基于先进高强钢汽车轻量化研究验收材料

1、马鞍山市2012年研究院专项研发项目基于先进高强钢的汽车轻量化技术研究验收材料承担单位：合肥工业大学（马鞍山）高新技术研究院马鞍山钢铁股份有限公司二一四年一月目 录一、马鞍山市科技计划项目任务（合同书）二、项目执行情况报告三、项目技术报告四、项目完工结算表五、与企业签订的技术开发（委托）合同六、附件：附件清单论文一：基于DOE的汽车白车身结构优化论文二: 轿车白车身刚度分析及轻量化设计研究论文三：拉延阻力对铝合金覆盖件成形回弹影响研究实用新型专利: 一种基于复杂U型件全开放式拉延模具型面的混合式拉延筋结构(已受理)申请号或专利号:.9计划类别 研究院专项研发 编 号 马鞍山市2012年研究院专

2、项研发项目基于先进高强钢的汽车轻量化技术研究项目执行情况报告合肥工业大学（马鞍山）高新技术研究院马鞍山钢铁股份有限公司2014年1月目录一、研制背景3二、项目来源3三、研制内容4四、工作进度计划4五、经费投入与使用5六、项目组成员6七、取得的成果6八、存在的问题和改进意见7九、主要工作经验和体会7一、研制背景受到能源及环保的压力，大多数国家对汽车的油耗及排放标准也越来越重视。研究表明，约75%的油耗与整车质量有关，降低汽车质量可有效降低油耗以及排放，汽车质量每下降10%，油耗下降8%，排放下降4%，汽车板材使用高强钢，可有效实现整车重量降低。目前美国超过50%依赖进口石油，欧洲高达76%,日本

3、几乎全部依赖进口,中国石油对外依存度约50%。在各行业的石油消耗中 ,汽车工业是耗油大户。油耗的下降,意味着、氮氧化物()等有害气体排放量的下降。汽车质量如果减少25%, 燃油消耗按减少13%计算，一年可节省2.7亿桶石油。每消耗 1L燃油将产生 22.5 kg。为应对全球变暖,全世界已有140多个国家签订了京都议定书,我国于2004年开始实施乘用车燃料消耗量限制标准，2010年乘用车平均油耗比2003年下降15%。欧盟、北美、日本等都制定了严格的燃油经济型指标，如美国的CAFE(Corporation Average Fuel Economy)规定乘用车燃油消耗约11.8km/L，轻型货车不

4、低于8.8km/L。影响美国最深的当属“平均燃油效率标准”（CAFE）与“新一代汽车共同开发计划”（PNGV）。PNGV计划于1993年开始实施，政府每年投资2亿美元，主要用于家庭用车的减重。美国总统奥巴马2009年5月公布了一项汽车节能减排计划，目标是到2016年，美国国内生产的客车和轻型卡车百公里耗油不超过6.62L， CO2排放量也比现有车辆减少1/3。这项计划2012年开始实施，将使美国在20122016年减少使用原油18亿桶，温室气体排放量将减少9亿吨。日本规定2010年汽油乘用车燃油经济性为15km/L,比1995年提高22.8%，并对废旧车做出了由抛弃型进入循环型的社会发展模式，

5、推行全回收或零废弃的观念。欧盟乘用车燃油经济性目标为18.8km/L。汽车轻量化与排放及油耗的关系如下图所示：图1 车重与排放的关系 图2 车重与油耗的关系由上图可知，汽车重量与油耗及排放呈线性关系；因此，研究开发适合汽车使用的高强钢对节能环保具有重要的意义。二、项目来源2012年，马鞍山钢铁股份有限公司与合肥工业大学（马鞍山）高新技术研究院结合企业实际技术需求向马鞍山科技局申报了研究院专项研发项目基于先进高强钢的汽车轻量化技术研究，并获得市科技局批准。项目自立项以来，自始至终得到了马鞍山市科技局的大力支持，得到了政府部门的政策和资金支持，为项目的规范运作和顺利运行打下了良好基础。三、研制内容

6、1.车身关键结构件性能需求研究主要结合省内汽车厂商的某款在研车型，对其进行静态刚度和模态频率结果的分析，并从白车身的关键结构件进行厚度优化；根据不同先进高强刚的性能和用途结合车身结构件的用途，确定了不同结构件所需钢材性能，确定所代替的高强钢的性能参数，建立材料库。2.高强钢的成形技术研究汽车用高强钢随着强度的增加，塑性和成形性能显著下降，冲压成形或弯曲成形后产生回弹、外板表面形状不稳定，出现表面凸起或凹陷现象，成形件易起皱等。这部分的研究主要针对高强钢的冲压回弹问题，通过建立各种高强钢的成形极限预测模型，然后结合板料冲压CAE技术，通过计算机模拟板料冲压的全过程，并得出应力、应变、厚度、能量等

7、成形结果，了解材料参数、模具参数、摩擦、力学参数等对板料成形性能的影响，对冲压回弹变形进行预测,掌握高强钢冲压成形的关键技术。3.车身关键结构件设计方法总结，完善；研制工作总结报告组织方式企业、研究院和学校相结合。企业、学校、科研机构相互配合，发挥各自优势，相互联系，相互促进，形成强大的研究、开发、生产一体化的先进系统，共同完成产品的改进。本项目组的组织原则如下：（1）加强领导，健全组织，使项目研究工作有序、健康发展。（2）加强研究和合作单位间的交流，注重人才培养。（3）结合行业积极开展研究方法推广。四、工作进度计划2012年6月至2012年10月 研究内容：车身关键结构件性能需求研究； 考核

8、指标：结构件材料性能需求表。 2012年11月至2013年7月 研究内容：高强钢成形加工技术研究； 考核指标： 成型加工过程分析研究报告。 2013年8月至2014年12月 研究内容：车身关键结构件设计方法总结，完善； 试验考核指标：研制工作总结报告五、经费投入与使用单位：万元资金来源金额其 中2012年年申请市财政拨款3030县区财政匹配单位自筹银行贷款其 他来源合计3030资金支出项目金额备 注设备费材料费8.6测试化验加工费10燃料动力费差旅费3.12会议费科技合作与交流费出版、文献、信息传播、知识产权事务费劳务费7.97专家咨询费管理费其他0.38支出合计30.07六、项目组成员姓名出

9、生年月专业技术职务/职称工作单位承担的主要任务王晓枫1956.6硕士/副教授合肥工业大学项目负责人赵韩1957.05教授合肥工业大学项目协调陈科1965.10教授合肥工业大学成形、设计负责人张建1967.05博士/高工马鞍山钢铁股份有限公司材料研究负责人刘永刚1976.12博士/高工马鞍山钢铁股份有限公司材料开发曹文钢1957.10教授合肥工业大学汽车结构设计徐祥合1978.02博士/工程师马鞍山钢铁股份有限公司材料特性研究潘洪波1978.07博士/工程师马鞍山钢铁股份有限公司材料开发胡学文1971.05硕士/高工马鞍山钢铁股份有限公司材料特性研究张祖芳1973.02博士/讲师合肥工业大学优化

10、设计孟冠军1977.3博士/讲师合肥工业大学三维建模七、取得的成果1.提交成果形式：以某国产轿车车身为研究对象，建立了白车身有限元模型。运用Radioss求解器对该模型进行刚度分析，计算白车身扭转刚度及弯曲刚度，绘制车身扭转刚度曲线、弯曲刚度曲线并计算车身主要开口部分的变形变化量，并制出刚度分析_结构件表和优化分析_结构件表，得出车身结构刚度分配较合理。然后为减轻车身质量对车身结构件进行结构优化，使得车身刚度有所提高，并采用优化后能使白车身质量减轻8.9kg，已经发表了两篇论文：轿车白车身刚度分析及轻量化设计研究和基于DOE的汽车白车身结构优化。高强钢成形加工技术研究；通过建立各种高强钢的成形

11、极限预测模型，然后结合板料冲压CAE技术，通过计算机模拟板料冲压的全过程，并得出应力、应变、厚度、能量等成形结果，总结出高强钢成型回弹的一般规律。研究院通过本项目的开展，在汽车高强钢结构设计及相关领域的研究中，培养一批熟练掌握和运用机械产品现代设计方法的青年科研人员和硕士研究生，建立研究团队，为进一步提高本研究院研发水平提供人才保证。2.主要技术指标：1）建立白车身结构件性能需求表；2）开发系列汽车用先进高强钢，建立先进高强钢材料库；4）对某款车型高强钢白车身进行模态、静强度、静刚度进行模拟绘制车身扭转刚度曲线、弯曲刚度曲线，并计算车身主要开口部分的变形变化量，并制出刚度分析_结构件表和优化分

12、析_结构件表；5）通过建立各种高强钢的成形极限预测模型，然后结合板料冲压CAE技术，通过计算机模拟板料冲压的全过程，并得出应力、应变、厚度、能量等成形结果，总结出高强钢成型回弹的一般规律，并获得合理的零件成形质量。八、存在的问题和改进意见1.问题项目组以解决企业当前给国内某车型进行轻量化的问题为指导思想完成研究内容。根据企业给的减重后，给优化后的关键零件选择合理的高强钢，为高强钢进行工艺进行优化，并采用新工艺来获得合理的零件，形成更完善的高强钢的成形技术工艺设计方法。2.改进意见为使项目形成的方法和成果能切实用于企业生产实践，需要技术人员改变设计思想、提高应用新的设计和分析方法和手段进行获得合

13、理的高强钢成形件。改变企业长期形成的习惯和沿用的方法，需要企业员工统一思想认识。九、主要工作经验和体会“基于先进高强钢汽车轻量化技术研究”项目通过广泛调研，理论与实践相结合，面向生产实际，为汽车减重的目标达到做好了一系列的研究，总结了高强钢的加工成形技术的方法及新工艺的应用，取得了良好的合作成果。马鞍山市科技局对本项目给予了大力支持，项目完成的过程中，充分体现了政产学研的紧密结合，这也是完成该类项目的关键。计划类别 研究院专项研发 编 号马鞍山市2012年研究院专项研发项目基于先进高强钢的汽车轻量化技术研究项目技术报告合肥工业大学（马鞍山）高新技术研究院马鞍山钢铁股份有限公司2014年1月目

14、录一、 汽车车身车刚度分析研究121.1 车身刚度分析的评价指标和理论基础 121.1.1 车身刚度评价131.1.2 车身弯曲刚度分析理论141.1.3 车身扭转刚度分析理论151.2 车身有限元模型建立161.3 车身刚度分析计算161.3.1 弯曲刚度分析计算161.3.2 扭转刚度分析计算191.3.3 白车身刚度分析评价211.4 车身模态分析221.4.1 模态分析理论221.4.2 模态分析计算241.4.3 模态分析结果评价261.5 总结26二、 汽车车身局部结构优化设计272.1 优化设计理论与方法272.1.1 优化设计的数学模型272.1.2 灵敏度分析方法292.1.

15、3 正面碰撞对白车身设计的影响292.2 结构优化设计292.2.1 优化条件的确定292.2.2 优化结果302.2.3 优化前后结果对比302.2.4 总结31三、 优化后的零件高强钢材料的选择313.1 高强钢在汽车轻量化中应用313.1.1 国外汽车的高强钢应用研究323.1.2 国内汽车的高强钢应用研究333.2 强度等代设计基本理论的研究及公式的推导343.2.1 基本理论343.2.2 强度等代设计中计算公式的推导363.2.3 优化后的零件的等强度计算373.3 建立所需的高强钢材料数据库373.3.1 车身用钢分类373.3.2 高强钢的种类383.3.2车身上高强度钢板的选

16、用方法383.3.3 车身不同部位钢板用钢需求383.3.4 优化后零件高强钢材料库的建立393.3.5 高强钢材料基本力学性能393.3.6 高强钢材料模拟成形性403.3.7 零件工艺分析413.3.8 右前安全带上固定板有限元模型的建立423.3.9 确定冲压方向433.4.10 右前安全带上固定板工艺补充设计443.5 右前安全带上固定板拉延成形工具有限元模型的建立453.7 工艺参数的设置46四、右前安全带上固定板成形性分析及优化方法484.1 无拉延筋下压边力对成形质量的影响研究484.1.1 不同压边力的成形极限图分析494.1.2 不同压边力的厚度云图分析504.1.3 不同压

17、边力下的应力应变分析514.1.4 总结534.2 拉延筋在板料成形过程中的应用534.2.1 拉延筋的作用534.2.2 拉延筋的种类及结构形式544.2.3 拉延筋的数值模拟554.3 等截面拉延筋的设计及对成形质量的影响研究564.3.1 半圆形拉延筋的设计与影响研究564.3.2 矩形拉延筋的设计及影响研究594.3.3 总结624.4 不等截面拉延筋的设计及成形质量的优化634.4.1 不同拉延阻力分布条件下成形极限图分析644.4.1 不同拉延阻力分布条件下减薄率分析664.4.1 总结67五、右前安全带上固定板回弹控制研究及拉延筋几何参数反求675.1 汽车车身扭曲回弹零件分类及

18、控制方法675.1.1 车身扭曲回弹零件分类685.1.2 控制扭曲回弹的方法695.1.3 总结715.2 右前安全带上固定板的回弹分析及控制研究 725.2.1 冲压件的裁剪及回弹计算的设置725.2.2 在不同控制扭曲回弹的方法下回弹结果分析及研究735.2.3 总结795.3 拉延筋几何参数的反求79六、 主要技术和经济指标81七、 成果转化与推广应用前景82八、 存在问题与下一步设想82一、 汽车车身车刚度分析研究广义地讲，机械零件和构件在外力作用下抵抗变形的能力叫刚度，可以用结构受力和变形的比值来衡量。它的倒数成为柔度，即单位力引起的位移。刚度可分为静刚度和动刚度，静刚度时在静载荷

19、作用下抵抗变形的能力，动刚度时在动载荷作用下抵抗变形的能力15。车身结构的静态刚度一般指车身在受弯曲载荷和扭转载荷下的刚度和局部刚度，这里主要考察车身的弯曲和扭转刚度。一般由受载荷作用下的车身底梁的前后变形量和车身扭转角来衡量弯曲刚度和扭转刚度，并考虑车身洞口的变形量，即前后窗和侧门的对角线变化量。而在实际工况中，车身除承受不变的弯曲载荷外，还承受着动态载荷，如由汽车加减速时的惯性载荷、由不同路面引起的频率变化的动载荷等。因此，还要考察车身的动态刚度，即车身结构在不同动态力与动态响应位移的比值。车身的动态刚度与车身的质量和固有模态频率有关，并影响着车身的NVH性能。在车身质量一定的情况下，车身

20、整体的低阶模态频率越高，则动刚度越大，所以可以用车身的模态频率来衡量车身的动态刚度。1.1 车身刚度分析的评价指标和理论基础车身刚度是车身结构的基本特性之一，它反映了车身在整体上抵抗扭转和弯曲载荷的能力，反映了车身的整体性能。车身刚度的设计准则为，在指定载荷下，车身最大变形应不超过许用值。这是因为：当车身弯曲刚度不足时，会出现地板下垂，干涉底盘部件的正常工作；当车身扭转刚度不足时，受到很小的扭转载荷就会发生很大的扭转变形，降低乘坐舒适性；当窗框或门框刚度不足时，会因为变形发生玻璃破碎、车门卡死或密封不严导致漏雨；发动机舱或行李厢开口处刚度不足特别是车门框刚度不足时，如果发生碰撞可能因其无法打开

21、而使乘员无法逃脱；当车身蒙皮刚度不足时，会因外界冲击(如石子、障碍物)而变形，影响美观；当车身内板或骨架刚度不足，会产生较大振动和结构噪声，并影响操纵稳定性；如果车顶刚度不足，会在遭受下落重物或翻车时危及乘员生存空间16。因此在实际使用过程中，要保证车身最大变形量在允许范围之内，即要保证车身具有一定的刚度。1.1.1 车身刚度评价车身结构刚度是评价车身性能的一个非常重要的指标，在对车身进行刚度分析的过程中，不仅要对车身的整体进行刚度评价，还要进行窗框、门框、车门等重要部位的局部刚度进行刚度评价。（1）弯曲刚度和扭转刚度评价首先是对标，即选取当前有竞争力的同类车型，考察该测试车身的性能指标与同类

22、车型的差别。在这里考虑车身弯曲刚度和扭转刚度的大小，并考察车身的刚度分布是否合理。根据分析结果提取分析数据，做出车身弯曲工况的挠度曲线图和扭转工况下扭转角的曲线图。从挠度曲线图和扭转角曲线图中可以判断车身变形的基本情形。如果图中曲线有折线或不连续的部分，则表示该结构件或结合部分的刚度分布不均匀。如果曲线比较平滑，则说明车身刚度分布较合理。根据分析结果的应力图，分析其应力是否集中，最大应力是否超过某参考值，来判断强度是否合理。（2）车身风窗洞口刚度评价车身的洞口主要有车门、风窗、发动机舱和行李舱等几个部位。在车身受载情况下洞口处变形大会使门窗开关困难，密封性降低，并导致灰尘、雨水进入等不良状况。

23、因此，要对车身洞口部分变形进行评价。衡量车身洞口的刚度，一般是在车身受载情况下，计算车身开口部分对角线的变化量，使变化量不能超过允许范围。图1-1为车身主要开口及测量对角线的示意图。弯曲工况和扭转工况下洞口变形量要求如表1-1。图1- 1 车身的主要开口表1- 1洞口变形量要求弯曲工况前门洞口对角线变化2.0mm后面洞口对角线变化1.5mm扭转工况前风窗对角线变化5mm后风窗对角线变化5mm前门洞口对角线变化3mm后门洞口对角线变化3mm1.1.2 车身弯曲刚度分析理论 弯曲刚度可看作是在车身垂直力作用时车身的纵向张力，是表示车身挠曲程度的量。车身弯曲刚度可以用车身纵梁在铅垂载荷作用下产生的挠

24、度大小来描述。当车身或车架上作用有对称垂直载荷时，车身结构发生弯曲变形，其整体的弯曲刚度可以由车身底架或车架的最大垂直挠度来评价。为了方便起见，也可以按在车身或车架上的中央一点加上集中力(如图1-2所示)，计算车身底架或车架的挠度，并假定车身或车架整体是具有均匀的弯曲刚度的简支梁。根据材料力学中计算简支梁的弯曲刚度的公式，可由车身所受的载荷和最大弯曲挠度值来计算车身弯曲刚度。图1- 2 弯曲刚度计算示意图由图1-2所示，当时：(1-1)当时：(1-2)其中：EI为车身弯曲刚度，单位为Nm2； F为集中载荷，单位为N； L为轴距，单位为m； b、a分别是前后支撑点到载荷的距离，单位为m； z为垂

25、直挠度，单位为m； x为计算z值点到前支撑点的距离，单位为m。由公式(1-2)可求得简支梁结构的弯曲刚度。对于车身结构来说，也可以用车身底部两侧纵梁测点沿车身纵向的挠度曲线评价车身弯曲刚度，由挠度曲线还可看出弯曲刚度沿车身纵向分布的平滑性。以评价整车结构是否合理性。轿车车身的弯曲刚度也可用车身所受载荷与最大弯曲挠度的比值来衡量的，弯曲刚度计算公式为： (1-3)此时弯曲刚度的单位是Nm。1.1.3 车身扭转刚度分析理论计算车身结构扭转刚度时，可以把车身整体当作具有均匀扭转刚度的整体梁来考虑。当车身或车架上作用有反对称垂直载荷时，结构处于扭转变形，如图1-3所示。图1- 3 轴间相对扭转角示意图

26、又图1-3可知，轴间扭转角计算方法如下式：(1-4)式(1-1)中：为轴间相对扭转角（单位为：度）；、分别为左右侧纵梁测点的垂直挠度（单位为：mm）；L为左右纵梁中心线的距离（单位为：mm）。车身的扭转刚度，即单位扭转角所受到的力矩：(1-5)式(1-5)中，GJ为轿车车身扭转刚度（单位：Nm/deg）；T为车身上施加扭力（单位：N），L为车身轴距（单位：m），为车身轴间相对扭转角度（单位：）。1.2 车身有限元模型建立运用HyperMesh对轿车三维模型进行简化和离散。划分网格之前对模型进行必要的几何清理，修正模型存在的缺陷，清除不必要的细节，简化措施如下：(1)忽略车身结构表面上的小孔、开

27、口、翻边等，它们的设计目的是为了局部连接或让一些管路、电线束的穿过，对整车的结构特性影响极小。还有些从制造工艺和安装工艺出发的小的圆角结构简化成尖角； (2)忽略用于装配其它部件的螺钉、螺母和小零件，以及小的冲压筋等；(3)对翻边简化，对于两构件焊接后，翻边起到了加强结构刚度的作用的给予保留，如果是工艺上的要求，则可以忽略。由于车身主要是由钣金冲压件焊接而成，因此，采用壳单元Quard1和Tria3对各个钣金构件进行离散化。各零部件之间的焊接单元采用CWELD单元进行模拟，焊点直径为6mm。完成后的车身结构模型共有个壳单元，6839个焊接单元，其中三角形单元占单元总数的5.8%，如图1-4所示

28、.图1-4 白车身有限元模型1.3 车身刚度分析计算 本课题在白车身结构有限元模型的基础上，应用Radioss求解器对白车身的静态刚度性能（弯曲刚度和扭转刚度）进行了计算分析，为下一步的结构优化提供了数据参考。1.3.1 弯曲刚度分析计算在设定弯曲刚度计算的约束条件时，参照刚度试验的约束条件，固定车身后悬架固定座，即约束其X、Y、Z三个方向的自由度；约束前悬架固定座支撑点的Y、Z方向的平动自由度。在座椅固定处施加左右对称的向下的力6000N。载荷约束条件如图1-5所示。图1- 5 弯曲工况载荷约束图运用Radioss求解器进行计算，在HyperView里查看分析结果，提取车身的位移云图如图1-

29、6，应力云图如图1-7。图1- 6 弯曲工况下位移云图图1- 7 弯曲工况下应力云图选择轿车车身底部左右两侧11对分析点如图1-8所示，根据分析结果提取这11对测试点的垂直方向位移如表1-2，并绘制出车身底部纵梁Z向位移的分布曲线如图1-9。图1- 8 分析点位置分布图表1- 2弯曲工况下分析点及垂直方向位移编号节点号垂直位移编号节点号垂直位移R10.09681L10.09853R20.02188L20.02303R3-0.01108L3-0.01021R1-0.117L1-0.1101R5-0.1231L5-0.1011R6-0.5271L6-0.1809R7-0.5166L7-0.1918

30、R8-0.1717L8-0.1561R9-0.1178L9-0.1012R10-0.2559L10-0.2177R11-0.191L11-0.1819R12-0.0939L12-0.09367R13-0.01323L13-0.01819R11-0.06101L11-0.08126图1- 9 弯曲刚度曲线图由表1-2得，车身在弯曲工况下，右侧纵梁节点出位移最大，为0.5271mm。所以由计算得车身弯曲刚度为从图1-6车身应力云图中可看出，最大应力点在节点处，最大应力为169.7Mpa小于材料的屈服应力。而图1-9显示出车身纵向的分布曲线较为平滑，说明车身整体结构刚度分配较合理。1.3.2 扭转刚

31、度分析计算扭转刚度分析时，加载情况如图1-10所示，约束后悬架固定座支撑点中心的X、Y、Z方向自由度，并约束前保险杠梁中部的Z向自由度，在车身前悬架固定座支撑点中心处施加大小相等方向相反的竖直方向的集中力，扭矩大小为。图1- 10扭转工况约束载荷示意图运用Radioss求解器计算，在HyperView里查看分析结果，提取车身的位移云图如图1-11，应力云图如图1-12。图1- 11 扭转工况下位移云图图1- 12 扭转工况下应力云图根据分析结果提取11对测试点在扭转工况下的垂直方向位移，然后计算轴间相对扭转角如表1-3，并绘制出车身扭转角沿纵向的分布曲线如图1-13。表1- 3 扭转工况下分析

32、点垂直方向位移编号1231567扭转角0.19960.19050.17920.16810.12960.11780.1029编号891011121311扭转角0.08690.07010.05050.01520.00260.00050.0070图1- 13 车身对应测点扭转角分布曲线在扭转工况下，左右加载点处的位移分别为-1.769mm、1.777mm，加载点的轴间距为1112.236mm。 计算得到该出轴间扭转角为由计算得到白车身的扭转刚度为=10928.96从图1-12车身应力云图中可看出，最大应力点在节点处，最大应力为121.7Mpa小于材料的屈服应力。从图1-13中可看出，扭转工况下扭转角

33、沿车身纵向的分布曲线较为平滑，说明车身整体结构刚度分配较合理。1.3.3 白车身刚度分析评价从图1-9和图1-13看出，车身扭转刚度曲线和弯曲刚度曲线比较平滑，没有明显的突变，说明车身结构刚度分布较合理。根据公司提供的标杆车的刚度要求弯曲刚度和扭转刚度分别为11000和10000，通过计算得出该车身弯曲刚度和扭转刚度分布为11376.56和10928.96，车身的刚度基本满足。评价车身刚度的好坏，还需要校验车身洞口部分的刚度，即用车身在受载情况下空口部分的变形。通过计算车身开口部分对角线的变化量来衡量车身洞口变形。本文选取了前风窗、前左门、后左门和后背们的对角线作为研究对象，对角线的位置选取如

34、图1-1。两种工况下开口对角线尺寸变化量如表1-4。表1- 4开口变形量工况洞口变形量变化值备注弯曲工况前门洞口对角线前左门10.027伸长为+缩短为-前左门2-0.051后门洞口对角线后左门10.382后左门2-0.207扭转工况前风窗对角线前风窗10.751前风窗2-0.712后风窗对角线后背门11.832后背门2-1.801前门洞口对角线前左门1-0.399前左门20.519后门洞口对角线后左门1-0.362后左门20.526由上表1-1可以看出车身主要开口变形不大，前风窗和后背门均小于允许最大变形量5mm，前左门和后左门变形量均小于3mm，参照表1-1车身洞口变形量要求，可知在弯曲工况

35、和扭转工况下该车身的洞口变形量均满足要求。1.4 车身模态分析评价车身的刚度特性，除了要考察其静态刚度外还要考察车身的动态刚度。在车身质量一定的情况下，车身整体的低阶模态频率越高，则动刚度越大。所以，可以用车身的模态频率来衡量车身的动态刚度。车身可以看做是一个无限多自由度的弹性系统，对其进行模态分析相应的也就有无限多固有模态频率。这些模态都表现为车身的振动特性，低阶模态多表现为车身的整体振型，高阶模态多表现为车身的局部振型。而在车身结构分析时，其整体振型对车身结构影响较大，所以在对车身进行模态分析时也只考虑其低阶模态。在车身结构的设计开发中，应使车身的固有频率避开外界的激振频率，特别是由路面引

36、起的激振频率，防止共振现象，从而避免因共振对车身造成的损坏。本章在白车身结构有限元模型的基础上，对车身结构的模态进行计算，得到了车身固有频率和模态振型等参数，为后面的结构优化设计提供了分析基础。1.4.1 模态分析理论模态分析即是将线性定常系统振动微分方程组中的物理坐标变换为模态坐标，使方程组解耦，成为一组以模态坐标及模态参数描述的独立方程，以便求出系统的模态参数18。模态分析分为自由模态和工作模态两种。在系统工作过程中，各结构在不同情况下的条件十分复杂，在有限元分析过程中很难精确模拟，通常分析结构的自由模态，即假定系统处于完全自由的状态。自由模态分析又称为无阻尼自由振动系统的特性分析。根据振

37、动理论，对于单自由度系统来说，在最初的激励下的一种自然的振动。对于多自由度系统来说，具有与自由度相等数量的位移形状，这些位移形状称为系统的固有振型。并且每一种振型对应有唯一的固有频率，系统的振动特性可用固有频率和固有振型来表示。模态分析主要分析结构的固有频率与相应振型。通过它们分析车身结构的基本特性，并判断是否因外界激励而引起共振。从力学观点看，车身结构是一弹性体，具有无限多自由度。但在研究车身的振动特性时，可把它简化成一个具有有限个自由度的线弹性系统19。根据有限元法和线性振动理论，首先组合整体刚度矩阵；同时将各单元的均匀质量和阻尼集中到单元的各节点上，组合成结构总质量矩阵以及结构的总阻尼矩

38、阵。随着时间变化的外载荷也都移植到相应的节点上，形成载荷列阵。如此，在线性时不变的条件下，具有有限个自由度的弹性系统的运动方程，可以应用虚功原理写出，其形式为：(1-6)式(1-6)中、分别为加速度、速度和位移向量。由于要计算的是车身结构的固有特性，取=0；同时因车身结构阻尼很小，对固有频率和振型影响很小，可略去不计，则可取总阻尼矩阵=0。则可得结构无阻尼自由振动方程：(1-7)这是一个常系数齐次微分方程，设它的解为：(1-8)式(1-8)中：为振幅列向量；t是时间；是振动的固有频率，令。将式(1-8)代入(1-7)，则可得到一个代数方程组：(1-9)式(1-9)是数学上的广义特征方程。可见，

39、系统自由振动特性的求解(又称模态分析)问题，就是求特征值和特征向量的问题。式(1-9)要有非零解的条件是系数行列式必须等于零，即：(1-10)为的次多项式(总自由度数)， 为正定阵，只要也为对称正定阵，则必有个正实根，使：()参照式(1-9)，于是(1-11)可以解得。是特征值所对应的第阶特征向量，即对应于各阶固有频率，有各阶固有振型，。这是齐次方程(1-7)的通解。1.4.2 模态分析计算对于一个无阻尼的线性系统来说，都是由各阶固有振型经过线性叠加组合成其运动形式，并且低阶的固有振型要比高阶的固有振型对系统的影响大。对于车身结构，低阶固有振型多为整体振型，能够体现车身的基本特性，高阶固有振型

40、多为局部振型，考察车身局部零件时可以分析其高阶振型。而且求解系统的高阶特征值，势必花费更多的计算机时。因此，对应一般车身工程结构，在模态分析时只求低阶的振动频率和振型。计算自由模态时，在有限元模型的基础上不加任何约束与载荷，由于在自由边界条件下，前六阶振型频率基本为零，所以设置计算初始频率为1Hz以消除自由刚体模态。用分块兰索斯（Block-Lanczos）法，运用Radioss求解器计算该白车身结构的自由模态。在HyperView中查看结果，提取车身结构的前十阶固有频率和振型。表1-5所示为白车身前十阶模态频率及振型描述。其中第四阶模态为一阶扭转振型（如图1-14），第六阶模态为一阶弯曲振型

41、（如图1-15），其余为局部振型。表1- 4白车身模态分析前十阶模态阶数频率/Hz振型描述127.66顶棚摆动228.32顶棚+发动机舱摆动329.16车身后部摆动136.79一阶扭转512.01车身前部弯曲611.67一阶弯曲716.12顶棚局部振动851.12地板弯曲+顶棚局部振动956.95一阶扭转+左右摆动1057.21顶棚局部振动图1- 14 一阶扭转振型(频率36.79Hz)图1- 15 一阶弯曲振型(频率11.67Hz)图1-14是该车身的一阶扭转振型，频率为36.79Hz。在此频率下车身绕着X轴振动，车身前部振幅最大，当汽车在行驶过程中，遇到状况不好的路面，使单侧车轮悬空时，使

42、车身发生扭转，有可能激发着一阶的模态，使车身产生共振。图1-15是该车身的一阶弯曲振型，频率为11.67Hz。在此频率下车身绕着Y轴振动，车身顶棚和车身底板振幅较大，这说明车身在外界激振的作用下，顶棚将产生大幅度振动，影响车身结构的安全性。1.4.3 模态分析结果评价 车身的结构模态频率应尽可能的避开内外的激励以及自身零部件的共振频率，比如：车轮不平激励、路面激励、传动轴激励、发动机激励等。车轮不平激振频率和路面激振频率都比较低，一般都低于20Hz，所以要保证车身的低阶模态频率高于此激振频率。而对于传动轴激振频率和发动机激振频率都高于车身的低阶模态频率，并且传动轴激励所占分量较小，对车身的低阶

43、频率影响不大，容易避免；该车身的第一阶模态频率为27.66Hz、一阶扭转频率为36.79Hz、一阶弯曲频率为11.67Hz，较好的避开了上述所说的各种激振频率，并且车身模态振型过度平滑，没有突变现象，可见该车身模态特性较好，与相关车型相比处于合理范畴，两种固有频率明显错开，主要的弯扭模态没有耦合，满足了设计要求。观察模态计算结果，可看出该车身的低阶振型主要以弯曲和扭转为主，振幅较大的区域主要是顶棚、发动机舱和尾部，可以增加振幅相对较大部位的刚度，以减小这些部位的振幅。对尾部进行局部结构改进，可以改善整个白车身的动态特性。1.5 总结车身刚度分析的目的是检验轿车车身的刚度情况，为后面的结构优化设

44、计做参考，在优化过程中对轿车车身的刚度不合理的部位进行改进，来提高车身的刚度。本章首先介绍了车身刚度分析的理论以及评价标准，并对车身进行了刚度分析，从有限元分析结果可知，该车静刚度相对于国外同类车型略低，但符合标车要求。通过车身结构的模态分析，可以了解该车身整体及其部件的动态特性。而从模态分析结果可以看出，可以对顶棚、发动机舱、车身尾部等部位进行优化设计，以改善车身动态特性，提高车身刚度。二、 汽车车身局部结构优化设计在环境日益恶化的今天，汽车产业这个同时具有“能源消耗”和“环境污染”两大特点的产业，受到了广泛关注。目前，能源危机的出现使“节油”再一次成为汽车研发的方向。由于配置相似而整车质量

45、较轻的汽车在节油方面有明显的优势，同时节油意味着环保，在当前节能减排的趋势下，汽车的轻量化设计显得尤为重要。车身质量占汽车总质量的 40%左右，车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用。国内学者对车身结构轻量化设计开展了研究工作。车身轻量化设计对于整车开发的影响也是多方面的：轻量化设计提高汽车的加速性能，同时整车的振动、噪声、稳定性会得到较大改善，车厢内乘坐环境及舒适度得到提升；由于汽车整车质量降低，行驶中的惯性相应减小，制动距离缩短，可以有效降低因紧急事件而发生的碰撞概率和碰撞程度，整车安全性能得到进一步提高；钢材消耗减小，降低生产成本，提高市场竞争力；可以降低油耗和减少污染物的排放。

46、汽车车身的轻量化设计可以通过优化设计实现，而优化设计是现代设计方法的一个重要方面，也是计算机辅助设计的核心部分。机械优化设计是以数字规划论为基础的，运用计算机寻求机械设计最优参数的现代设计方法。采用这种方法可以使设计方案按预定目标达到完善的地步，并带来显著的经济效益。优化设计是 60 年代初发展起来的一门学科，是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量，因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域。通过对白车身的试验分析和计算分析，结合调研的相关资料和经验，全面

47、了解了其强度、刚度和动态性能。同时，根据静动态特性分析，提出轻量化设计方案。为了实现节能减排、提高振动特性的目标，对该白车身进行轻量化设计。在提高第一阶模态频率、保证刚度不变、碰撞性能不受影响的前提下进行优化设计，达到轻量化设计的目标。2.1 优化设计理论与方法2.1.1 优化设计的数学模型优化设计是根据最优化的原理和方法，综合各方面因素，以人机配合的方式或用自动探索的方式，在计算机上进行的自动或半自动设计，以选出在现有工程条件下的最好设计方案的一种现代设计方法。是用数学规划理论来求解最优设计方案，首先把工程问题用数学方法来描述，建立一个数学模型如式（2-1）至（2-4）。目标： （2-1）约

48、束： （2-2） （2-3）设计变量： （2-4）按已建立的数学模型，可求得问题的最优解：最优方案： （2-5）最优值： （2-6）完整的规划了的数学模型，包含三个内容，即数学模型的三要素，它们是设计变量，目标函数，约束函数和。由于数学模型构成不同，可以分为：当m=p=0时成为无约束优化问题；当 mp0时成为约束优化问题。本文采用一维搜索方法进行白车身的轻量化设计。基于目标函数对设计变量的灵敏度，决定设计变量的选取。用该方法进行优化时，首先采用惩罚函数方法将约束优化问题化为无约束优化问题。目标函数在某点的负梯度方向是函数在该点下降最快的方向，将负梯度方向作为搜索方向。目标函数下降，总要有个终止

49、准则来停止迭代，常用的迭代终止准则有：（1） 当相邻两迭代点之间的距离充分短时，即 （2-7）（2） 当相邻两迭代点的函数值下降充分小时，即 （2-8）或 （2-9）（3） 当迭代点的梯度充分小时，即 （2-10）上式中，为给定的收敛精度，一般。2.1.2 灵敏度分析方法响应值从以下公式中计算得到： （2-11）与设计变量相关的灵敏度或响应得梯度为： （2-12）可以通过两种方法进行灵敏度分析：直接法和伴随矩阵法。对于尺寸优化，通常使用直接法进行灵敏度分析，然而在一些实际情况中，当存在多个设计变量和少量约束的时候，伴随矩阵法也应该被使用。2.1.3 正面碰撞对白车身设计的影响为了最大限度地保护

50、乘员并满足法规要求，白车身一般设计有碰撞吸能区、能量传递区和乘员保护区。碰撞吸能区和能量传递区的主要功能是当碰撞发生时，应尽可能多地吸收能量，并传递能量以减少对乘员区的损害。乘员保护区一般比较刚硬，以减少变形和压缩。图2-1为白车身正面碰撞的设计策略。图2-1 白车身正面碰撞的设计策略车身轻量化不能盲目地减重，应在保证白车身的静态扭转刚度和弯曲刚度在可行的变化范围之内的前提下，最大限度地调整各零部件的质量，实现汽车轻量化。2.2 结构优化设计2.2.1 优化条件的确定以板件的厚度作为变量进行尺寸优化，根据前文中刚度分析的结果，选择对车身刚度影响较大的结构件的厚度作为设计变量，在此主要选取了42

51、个车身板件厚度为优化变量，其中32个结构件是左右对称的，设置为同一设计变量。约束条件：以车身的初始设计厚度为初值，设置变量变化范围为20%，并且设置变量下限为0.7mm。并且保证扭转刚度不低于，弯曲刚度不低于，第一阶模态频率不低于27Hz。目标函数：设置其质量最小化。2.2.2 优化结果利用HyperWorks中的OptiStruct模块进行尺寸优化计算，优化参数及优化结果见表2-1。限于篇幅仅列出部分设计变量，考虑到加工制造过程的实际情况，对优化结果进行修正，取小数点后的一位有效数字。表2-1 部分设计变量和优化结果2.2.3 优化前后结果对比对修正后的模型进行刚度分析。优化前后白车身结构刚

52、度、质量对比如表2-2。表2-2 优化前后结果对照表参数优化前优化后变化量白车身质量（t）0.32870.3198-2.7%扭转刚度()10928.911111.1+1.7%弯曲刚度()11376.512017+5.6%由表对比可知，白车身质量减低了2.7%，弯曲刚度和扭转刚度分别提高5.6%、1.7%，由上述对比可以发现，通过优化设计，在保证白车身刚度提高并达到目标车刚度要求时，即在具有足够静态特性的前提下，使白车身质量降低8.9kg，取得了明显的效果，对白车身结构轻量化设计具有指导意义。2.2.4 总结车身刚度分析的目的是检验轿车车身的刚度情况，为后面的结构优化设计做参考。本文对轿车白车身结构的弯曲刚度和扭转刚度进行了研究，得出弯曲刚度大于目标车值，弯曲刚度略小于目标车值。通过对白车身进行