扭转刚度并减少体重。可以使用模拟分析来分析车身的扭转刚度和实验分析，仿真分析采用有限元法建立实际扭转刚度实验模型，然后计算其刚度计算。 目前电脑的性能可以及时有效地进行计算出一个高度详细的有限元汽车车身模型，具有满意的精度。 谢谢到CAE方法它将节省大量的测试成本，及时指导车身的设计结构，提出优化方法; 有限元法已经成为在车身特性设计和分析过程中不可或缺的3。在结构优化过程中，首先，敏感性分析应该是对的以设计变量的灵敏度来确定目标4然后根据灵敏度修改设计变量以获得最佳设计目标与约束条件。 设计变量的灵敏度与A轻量级优化方法相关其目标函数是由客观因素的变化来衡量的单位设计变量的变化，灵敏度分析是opti的基础可以根据敏感度进行结构分析，优化结构分析，这将节省大量的计算时间并改进优化因此，在工业中期望提供一种改进的轻型汽车车身结构，特别是车身框架，其保持所需的强度，刚度和稳定性特性，以满足乘客安全和车辆性能标准。此外，身体结构应当可使用现有技术和材料制造，以实现减轻重量而不增加成本。此外，主体结构应该能够减少总成分，以进一步降低成本和制造时间。2灵敏度分析的基本理论从结构分析可以分为动态分析和静态分析两个方面，结构敏感性分析也可以分为动力敏感性分析和静态敏感性分析。动态灵敏度分析包括特征值灵敏度分析，传递函数灵敏度分析和动态响应敏感性分析。静态敏感性分析可以是压力，位移等。对于车辆，灵敏度分析是指车身刚度强度，自由模式和敏感性分析的应变能，部分结构参数包括材料厚度和横截面转动惯量5 |。有两种计算灵敏度的方法，推导方法和伴随结构的方法。直接推导法，是亲由胡力构成R.Kapoor M.P，然后由许多人开发和推广人们在广泛的领域。直接推导法具有明显的物理意义概念，简单的数学理论方便计算可扩展从一阶敏感度到高阶灵敏度，因此是广泛的在工业领域6。3 BIW扭转刚度分析汽车BIW的有限元模型由769 862组成元素包括三角形元素和四边形元素重量为371.2公斤。为了比较车辆扭转刚度试验过程中的有限元分析模型需要使用直径为50 mm的梁单元进行模拟测试设备如图有限元边界条件分析模型如图1所示。 3，左右后方的震动塔都很硬点被限制在X，翻译DOF左右前方震动吸收塔受限于X方向DOF。负载被施加到两个前冲击塔的中心在垂直方向这是平等的，但与相反的方向。负载通过公式F = M / L获得，其中M是测试扭矩值，L是左右前冲击中心之间的距离塔。刚度结果与施加的扭矩无关，但对于目的是与试验结果进行比较，施加的扭矩为4000 Nm，进行试验过程如图1所示。 4。导出左右负载点的Z方向位移使用公式计算扭转刚度值，扭转刚度K如下： M施加扭矩; ts Z大号和AZ尺是负载点的Z方向位移;L是负载点之间的距离。轻量级指标7，是评估的关键因素之一车身结构的性能，通过车身扭转刚度和质量计算该越少越好轻体重指数与车身质量成正比，反之亦然与扭转刚度成比例因此减轻轻量级的指标最多有效的方法是增加扭转刚度，同时减少体重，车身轻量级指数计算公式如下。在公式中：M是体重; K是扭转刚度; A是车身项目区（轴距x胎面）。通过有限元软件的分析计算，刚度车身如表1所示，主体Z方向的轮廓显示如下图。 5，根据图车身的位移改变了总之，符合预期的负载情况。4 BIW结构刚度灵敏度分析与优化根据敏感性分析，各种零件的影响相关性能可以判断，灵敏度更大意味着部件厚度更多重要的是相应的属性，因此关键组件可以确定并优化。部件的主要特点包括结构。形状，厚度，材料性能，加工性等，用于线性分析如扭转刚度材料的非线性特性不会影响扭转刚度性能，部件的结构形状和尺寸是扭转刚度的主要因素。车身扭转刚度主要取决于连接器部件属性和车身com几何特性部分厚度和部分厚度是确定几何的因素之一部件的特点，是影响扭转刚度的主要因素之一。通过有限元分析，部件厚度对扭转的影响刚度可以方便地研究。在本文中，50部分的车身（包括对称部分）设置灵敏度分析，在分析中只有一面的对称分量被选择用于分析最后39厚灵敏度分析中选择变量。选择的组件显示在刚度灵敏度优化分析中，将最小质量设置为优化目标和左载荷点的Z位移为约束条件部件厚度相对于扭转刚度和整个车辆质量的敏感度。较大的灵敏度对此有较大的影响目标性能和目标性能可以通过增强来有效增加厚度，同一部分可能对扭转刚度有很大的影响车辆质量，当增加厚度以提高扭转刚度也将导致车辆质量的提高这种类型的零件不适合通过增加厚度来优化扭转刚度。不同部件对扭转刚度和质量的贡献是多样的如何选择合适部件用于厚度优化，以提高扭转刚度，而不会影响体重是指优化效率的问题，这可以通过扭转刚度灵敏度和质量的比较来表示灵敏度，一部分的比较灵敏度相对于其他部分较大的手段，改变其厚度可以提高扭转刚度，但较少增强车辆质量比其他人比较灵敏度优化效率。为了提高扭转刚度和减少车辆质量，最终优化可以采取措施来增加部件厚度较大的部件比较灵敏度，减少组件的厚度比较灵敏度。零件量规根据图1进行了优化。 9，扭转刚度为重量相对于原始模型，扭转刚度增加38 Nm /度整体重量减少3.1公斤轻量级指数下降0.061。5车身结构优化车身结构优化，优化钣金结构肋结构的分布和尺寸可用于优化零件强度和刚度，同时减轻重量，为片材提供优化方金属零件设计。在设计领域，车身优化决定了最佳由元素节点扰动引起的位置和优化参数质量和体积对车身优化中的元素变化不敏感因此，质量和体积不被设定为约束或目标车身优化。优化过程中有三个组成部分，即设计变量，目标函数和约束，设计变量是在优化过程中改变的参数，以提高每个形式目标，它们是目标函数的变量，约束是对设计的限制，它们是设计变量和其他要求表现8。6结论灵敏度分析方法可以有效地分析各部分的影响衡量要求的性能，并可以轻松识别关键部件进一步优化。测量优化和灵敏度分析技术基本的轻量化设计方法，首先，灵敏度分析决定了关键零件，然后测量和车身优化优化车身结构参考文献1Car body assembling method and body structure of a vehicle .2002.11.262Vehicle construction .2001.05.293Floor structure of a vehicle .2000.03.214Floor assembly for a passenger car and method of making same .999.08.315Method of manufacturing a passenger compartment from a cylindrical tube 1997.09.366Vehicle frame components exhibiting enhanced energy absorption, an alloy and a method for their manufacture .9986.06.187Push-fit connecting joint .997.01.14附录：A Lightweight Optimization Method of Vehicle Body Structure DesignAbstractLightweight body is effective for reducing the concentration of pollutant in emissions, improving crashworthiness performance and dynamic performance. Lightweight Index, which is proportional to body mass and inversely proportional to torsion stiffness, is used to evaluate the lightweight degree of body structure. Lightweight index can be reduced according to increasing torsion stiffness and reducing mass. The calculation of body stiffness is a linear process, which can be simulated by finite element analysis withhigh precision. In this paper, the torsion stiffness of a vehicle body was studied by using CAE analysis software. After simulation, the lightweight index was calculated according to body mass and torsion stiffness. For the purpose of improving lightweight index, body structure should be optimized to improve torsion stiffness and decrease body weight. Keywords: Body structure Lightweight collision Sensitivity analysis 1Foreword Body mass is a major component of the whole mass of a vehicle, usually accounts for more than 30 % of the whole mass. Automotive weight directly influences vehicle passive safety performance NVH performance, exhaust emissions and vehicle handling perfonnance. With the national vehicle emission regulations and safety regulations more and more stringent, the requirement for automotive weight become stricter, and how to design automotive products to meet all laws and regulations on the premise of with minimize body mass, has become one of the main research directions of the automotive industry.The lightweight vehicle body design method, which is using advanced production technology, innovative materials and optimal design technique to optimize body structure of the initial design to meet the target design performance with optimal mass of the body structure 2. When a car is traveling on the road, it will bears a variety of loads from uneven road, these loads can be divided into bending load and torsion load, while torsion loads on the structure of a vehicle are more serious, they may cause door deformation, sealing strips off, local deformation of body structure or even local cracks, so body torsion rigidity is one of the most basic and important performance of thebodystructure. In this paper, using finite element analysis optimization method, the torsion rigidity of a car body was studied to get optimized parts gauge and structure to improve body torsion stiffness and reduce body mass.Torsion stiffness of vehicle body can be analyzed using the simulation analysis and experimental analysis, simulation analysis is use finite element method to build model of actual torsion stiffness experiment,and then calculate its stiffness by compute. The performance of current computer can be timely and effectively calculate a highly detailed finite element car body model with satisfied accuracy. Thanks to CAE methodit will save much of the test cost, timely guide the design of the body structure, and propose optimization approach; finite element method has become indispensable in the process of design and analysis of car body property 3.During the structural optimization, at first, sensitivity analysis should be conducted to determine the sensitivity of the design variables to the objective 4, and then modify design variables according to the sensitivity to gain optimal design goal with constraints condition. The sensitivities of design variables are relative to A Lightweight Optimization Method the objective function, which are measured by the change of objective caused by the change of unit design variables, sensitivity analysis is the basis of the optimization analysis, optimization of structure can be carried out based on sensitivity analysis, which will save a lot of computing time and improve the optimization。2 Basic Theory of Sensitivity AnalysisThe structural analysis can be divided into two aspects of dynamic analysis and static analysis, the structure sensitivity analysis can also be divided into dynamicsensitivity analysis and static sensitivity analysis. Dynamic sensitivity analysis including eigenvalue sensitivity analysis, transfer function sensitivity analysis and dynamic response sensitivity analysis. The static sensitivity analysis can be stress, displacement and so on. For the carthe sensitivity analysis refers to body stiffness strength, free mode and sensitivity analysis of the strain energy, part structural parameters including material thicknessand cross-sectional moment of inertia 5|. There are two types of method to calculate sensitivity, derivation method and the accompanying structure method. Direct derivation method, which was proposed by Fox. R. L and Kapoor M. P, and then developed and promoted by many people in a wide range of areas. Direct derivation method has clear physicalconcept, simple mathematical theory convenient to calculate and can be extended from the first-order sensitivity to the high-order sensitivity, therefore, it is widely utilized in industry areas 6.3 BIW Torsion Stiffness Analyses Finite element model of a car BIW is shown in Fig. 1，which consists of 769 862 elements including triangular elements and quadrilateral elements, the overall weight is 371.2 kg. In order to compare with the vehicle torsion stiffness test process, finite element analysis model required to use beam element with diameter of 50 mm to simulate the test equipment such as Fig. 2. The boundary conditions of finite element analysis model is shown in Fig. 3, both the left and the right rear shock towers hard point are constrained at Z translation DOFthe left and the right front shock absorber towers are constrained at X direction DOF. The loads are applied to the center of both front shock towers in the vertical directionwhich are equal but with opposite direction. The load is obtained by the formula F = M/L, where M is the test torque value, L is distance between the center of right and left front shock tower. The stiffness result has nothing to do with the imposed torque, but for the purpose of compare with test result, the applied torque is 4,000 Nm, the test process is shown in Fig. 4. The Z direction displacements of the left and right load point are exported to compute torsion stiffness value, torsion stiffness K, is calculated using formula as follows: M is imposed torque; ts ZL are Z direction displacement of load points; L is the distance between load points. The lightweight index 7, which is one of the key factors to evaluate the performance of body structure, is calculated by body torsion stiffness and massthe less the better. Light weight index is proportional to body mass and the inversely proportional to torsion stiffnesstherefore to reduce the lightweight indexthe most effective way is increase the torsion stiffness while reducing body mass, body lightweight index is calculated as follows formula. e formula: M is the body mass; K , is torsion stiffness; A is body project area (wheelbase x tread). Through analysis and calculation with finite element software, the stiffness of the body is shown in Table 1，the contours display of body Z direction is shown in Fig. 5, according to the figurethe displacement of the body is changed continuously, in line with the expected load case.4 BIW Structure Stiffness Sensitivity Analysis and Optimize According to sensitivity analysis, the influence of various parts gauge to relevant performance can be judged, the sensitivity greater means the part thickness is more important for lhe corresponding property, therefore, key components can be determined and then optimized. The main features of the parts including structure. shape, thickness, material properties, processability and so on, for linear analysis such as torsion stiffness nonlinear characteristics of the material does not affect the torsion stiffness performance, the structure shape and size of the parts is the main factors of torsion stiffness. The body torsion stiffness mainly depends on connector section properties and geometric characteristics of vehicle body components, and part thickness is one of the factors that determine the geometric characteristics of parts, so it is one of the main factors affecting the torsion stiffness. By finite element analysis, the affection of parts thicknesses on the torsion stiffness can be studied conveniently. In this paper, 50 parts of the body (including symmetrical parts) are setup for sensitivity analysis, in the analysis, only one side of the symmetrical components are selected for analyzefinally 39 thickness variables are chose in sensitivity analysis. Components which are chose show in Fig. 6. In the stiffness sensitivity optimization analysis, the minimum mass is set as the optimization objective and Z displacement of left load point as constraints, the sensitivities of parts thickness relative to torsion stiffness and whole vehicle mass are shown in Figs. 7 and 8. Sensitivities which are larger have more impact on the target performance, and target property can be effectively increase by enhance thickness, the same part may has great influence on both torsion stiffness and vehicle mass, when increase the thickness to improve the torsion stiffness will also result in the improve of vehicle masssuch types of parts are not suitable for optimizing torsion stiffness by increasing the thickness. The contribution of different parts to the torsion stiffness and mass are diversehow to choose suitable parts for thickness optimization to improve torsion stiffness while does not influence much on body weight is refer to the problem of optimization efficiency, which can be expressed by the compare of torsion stiffness sensitivity and mass sensitivity, the compare sensitivity of a part is larger means relative to other parts, changing its thickness can improve torsion stiffness but less enhance vehicle mass than others. The comparison sensitivity optimization efficiency is shown in Fig. 9. In order to improve torsion stiffness and decrease vehicle mass, the final optimization measures can be taken to is increase the thickness of parts which have larger comparison sensitivity, and decrease thickness of components which have less comparison sensitivity. Parts gauge are op
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