汽车轻量化 | 某SUV车型白车身的轻量化分析案例（附公开课）

导读：轻量化是当今各整车厂在产品开发中无法回避的问题。当考虑到成本与工艺方面时，更是不容易解决的问题。对于高端车型，其较高的设计与生产成本允许其采用先进的轻量化设计与生产工艺，如碳纤维复合材料，铝镁合金材料，液压成型工艺，差厚板，激光拼焊等；对于低端车型来说，因较低的成本限制，则主要从结构设计角度来解决轻量化问题。但不论从材料，工艺还是结构方面实现轻量化，都需要借助CAE分析来提前预知结构性能。

白车身作为汽车主要承载部件，其质量占整车重量较大，通过合理设计，可减轻较多的质量，获得较为显著的轻量化效果。因而，车身的轻量化是开发阶段不可缺少且重点关注的部分。

这里所介绍的一种轻量化分析思路，是从结构设计与优化的角度，借助CAE仿真技术，来实现早期开发阶段的白车身结构从无到有，再到优的过程，起到控制车身性能和质量的目的，降低后期详细设计阶段车身性能与质量不可控的风险。

一、开发早期阶段的轻量化思路

在车身早期开发阶段中，一般情况下是没有车身的具体CAD数据。此时，为实现车身结构从无到有的过程，通过造型外CAS面及布置要求，制定车身拓扑空间，获得在考虑模态，刚度及碰撞等多个载荷工况下的车身载荷传递路径。结合此路径，来形成初版的车身结构形式布置方案。利用SFE-Concept隐式参数化建模技术实现布置方案的数字化与参数化，并得到初版的车身性能。（公开课-车身参数化建模及多目标优化技术，详见后文）

为实现从有到优的过程，通过对竞品车型结构研究及项目经验，同时必须结合初始性能分析结果，对于结果中较为薄弱的区域，选出具有代表性的结构形式，结合隐式参数化模型快速更替与修改能力，进行结构拓扑方案替换与性能验证，确保车身质量在基本保持不变的前提下，对车型性能进行提升，在项目计划时间内使车身结构性能尽可能最大化，目的是获取较大的减重空间。

之后利用断面尺寸优化与零件厚度优化，对车身进行减重分析，实现重量下降。由于该阶段并无具体性能目标，其减重优化工作应以减重前的性能水平为约束进行优化。待后续阶段制定具体目标值后可利用此模型再次进行减重优化分析，获得满足目标要求的轻量化车身结构。

二、某SUV车型白车身的轻量化分析案例

1、载荷传递路径分析

可利用Optistruct，Genesis等有限元软件的拓扑优化技术，以造型与内饰CAS面，动力总成占用空间，轮胎包络，车门门口，假人脚的位置，最小离地间隙，座椅安装位置，备胎占用空间等信息为输入条件，建立白车身拓扑优化空间，如图1所示。

图1 拓扑优化空间定义

车身的载荷传递路径获取需充分考虑车身各项整体性能要求，一般情况下，主要考虑NVH，刚度及碰撞三个学科，将白车身模态，弯扭刚度，正碰，侧碰，偏置碰，后碰及顶压作为考察工况。

经迭代计算后，可以获得多工况下的白车身载荷传递路径，如图2所示。

图2 白车身拓扑优化结果

拓扑优化分析结果需要进行解读，因为其结果为数值计算结果，并非考虑实际生产因素等方面的限制，所以需要筛选出主要的传递路径，此时应结合工程经验进行结构布置。识别出的各区域主要传递路径如图3所示，结构设计时可参考该路径对白车身纵梁及横梁进行布置。

发舱主要传递路径

顶盖主要传递路径

图3 白车身各区域主要传递路径

2、隐式参数化模型建立与初始性能评估

在白车身布置方案确定后，在无需白车身CAD数据的情况下，仅以底盘硬点，典型断面，接头草数据，各零部件之间的搭建关系为输入条件，利用SFE-Concept软件便建立白车身隐式参数化模型，将从拓扑分析结果解读出来的设计概念变成清晰的三维数模，如图4所示。

隐式参数化建模技术是近些年来多数整车厂所采用的优化与轻量化分析工具，该建模技术能够在保证各部件连接完整性的前提下，实现结构的快速变形，如梁的位置移动，梁的截面尺寸修改等，因而可以融入到优化流程中，并且，可以一键快速生成满足后续有限元分析要求的网格。该技术的引用，使得以前使用morph功能对网格进行变形变得更加便捷。甚至，该参数化模型在车身开发中可替代第一版CAD模型。

本案例以白车身模态与弯扭刚度性能为主要考察指标，得到初始车身性能，如表2所示。从结果中可以看出，在考虑载荷传递路径分析结果下的白车身结构形式，其各项性能较好。

3、结构替换寻优

通过对初始结构有限元计算结果进行研究，从中找出相对薄弱部位，结合过往设计方案及竞品车优秀结构设计，筛选出替换方案，在保证白车身质量基本不变的前提下，继续提升其各项性能。

本案例从B柱下接头，B柱上接头，C柱下接头，D柱上接头，D柱下接头及后排座椅横梁区域进行设计方案替换，每个区域均有两个替换方案，以寻求更优性能。具体方案见表2所示。

通过在隐式参数化白车身模型中对各个方案进行替换与性能验证，筛选出性能较优的结构作为下一个对比方案的基础模型，此时白车身质量为3XXkg。模态与弯扭刚度性能有所提升，其各项性能如表3所示，其中性能变化为新旧结构性能差值与初始性能的比值。

4、断面尺寸优化

由于隐式参数化模型具有全参数化功能，几何结构的位置、尺寸和形状等可以任意改变，能记录改变的过程并保存为设计变量。因而，可以将各个

零件的断面尺寸作为优化变量来进行尺寸优化分析，确定最优断面尺寸。
本案例选取的尺寸变量如表3所示，其变化范围以5mm为一步距，根据以往布置空间，设计经验与竞品车数据确定各个变量变化范围。各离散变量值以整车坐标系正向为正值，负向为负值。

利用Isight软件，将此模型添加到优化流程中进行断面尺寸优化，以当前性能水平为约束，质量最小为优化目标得到最终的优化结果，见表4。

表4 尺寸优化后的白车身性能

经过尺寸优化后，该车身结构质量从3XXkg降低到3XXkg，减重6kg，同时保证车身模态与弯扭刚度性能基本不变。

5、零件厚度优化

从项目实践经验及相关参考文献可知，零件厚度的最优化组合对白车身的轻量化具有显著的效果。由于白车身一般有300多个零件，将每个零件作为设计变量进行优化，其计算量非常大。因而本案例先根据工程经验，从尺寸优化后的车身结构中挑选出对性能有一定影响的零件92个，并结合灵敏度分析从92个零件中筛选出影响较大的56个零件作为优化变量，如图5所示。各零件厚度变量的水平是在考虑所用钢材能够生产的厚度及车身常用厚度的前提下而定义的离散值。

同样，将断面尺寸优化后的模型加入到Isight优化流程中完成厚度优化，此轮优化以各项当前性能水平为约束，质量最小为优化目标。最终，该白车身的质量为3XXkg，减重19kg，减重效果明显，同时，各项性能基本保持不变，见表5。

三、写在后面

将此轻量化方法应用于白车身的设计开发中，可以取得较好的轻量化效果，同时也保证了车身具有良好的基础性能，可将此结果提供给车身设计人员，按此方案进行后续的详细设计。在后续造型及布置方案不做较大改动且性能目标设立后，还可使用此模型结合性能目标进行第二轮的料厚优化分析，并提供给车身设计人员作为料厚选择参考。当然，在项目进度允许且分析输入条件较为完整的情况下，还可以将碰撞工况融入到此轻量化分析中，进行多学科联合仿真优化。

四、公开课-车身参数化建模及多目标优化技术

为了更好的帮助，汽车仿真工程师更好的理解车身参数化建模及多目标优化技术，6月9日19时，仿真秀平台将邀请中汽研（天津）汽车工程研究院有限公司，拥有7年汽车行业仿真工作经验，擅长车身和底盘等结构设计的武振江老师公开直播-车身参数化建模及多目标优化技术（识别下方二维码即可报名，加入社群 交流和获得视频免费回看机会，你也可以直接点击文尾阅读原文进入直播间观看）。

诚邀大家加入仿真秀汽车工程师交流群。进群方法：请在仿真秀公 众号回复 小助手，备注 汽车群。通过人工邀请建群。

作者：王山， 仿真秀专栏作者