基于性能驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)車車身+設(shè)計(jì)及優(yōu)化

1、學(xué)校代號(hào)10532學(xué)號(hào)S12011021 分 類 號(hào)U463密級(jí)公開 碩士學(xué)位論文基于性能驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)車車身 設(shè)計(jì)及優(yōu)化學(xué)位申請(qǐng)人姓名涂小春 培養(yǎng)單位機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院 導(dǎo)師姓名及職稱胡朝輝 講師 學(xué)科專業(yè)機(jī)械工程 研究方向車身輕量化 論 文 提 交 日 期2015 年 5 月 20 日 學(xué)校代號(hào)：10532學(xué)號(hào)：S12021021密級(jí)：公開湖南大學(xué)碩士學(xué)位論文基于性能驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)車車身 設(shè)計(jì)及優(yōu)化學(xué)位申請(qǐng)人姓名：涂小春導(dǎo)師姓名及職稱：胡朝輝 講師培養(yǎng)單位：機(jī)械與運(yùn)載工程學(xué)院專業(yè)名稱：機(jī)械工程論文 提交 日 期：2015 年 5 月 20 日論文 答辯日 期：2015 年 6 月 2

2、日答辯委員會(huì)主席：龔金科教授Design and Optimization of Mini Electric Vehicles Body Based on Performance DrivenbyTu Xiao chunB.E. (Liaoning University of Technology) 2012 A thesis submitted in partial satisfaction of theRequirements for the degree of Master of Engineeringin Mechanical Engineeringin the Graduate Sc

3、hoolofHunan UniversitySupervisor Lecturer Hu Zhao huiMay, 2015湖 南 大 學(xué)學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導(dǎo)師的指導(dǎo)下獨(dú)立進(jìn)行研究所取得的 研究成果。除了文中特別加以標(biāo)注引用的內(nèi)容外，本論文不包含任何其他個(gè)人或 集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫的成果作品。對(duì)本文的研究做出重要貢獻(xiàn)的個(gè)人和集體，均 已在文中以明確方式標(biāo)明。本人完全意識(shí)到本聲明的法律后果由本人承擔(dān)。作者簽名：日期：年月日學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書本學(xué)位論文作者完全了解學(xué)校有關(guān)保留、 使用學(xué)位論文的規(guī)定， 同意學(xué)校保 留并向國(guó)家有關(guān)部門或機(jī)構(gòu)送交論文的復(fù)印件和電子版，

4、允許論文被查閱和借閱。 本人授權(quán)湖南大學(xué)可以將本學(xué)位論文的全部或部分內(nèi)容編入有關(guān)數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行檢 索，可以采用影印、縮印或掃描等復(fù)制手段保存和匯編本學(xué)位論文。本學(xué)位論文屬于1、保密，在_年解密后適用本授權(quán)書。2、不保密。（請(qǐng)?jiān)谝陨舷鄳?yīng)方框內(nèi)打“”）作者簽名：日期：年月日導(dǎo)師簽名：日期：年月日摘要微型純電動(dòng)車車身與傳統(tǒng)汽車車身存在差異，這種差異必然導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)設(shè) 計(jì)開發(fā)方法的差別。本文通過(guò)學(xué)習(xí)現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法及相關(guān)軟件 工具，研究基于性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及方法流程。針對(duì)純電動(dòng)汽車車身小型 化、輕量化特點(diǎn)，綜合運(yùn)用相關(guān)設(shè)計(jì)優(yōu)化方法及商業(yè)軟件工具，形成了基于性能 及輕量化驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)

5、汽車車身設(shè)計(jì)及開發(fā)流程。以一款在研的純電動(dòng)汽車 的車身結(jié)構(gòu)為開發(fā)算例，進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)研究，并取得了比較好的效果。具體研究 內(nèi)容如下：本文在進(jìn)行車身設(shè)計(jì)之前確定了該款微型純電動(dòng)車身的結(jié)構(gòu)形式及車身輕量 化目標(biāo)，為后文的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)指明方向。以車身結(jié)構(gòu)總體尺寸及 A 面模型 為基礎(chǔ)，建立純電動(dòng)車車身拓?fù)淇臻g三維幾何模型。運(yùn)用等效靜載荷法求出位移 平均碰撞力，將非線性動(dòng)態(tài)工況轉(zhuǎn)化為靜態(tài)工況。對(duì)車身進(jìn)行考慮多種碰撞工況、 頂壓、多種剛度工況等的多學(xué)科拓?fù)鋬?yōu)化，從而確定了車身主要的載荷傳遞路徑。 優(yōu)化結(jié)果顯示，在車身前艙、側(cè)圍、頂蓋、地板等主要區(qū)域都形成了比較清晰合 理的車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

6、并結(jié)合實(shí)際情況以及經(jīng)驗(yàn)資料，對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正，建 立車身骨架的幾何線框模型。根據(jù)幾何線框模型的幾何特征，建立車身梁?jiǎn)卧獏?數(shù)模型，并以截面幾何尺寸參數(shù)為變量進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。根據(jù)截面優(yōu)化結(jié)果建立 車身詳細(xì)的有限元模型，通過(guò)對(duì)模型進(jìn)行模態(tài)、剛度分析和輕量化系數(shù)校核，結(jié) 果顯示車身剛度、模態(tài)都在合理范圍，車身的輕量化系數(shù)為 4.0 低于目標(biāo)值，滿 足設(shè)計(jì)要求。表明了拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果合理性以及參數(shù)化優(yōu)化方法可行性。根據(jù)鋁材可擠壓成各種所需截面的型材的特點(diǎn)，介紹基于車身性能驅(qū)動(dòng)的鋁 型材梁截面優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法流程。針對(duì)優(yōu)化模型單元數(shù)量較多，優(yōu)化效率較低問(wèn) 題，將非優(yōu)化區(qū)域通過(guò)矩陣縮減形成超單元，運(yùn)用直接矩陣

7、輸入法對(duì)優(yōu)化區(qū)域進(jìn) 行優(yōu)化。以前保險(xiǎn)杠橫梁為例，對(duì)其進(jìn)行施加擠壓約束的拓?fù)鋬?yōu)化。結(jié)果表明運(yùn) 用超單元后優(yōu)化效率有很大提高。然后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的新的保險(xiǎn)桿橫梁結(jié)構(gòu)， 對(duì)三種保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行擺錘碰撞仿真分析，結(jié)果表明新方案的保險(xiǎn)桿結(jié)構(gòu)剛度和 吸能效果都明顯提高。關(guān)鍵詞：微型純電動(dòng)車；性能驅(qū)動(dòng)； 拓?fù)鋬?yōu)化；輕量化設(shè)計(jì)；鋁制車身；截面優(yōu) 化設(shè)計(jì)；AbstractThe body structure of the mini electric vehicle are different form the conventional ones, and this difference will inevita

8、bly lead to different development method of body structure. According to the characteristics of the min electric vehicle body miniaturization, lightweight, this paper forms a rapid design and development system process of min electric vehicle body based on performance and lightweight driven by learn

9、ing the modern car body structure design method and relevant commercial software tools, researching the car body structure design criteria and process based performance driven. An example of a body development of a min electric vehicle body was put into practice, and had achieved good results.The fo

10、rms of the mini electric vehicles body structure and the lightweight target have been investigated before the body design and development. The mini electric vehicle body topology optimization space is established on the basis of the overall size and modeling. By using equivalent static load method t

11、o get displacement average collision force, the nonlinear dynamic condition can be converted to static condition. The topology optimization in typical load cases including various impact condition, top pressure, various stiffness condition for the new mini electric car are carried out to get the mai

12、n load transfer path of the body. The optimization results show that the front, side, roof, floor and other major areas of the body formed a clear and reasonable topology optimization structure.The geometric wireframe model of the concept frame structure of the body was established on the basis of t

13、opology optimization result and design experience. And then the car body model of one-dimensional beam element with section properties was built and the cross-section parameter was optimized to lightweight the car body. According to the optimization result a detailed finite element model was created

14、. The performance of the car body was analysed and evaluated based on FEM method, including torsion stiffness and bend stiffness, along with the level of body lightweight. The result show that the coefficient of lightweight car body was 4.0 which was lower than the target value and met the design re

15、quirements. So the method topology optimization and cross-Section parameter optimization for the mini electric car body was feasible and effective.According to characteristics of aluminum can be extruded, optimization designmethod of aluminum beam section based on the body performance driven was int

16、roduced. In view of the unit number of optimization model was large and the low calculation efficiency, the method of super-element which can reduce the non design space out of the model through the static reduction was used. And then using direct matrix input method to optimize the design space. As

17、 an example, the front bumper beam has been optimized by using topology optimization of extrusion constraint function. The optimization results show that the optimization efficiency was greatly increased by using super-element. And then two new bumper beam structure was designed on the basis of the

18、optimization results. The pendulum impact simulation analysis was performed and show that these two new-designed bumper beams both have better stiffness and energy absorption performance.Keyword:minielectricvehicle;performancedriven;topologyoptimization; lightweight; aluminum car body; cross-section

19、 optimization目錄學(xué)位論文原創(chuàng)性聲明和學(xué)位論文版權(quán)使用授權(quán)書I摘要IIAbstractIII目錄V插圖索引VIII附表索引X第 1 章 緒論11.1 本課題研究的工程應(yīng)用背景及意義11.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀21.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容4第 2 章 純電動(dòng)車車身設(shè)計(jì)方法及流程52.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及輕量化方法研究52.1.1 基于有限元的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法52.1.2 基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法52.1.3 應(yīng)用新材料和新工藝的汽車輕量化設(shè)計(jì)方法72.2 基于性能驅(qū)動(dòng)的白車身設(shè)計(jì)方法及流程82.2.1 基于剛度性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)92.2.2 基于 NVH 性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)102

20、.2.3 基于碰撞安全性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)112.2.4 傳統(tǒng)車身的設(shè)計(jì)開發(fā)流程112.3. 基于性能驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)流程132.4 純電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)形式選擇及輕量化目標(biāo)確定142.4.1 車身結(jié)構(gòu)形式分析及選擇142.4.2 車身剛度與輕量化的關(guān)系162.4.3 車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)指標(biāo)確定162.5 本章小結(jié)16第 3 章 基于性能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車車身整體拓?fù)鋬?yōu)化173.1 引言173.2 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)簡(jiǎn)介173.2.1 變密度法173.2.2 制造工藝約束183.2.3 慣性釋放183.2.4 離散參數(shù)193.3 基于碰撞力的等效靜載荷處理方法193.4 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型203.4

21、.1 靜態(tài)載荷驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型203.4.2 模態(tài)特性驅(qū)動(dòng)的拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型213.4.3 靜動(dòng)態(tài)載荷聯(lián)合驅(qū)動(dòng)拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型213.4 車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)223.4.1 拓?fù)鋬?yōu)化空間確定及有限元模型建立223.4.2 載荷及邊界條件233.4.3 優(yōu)化的分析253.4.4 優(yōu)化結(jié)果的輸出263.5 本章小結(jié)27第 4 章 基于性能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車車身截面優(yōu)化284.1 引言284.2 建立車身桁架結(jié)構(gòu)的幾何線框模型284.3 基于參數(shù)化模型的車身截面優(yōu)化設(shè)計(jì)294.3.1 白車身概念設(shè)計(jì)的截面參數(shù)化方法294.3.2 優(yōu)化變量314.3.3 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型314.3.4 優(yōu)化求解及結(jié)果分

22、析324.4 車身骨架結(jié)構(gòu)性能分析驗(yàn)證344.4.1 車身骨架結(jié)構(gòu)有限元模型的建立344.4.2 車身結(jié)構(gòu)模態(tài)分析354.4.3 車身結(jié)構(gòu)的扭轉(zhuǎn)剛度分析374.4.4 車身結(jié)構(gòu)的彎曲剛度分析374.4.5 車身結(jié)構(gòu)輕量化評(píng)估384.5 本章小結(jié)39第 5 章 基于耐撞性能驅(qū)動(dòng)純電動(dòng)車前保險(xiǎn)杠橫梁設(shè)計(jì)405.1 引言405.2 超單元分析簡(jiǎn)介及理論基礎(chǔ)405.2.1 超單元分基礎(chǔ)405.2.2 靜力凝聚理論425.3 基于耐撞性能的保險(xiǎn)桿橫梁截面設(shè)計(jì)435.3.1 整車性能驅(qū)動(dòng)的的鋁擠壓截面拓?fù)鋬?yōu)化流程435.3.2 優(yōu)化模型建立445.3.3 化數(shù)學(xué)模型455.3.4 優(yōu)化結(jié)果及方案設(shè)計(jì)455

23、.4.5 優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果分析475.5 本章小結(jié)50結(jié)論與展望51參考文獻(xiàn)53致 謝57附錄 A（研究生期間發(fā)表的論文）58插圖索引圖 2.1 梁截面的尺寸參數(shù)表示方法6圖 2.2 ULSAB-AVC 白車身（BIW）的用材比例7圖 2.3 湖南晟通集團(tuán)全鋁公交車車身8圖 2.4 基于車身性能設(shè)計(jì)9圖 2.5 白車身彎曲剛度示意圖10圖 2.6 白車身扭轉(zhuǎn)剛度示意圖10圖 2.7 基于性能與輕量化的白車身設(shè)計(jì)流程12圖 2.8 基于性能驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)流程13圖 2.9 蘭博基尼單體殼式碳纖維車身結(jié)構(gòu)14圖 2.10 奧迪 R8 Spyder 全鋁車身15圖 2.11 第四代攬

24、勝鋁板式全鋁車身15圖 2.12 近年來(lái)國(guó)內(nèi)部分車型的扭轉(zhuǎn)剛度及輕量化系數(shù)16圖 3.2 車身設(shè)計(jì)區(qū)域示意圖22圖 3.3 概念車身的拓?fù)鋬?yōu)化空間23圖 3.4 車身靜態(tài)分析工況加載示意圖24圖 3.5 車身動(dòng)態(tài)加載工況示意圖25圖 3.6 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果26圖 3.7 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果導(dǎo)入 CATIA 中27圖 4.1 幾何線框模型的建立29圖 4.2 薄壁矩形截面30圖 4.3 梁?jiǎn)卧膮?shù)化模型 3D 單元顯示31圖 4.4 車身結(jié)構(gòu)梁編號(hào)32圖 4.5 車身結(jié)構(gòu)梁編號(hào)33圖 4.6 車身骨架結(jié)構(gòu)的 3D 幾何模型35圖 4.7 車身骨架結(jié)構(gòu)的有限元模型35圖 4.8 車身結(jié)構(gòu)前六階模態(tài)頻率計(jì)

25、振型圖36圖 4.9 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算載荷及邊界條件示意圖37圖 4.10 扭轉(zhuǎn)工況變形云圖37圖 4.11 彎曲剛度計(jì)算載荷及邊界條件示意圖38圖 4.12 彎曲工況的變形云圖38圖 4.13 微型純電動(dòng)車的局部圖39圖 5.1 外部超單元41圖 5.2 整車性能驅(qū)動(dòng)的鋁擠壓拓?fù)鋬?yōu)化流程43圖 5.3 前大梁處理后的車身模型44圖 5.4 車身模型縮減示意圖45圖 5.5 前保險(xiǎn)杠拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果46圖 5.6 保險(xiǎn)桿原方案與優(yōu)化后設(shè)計(jì)方案46圖 5.7 擺錘碰撞分析模型47圖 5.8 擺錘節(jié)點(diǎn) 100000 的速度變化情況48圖 5.9 兩種保險(xiǎn)杠擺錘打擊過(guò)程中能量變化48圖 5.10 橫梁背端面

26、最大位移節(jié)點(diǎn)位移變化49圖 5.11 新方案試制的保險(xiǎn)桿橫梁49附表索引表 3.1 整車尺寸及質(zhì)量參數(shù)22表 3.2 車身材料屬性23表 3.3 各個(gè)工況單獨(dú)加載時(shí)應(yīng)變能最大值和最小值25表 3.4 各工況所占的權(quán)重系數(shù)26表 4.1 主要區(qū)域的線框模型提取28表 4.2 梁?jiǎn)卧獏?shù)化模型特性參數(shù)31表 4.3 設(shè)計(jì)變量的變化范圍31表 4.4 主要截面優(yōu)化結(jié)果33表 4.5 可供選擇鋁合金型材截面規(guī)格33表 4.6 最終選取的各梁截面尺寸34表 4.7 前六階模態(tài)頻率及振型描述36表 4.8 微型電動(dòng)車車身扭轉(zhuǎn)剛度質(zhì)量比39第 1 章 緒論1.1 本課題研究的工程應(yīng)用背景及意義當(dāng)今社會(huì)環(huán)境問(wèn)

27、題日益突出，對(duì)于汽車節(jié)能、環(huán)保的要求也越來(lái)越高。隨著 我國(guó)工業(yè)的發(fā)展及汽車保有量的不斷上升，開發(fā)新能源汽車將成為汽車發(fā)展的必 然趨勢(shì)。2011 年發(fā)布的國(guó)家“十二五”科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃將新能源汽車產(chǎn)業(yè) 技術(shù)列為未來(lái)五年科技部重點(diǎn)扶持的產(chǎn)業(yè)。在此期間，中國(guó)新能源汽車將逐步邁 向產(chǎn)業(yè)化階段，5 年內(nèi)開始逐漸在全社會(huì)推廣新能源汽車，包括電動(dòng)城市客車、 HEV 轎車及小型電動(dòng)車。在進(jìn)入新能源汽車產(chǎn)業(yè)化初期階段，下一個(gè)五年規(guī)劃期 間將進(jìn)一步推廣多能源混合動(dòng)力車和 PHEV 轎車1 。純電動(dòng)車作為新能源汽車主 要組成部分，其發(fā)展將是新能源汽車發(fā)展的關(guān)鍵。2014 年中國(guó)純電動(dòng)車市場(chǎng)現(xiàn) 狀與趨勢(shì)藍(lán)皮書顯示，

28、在對(duì) 1000 余個(gè)潛在消費(fèi)者的抽樣調(diào)查中，有 55.1%的人 認(rèn)為，“成本低”是驅(qū)動(dòng)消費(fèi)的主要因素； 而拒絕購(gòu)買純電動(dòng)汽車產(chǎn)品的抽樣調(diào)查 中，“價(jià)格”原因排在首位，這一因素占比達(dá)到 41%，遠(yuǎn)高于排名第二的“充電設(shè)施 不便利”因素。作為產(chǎn)品來(lái)講，微型純電動(dòng)車小型化、輕量化的特點(diǎn)允許其少裝電 池，有利于廉價(jià)化和大眾化。2014 年 12 月 30 日，國(guó)家有關(guān)部門出臺(tái)征求意見稿，指出 2016 年至 2020 年除燃料電池汽車外，其他車型補(bǔ)助標(biāo)準(zhǔn)適當(dāng)降低。 因此小 型化、輕量化的城市微型電動(dòng)車必將成為未來(lái)競(jìng)爭(zhēng)的焦點(diǎn)。目前純電動(dòng)汽車的設(shè)計(jì)開發(fā)仍然存在很多技術(shù)難題，其中一個(gè)比較突出的問(wèn) 題就是電池

29、能量質(zhì)量比過(guò)低，導(dǎo)致整車質(zhì)量相對(duì)較大，從而增加了能量消耗，制 約了純電動(dòng)汽車的續(xù)航里程2。因此，純電動(dòng)汽車必須在電氣化智能化的同時(shí)采 取比傳統(tǒng)汽車更加先進(jìn)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕量化方法和措施。隨著計(jì)算機(jī)技術(shù)、車身 結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)、新材料以及新工藝的快速發(fā)展，車身的輕量化具有十分巨大的潛 力。對(duì)于純電動(dòng)汽車而言，車身的輕量化將大大彌補(bǔ)電池所引起的重量增加，減 輕整車重量并有效提高續(xù)駛里程和加速性能，同時(shí)純電動(dòng)車輕量化可使續(xù)航里程 明顯增加，從而減少了電動(dòng)車電池的更換頻率，降低電池的使用成本。因此，在 減少相同質(zhì)量的情況下，電動(dòng)車的輕量化帶來(lái)的收益要高于傳統(tǒng)的燃油汽車 3。 在現(xiàn)階段電池技術(shù)無(wú)法取得大突破的

30、前提下，開展純電動(dòng)汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及輕 量化的研究是純電動(dòng)汽車發(fā)展的重要方向。車身作為整車的系統(tǒng)性承載部件，既要滿足各種功能要求，也要滿足各種性 能要求?；谲嚿硇阅艿脑O(shè)計(jì)就是指以滿足車身各項(xiàng)性能指標(biāo) 為核心的設(shè)計(jì)手段。 汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)主要包括概念設(shè)計(jì)和詳細(xì)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段4，其中概念設(shè)計(jì) 是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的前期階段， 任務(wù)是為詳細(xì)設(shè)計(jì)提供可行方案。概念設(shè)計(jì)占據(jù)了車身開發(fā)周期約 70%的時(shí)間，車身的基本 結(jié)構(gòu)及主要性能都取決于概念設(shè)計(jì)的結(jié) 果。因此車身概念設(shè)計(jì)也是車身結(jié)構(gòu)開發(fā)的核心階段，這個(gè)階段的主要任務(wù)就是 獲得合理的車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，滿足安全、剛度、NVH、輕量化和工藝等性能的需求， 一旦留下

31、設(shè)計(jì)缺陷在后續(xù)的流程中將難以彌補(bǔ)。另一方面，由于概念設(shè)計(jì)的信息 不確定程度高，導(dǎo)致設(shè)計(jì)修改頻繁、效率低、周期長(zhǎng)。 因此研究易于修改和計(jì)算 的車身概念設(shè)計(jì)模型和設(shè)計(jì)方法就至關(guān)重要5。由于微型純電動(dòng)車小型化、輕量化的特點(diǎn)，微型純電動(dòng)車身開發(fā)設(shè)計(jì)方法必 然會(huì)與傳統(tǒng)汽車車身存在一定差異，所以有必要對(duì)以車身性能驅(qū)動(dòng)的微型電動(dòng)車 車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化方法以及應(yīng)用進(jìn)行研究，在滿足車身性能的前提下實(shí)現(xiàn)車 身小型化和輕量化。1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀目前純電動(dòng)汽車在整車概念規(guī)劃階段就體現(xiàn)出與傳統(tǒng)汽車的差別，小型化、 輕量化是純電動(dòng)汽車的發(fā)展趨勢(shì)，面向日常代步的純電動(dòng)汽車的整車尺寸比燃油 汽車更小巧，座位數(shù)也更少。純

32、電動(dòng)汽車在概念規(guī)劃階段上的新特點(diǎn)，也將反映 到電動(dòng)汽車身結(jié)構(gòu)的概念設(shè)計(jì)上。首先，更輕的整車質(zhì)量和更小的整車尺寸必將 要求更輕和更小的白車身結(jié)構(gòu)；其次，電池包的重量將導(dǎo)致純電動(dòng)汽車在整車質(zhì) 量載荷上與傳統(tǒng)汽車有所區(qū)別，所以同級(jí)別的傳統(tǒng)車型車身結(jié)構(gòu)參考價(jià)值有限； 最后，由于缺少純電動(dòng)車開發(fā)數(shù)據(jù)和相關(guān)知識(shí)的積累、同類參考車型稀缺的情況 下，設(shè)計(jì)人員必須在參考傳統(tǒng)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方法的同時(shí)，還要研究純電動(dòng)車車 身獨(dú)特的性能需求，從而進(jìn)行純電動(dòng)汽車的進(jìn)行正向開發(fā)。我國(guó)除了對(duì)純電動(dòng)汽車的電機(jī)、電控、電池三大部分比較重視外， 也逐步認(rèn) 識(shí)到車身輕量化工作的重要性，加大了支持鼓勵(lì)力度。德國(guó)為了實(shí)現(xiàn) 2020 年

33、電動(dòng)汽車保有量 100 萬(wàn)輛的目標(biāo)，于 2010 年成立了“電動(dòng)汽車國(guó)家平臺(tái)”，并計(jì)劃在電動(dòng)汽車的研究和開發(fā)領(lǐng)域投資 170 億歐元，其中輕型化車身技術(shù)被列為“燈塔項(xiàng) 目”的核心內(nèi)容。除了國(guó)家層面的支持，國(guó)內(nèi)外電動(dòng)車企業(yè)也十分重視電動(dòng)汽車的 輕量化工作，已經(jīng)開始將車身輕量化技術(shù)應(yīng)用到相應(yīng)的產(chǎn)品上，并不斷改進(jìn)車身 結(jié)構(gòu)、采用新材料等。意大利菲亞特公司開發(fā)的 Phylla 車型采用了鋁合金框架和 生物降解塑料車身；寶馬公司的“超大城市”電動(dòng)汽車采用碳纖維車身，相比原鋼 質(zhì)車身減重 50%，并將于 2013 年上市；國(guó)內(nèi)的比亞迪電動(dòng)大巴采用全鋁車身， 相比原鋼質(zhì)車身減重 40%，目前已經(jīng)在長(zhǎng)沙下線。

34、在車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)和輕量化設(shè)計(jì)方面， 國(guó)內(nèi)外企業(yè)和學(xué)者進(jìn)行了大量的研 究，徐濤，左文杰6 等利用 Timosheno 梁?jiǎn)卧?、Mindlin 四邊形板單元和接頭單元 構(gòu)建了適用于車身概念設(shè)計(jì)的框架結(jié)構(gòu)參數(shù)化模型，以梁?jiǎn)卧?、板單元截面幾?參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后車身剛度提高，質(zhì)量減輕；Suh7 等采用超單元縮減方法將單元?jiǎng)澐值脑敿?xì)接頭，縮減為一個(gè)超單元 矩陣，并與梁?jiǎn)卧晒Υ罱ǔ龊?jiǎn)化的概念車身框架結(jié)構(gòu)； 楊蔚， 胡朝輝8 等在車 身概念設(shè)計(jì)階段，針對(duì)某款微型車，建立車身的整體空間結(jié)構(gòu)，通過(guò)采用整體拓 撲優(yōu)化技術(shù)以車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度作為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)車身整體空間結(jié)

35、構(gòu)進(jìn)行 優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了車身最優(yōu)的承載骨架結(jié)構(gòu)，為車身的詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的輕量化設(shè) 計(jì)提供大量了指導(dǎo)建議；Sobieszezanski-Sobieski J. 等9 同時(shí)考慮靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度、 彎曲剛度、低階扭轉(zhuǎn)、彎曲模態(tài)和車身頂蓋抗壓強(qiáng)度，按不同學(xué)科建立響應(yīng)模型 的近似模型，并進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后車身減輕 15kg，并且車身的性能得到顯 著提高； Kodiyalam S. 和 Yang R.J.10,11 等綜合考慮汽車 NVH 性能、頂蓋抗壓、 100%正碰、50%偏置碰、側(cè)碰等 多工況利用高性能計(jì)算機(jī)群進(jìn)行多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)， 采用基于靈敏度分析的近似響應(yīng)方法構(gòu)建汽車 NVH 響應(yīng)近似模型，利用

36、Kriging 近似模型構(gòu)建汽車碰撞響應(yīng)近似模型，最后利用序列二次規(guī)劃法進(jìn)行求解。近年來(lái)企業(yè)與各大高校在純電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)及輕量化方面投入了大 量的研究工作，取得了一定的成果。2008 年同濟(jì)大學(xué)的高云凱，邵力行12 等針對(duì) 某款非承載式車身的純電動(dòng)車開發(fā)，首先根據(jù)車身的造型及整體尺寸信息建立車 身的拓?fù)鋬?yōu)化空間，綜合考慮了車身 7 中加載工況對(duì)車身進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，確 定車身骨架結(jié)構(gòu)的空間布置，以梁截面尺寸參數(shù)為變量進(jìn)行了車身輕量化設(shè)計(jì)， 然后對(duì)車身骨架進(jìn)行了試制以及車身碰撞性能進(jìn)行了仿真分析；2009 年同濟(jì)大學(xué) 的丁利13為了對(duì)某款小型電動(dòng)車進(jìn)行輕量化，將車身分成上車體和 下車體，

37、在車 身剛度強(qiáng)度性能的約束下，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，對(duì)車身的上車體和下車體分別進(jìn) 行優(yōu)化設(shè)計(jì)，然后對(duì) 2 種設(shè)計(jì)模型進(jìn)行分析對(duì)比，為車身結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)和改進(jìn) 提供了有效建議；2010 年扶原放14 等人以車身多工況權(quán)重剛度最大化為優(yōu)化目 標(biāo)，以體積比、節(jié)點(diǎn)位移及一階頻率為約束條件，建立了微型電動(dòng)車身結(jié)構(gòu)多剛 度拓?fù)鋬?yōu)化模型。采用線性加權(quán)方法將多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題， 最終得到了滿足性能要求的車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；徐曉瑜15以某電動(dòng)低速汽車為例，運(yùn) 用拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)，并結(jié)合實(shí)心梁-空心管梁等效材料法和可制造性原則對(duì)車 身進(jìn)行 詳細(xì)設(shè)計(jì)，得到了更優(yōu)的車身結(jié)構(gòu) ；2013 年湖南大學(xué)的謝倫杰、張維剛1

38、6 等基于 帶懲罰的實(shí)體各向同性材料（SIMP）理論，采用折衷規(guī)劃法綜合考慮電動(dòng)車動(dòng)靜 態(tài)特性，采用優(yōu)化準(zhǔn)則法進(jìn)行優(yōu)化求解，對(duì)電動(dòng)車車身進(jìn)行了多工況拓?fù)鋬?yōu)化， 最終得到了同時(shí)滿足車身剛度和模態(tài)要求的電動(dòng)車車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)；2014 年湖南大 學(xué)的郭營(yíng)峰17采用復(fù)合材料 HDPE 應(yīng)用于微型純電動(dòng)車的輕量化設(shè)計(jì)中，研究了 車身一次成型設(shè)計(jì)及制造工藝，通過(guò)滾塑成型實(shí)驗(yàn)，得到了滿足設(shè)計(jì)要求的輕量 化車身。1.3 本文的主要研究?jī)?nèi)容本文針對(duì)純電動(dòng)車小型化、輕量化的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)純電動(dòng)車車身輕量化設(shè)計(jì) 開進(jìn)行研究。在研究和學(xué)習(xí)傳統(tǒng)汽車車身輕量化設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則的基礎(chǔ)上的， 利用相關(guān)的設(shè)計(jì)方法和軟件工具，形成

39、了針對(duì)微型電動(dòng)車車身開發(fā)的流程。本文 章節(jié)安排如下：第一章 緒論 本章主要介紹了微型純電動(dòng)汽車發(fā)展的背景以及進(jìn)行微型電動(dòng)車車身開發(fā)設(shè)計(jì)的研究的意義。第二章 純電動(dòng)汽車車身開發(fā)設(shè)計(jì)方法及流程 本章主要介紹現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和輕量化的方法、研究基于車身性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)準(zhǔn)則、設(shè)計(jì)流程及相關(guān)設(shè)計(jì)軟件工具。形成基于性能及輕量化 驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)及開發(fā)流程。并在車身結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)之前確定了 車身的結(jié)構(gòu)形式和車身輕量化目標(biāo)，為后面的車身結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。第三章 基于性能驅(qū)動(dòng)的整車拓?fù)鋬?yōu)化研究 本章闡述了拓?fù)鋬?yōu)化的理論基礎(chǔ)和變密度法的基本原理，并對(duì)車身的動(dòng)靜態(tài)拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型進(jìn)行了研

40、究探討?；诘刃ъo載荷法對(duì)將碰撞等非線性動(dòng)態(tài) 問(wèn)題轉(zhuǎn)化為線性靜載荷問(wèn)題，對(duì)車身進(jìn)行考慮多種碰撞工況、頂壓、多種剛度工 況等的多學(xué)科拓?fù)鋬?yōu)化，并輸出結(jié)果。第四章 基于性能驅(qū)動(dòng)的純電動(dòng)車車身截面優(yōu)化 本章主要在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果的基礎(chǔ)上對(duì)模型進(jìn)行適當(dāng)修正 ，建立了電動(dòng)車車身結(jié)構(gòu)的幾何線框模型，根據(jù)幾何線框模型的幾何特征，進(jìn)而建立了車身梁?jiǎn)卧獏?數(shù)化模型。通過(guò)研究常用白車身截面參數(shù)化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法對(duì)電動(dòng)車車身薄壁矩形 截面的幾何尺寸進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，在滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下達(dá)到性能最優(yōu)。然后對(duì) 優(yōu)化后的模型進(jìn)行詳細(xì)有限元建模，并對(duì)車身的剛度、模態(tài)及輕量化水平進(jìn)行分 析。第六章 基于耐撞性能驅(qū)動(dòng)的前保險(xiǎn)杠優(yōu)化設(shè)計(jì)

41、本章主要是針對(duì)根據(jù)鋁型材可擠壓成型特點(diǎn)，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)的擠壓約束功能，基于車身性能驅(qū)動(dòng)的對(duì)車身的前保險(xiǎn)杠梁截面進(jìn)行設(shè)計(jì)。由于單元數(shù)量較 大，導(dǎo)致計(jì)算成本較高。本文通過(guò)使用超單元形成縮減矩陣，然后運(yùn)用直接矩陣 輸入方法可以極大降低計(jì)算成本。最后根據(jù)優(yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的新的保險(xiǎn)桿橫梁結(jié)構(gòu)， 對(duì)三種保險(xiǎn)杠結(jié)構(gòu)進(jìn)行擺錘碰撞仿真分析對(duì)比。第 2 章 純電動(dòng)車車身設(shè)計(jì)方法及流程本章主要介紹現(xiàn)代汽車車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化和輕量化的方法、研究基于車身性 能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)準(zhǔn)則及設(shè)計(jì)流程，學(xué)習(xí)相關(guān)軟件工具。 形成基于性能及輕量化 驅(qū)動(dòng)的微型純電動(dòng)汽車車身設(shè)計(jì)及開發(fā)流程。并在車身結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)之前確定車 身的結(jié)構(gòu)形式和車身輕量

42、化目標(biāo)，為后面的車身結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)奠定基礎(chǔ)。2.1 車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化及輕量化方法研究2.1.1 基于有限元的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法有限元分析法是一種高效能、常用的數(shù)值計(jì)算方法，通過(guò)數(shù)學(xué)近似方法對(duì)真 實(shí)的物理系統(tǒng)進(jìn)行模擬，從而達(dá)到解決工程實(shí)際問(wèn)題的目的。20 世紀(jì) 60 年代，有限元分析方法就開始應(yīng)用與汽車結(jié)構(gòu)開發(fā)設(shè)計(jì)，并在 20世界 80 年代得到普及。早期的有限元分析主要應(yīng)用于汽車模態(tài)或剛度、強(qiáng)度等線 性分析，在汽車結(jié)構(gòu)輕量化方面也主要采用減板厚的方法。工程中遇到問(wèn)題時(shí)， 有限元分析的每一步計(jì)算過(guò)程都是通過(guò)計(jì)算矩陣的形式進(jìn)行的，也就是說(shuō)，有限 元分析的方法就是將現(xiàn)實(shí)中遇到的工程問(wèn)題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)問(wèn)題。在

43、使用有限元分析 方法解決大型復(fù)雜的工程力學(xué)問(wèn)題時(shí)，需要設(shè)置的條件很多，整個(gè)計(jì)算時(shí)間也很 長(zhǎng)，這就對(duì)有限元分析軟件和計(jì)算機(jī)硬件提出了很高的要求。 近年來(lái)，得益于計(jì) 算機(jī)技術(shù)的高速發(fā)展和數(shù)值優(yōu)化算法的深入研究， 結(jié)構(gòu)分析和優(yōu)化技術(shù)逐漸在汽 車的各個(gè)設(shè)計(jì)階段得到應(yīng)用。以有限元為基礎(chǔ)的汽車結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計(jì)，避 免了汽車開發(fā)設(shè)計(jì)的盲目性，降低了汽車設(shè)計(jì)開發(fā)的成本，縮短了整車開發(fā)周期， 減輕了汽車重量；以有限元為基礎(chǔ)的汽車結(jié)構(gòu)分析和輕量化設(shè)計(jì)已經(jīng)逐漸成為一 種面向汽車設(shè)計(jì)開發(fā)全周期的分析方法18。隨著新材料新工藝的迅速發(fā)展，各種高強(qiáng)度和輕質(zhì)的材料開始在汽車上廣泛 應(yīng)用，而對(duì)于新材料替代后的輕量化車身的

44、結(jié)構(gòu)性能分析和評(píng)價(jià)，有限元分析方 法具有很大優(yōu)勢(shì)。2.1.2 基于結(jié)構(gòu)優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方法結(jié)構(gòu)優(yōu)化是在給定約束的條件下，按照某種目標(biāo)（如重量最輕、剛度最大等） 求解出最好的設(shè)計(jì)方案，結(jié)構(gòu)優(yōu)化根據(jù)設(shè)計(jì)變量類型的不同可劃分為 3 個(gè)層次： 尺寸優(yōu)化、形貌優(yōu)化和拓?fù)鋬?yōu)化。這些優(yōu)化方法被廣泛應(yīng)用于汽車產(chǎn)品開發(fā)的各 個(gè)階段。尺寸優(yōu)化(Sizing Optimization) 是在給定結(jié)構(gòu)的類型、材料和拓?fù)洳季值那闆r下，通過(guò)具體的優(yōu)化算法，確定結(jié)構(gòu)，如板的厚度、梁和桿的截面幾何參數(shù)、彈 簧的剛度和應(yīng)力系數(shù)等屬性，以使結(jié)構(gòu)重量、體積或造價(jià)最小。尺寸優(yōu)化19-20 是 結(jié)構(gòu)優(yōu)化中最基本、最成熟的優(yōu)化方法，在

45、各種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過(guò)程中已經(jīng)得到廣泛應(yīng) 用。采用基于有限元仿真模型時(shí)，常常利用常規(guī)單元的幾何變量(例如桿、梁等單 元的截面尺寸參數(shù))作為設(shè)計(jì)變量，如圖 2.1 所示的梁?jiǎn)卧孛?，DIM1、DIM2、 DIM3、DIM4 為截面形狀的四個(gè)幾何尺寸參數(shù)。在 Optistruct 求解器中，可以通 過(guò)優(yōu)化該截面的四個(gè)幾何尺寸參數(shù)，確定梁?jiǎn)卧孛嫘螤?2。因此，在應(yīng)用尺寸 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法優(yōu)化單元的屬性時(shí)，既沒有改變單元的形狀，也沒有改變結(jié)構(gòu)之間 的拓?fù)潢P(guān)系，所以，在優(yōu)化結(jié)束以后，可以直接利用優(yōu)化結(jié)果來(lái)更新單元屬性， 便可以得到新的模型，而不需要重新進(jìn)行劃分網(wǎng)格，極大縮短優(yōu)化設(shè)計(jì)周期。圖 2.1 梁截面的尺寸參

46、數(shù)表示方法形狀優(yōu)化(Shape Optimization) 形狀優(yōu)化設(shè)計(jì)主要是研究保持結(jié)構(gòu)拓?fù)潢P(guān)系 不變的前提下，通過(guò) 修改模型的某些形狀參數(shù)（幾何形狀特征），達(dá)到改變模型的 力學(xué)性能，以滿足某些具體要求（如應(yīng)力、位移）在實(shí)體結(jié)構(gòu)中則表現(xiàn)為優(yōu)化結(jié) 構(gòu)的邊界形狀。在有限元中，形狀是通過(guò)節(jié)點(diǎn)的位置確定，因此有限元中主要是 通過(guò)修改網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的位置來(lái)達(dá)到改變結(jié)構(gòu)的形狀23-26。拓?fù)鋬?yōu)化（Topology Optimization）是一種通過(guò)改變結(jié)構(gòu)的拓?fù)潢P(guān)系，從而重 新定義材料在零件上的分配，使得新設(shè)計(jì)的零件滿足某種（或多種）性能指標(biāo)的 優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化的主要思想就是：將尋找結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯?wèn)題

47、，轉(zhuǎn)化為 在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)，尋求最佳材料分配問(wèn)題。 拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在未來(lái)將成為現(xiàn)代 企業(yè)數(shù)字化、信息化設(shè)計(jì)和制造的強(qiáng)有力工具27-29。隨著結(jié)構(gòu)分析能力和手段的不斷完善，以及現(xiàn)代優(yōu)化設(shè)計(jì)理論的不斷發(fā)展， 汽車結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)的研究范圍已從單一準(zhǔn)則減重優(yōu)化，發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)強(qiáng) 度、剛度、耐撞性、NVH 性能和耐久性優(yōu)化在內(nèi)的多學(xué)科和多目標(biāo)優(yōu)化。需要建 立包含多個(gè)目標(biāo)設(shè)計(jì)函數(shù)，并合理分配各目標(biāo)之間的權(quán)重，確定優(yōu)化設(shè)計(jì)條件的 約束條件和設(shè)計(jì)變量，并通過(guò)多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法求解，得到同時(shí)滿足多個(gè)性能 目標(biāo)要求的優(yōu)化求解方案。常用的多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法主要有：線性目標(biāo)規(guī)劃法、 分層求解法、響應(yīng)面法、模糊優(yōu)化

48、方法、遺傳算法和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法等30-32。由于汽車零部件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，在很多情況下，難以用解析法表達(dá)式來(lái)描述其優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)。為了解決這一問(wèn)題，一些多目標(biāo)、多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)商用軟件也相繼 推出，如 iSight 和 Optimus 等，以這些這些多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件為核心，綜合調(diào) 用性能分析軟件的相關(guān)模塊和功能，如 Hyperworks/Optistruct 尺寸優(yōu)化、拓?fù)鋬?yōu) 化和形貌優(yōu)化功能，ADAMS 多體動(dòng)力學(xué)分析功能，Ls-dyna 結(jié)構(gòu)非線性和碰撞性 能分析軟件，NASTRAN 或 ANSYS 結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度和振動(dòng)特性分析軟件，Virtual lab 或 VA one NVH 分析軟件，nCo

49、de 和 Fatigue 結(jié)構(gòu)耐久性分析軟件等，即可實(shí) 現(xiàn)對(duì)汽車結(jié)構(gòu)和零部件進(jìn)行多學(xué)科、多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)33-35。綜上所述，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化技術(shù)已經(jīng)取得顯著進(jìn)步并且日趨完善。在車 身設(shè)計(jì)過(guò)程中，就車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化而言，已經(jīng)從傳統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)的僅限于基于剛度、 強(qiáng)度或模態(tài)的單一準(zhǔn)則，發(fā)展到考慮結(jié)構(gòu)耐撞性優(yōu)化在內(nèi)的多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)；已 從對(duì)單一零部件的分析和優(yōu)化，發(fā)展到對(duì)白車身乃至整車進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。2.1.3 應(yīng)用新材料和新工藝的汽車輕量化設(shè)計(jì)方法在保證結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理的基礎(chǔ)上，通過(guò)材料替換來(lái)實(shí)現(xiàn)輕量化是對(duì)車身輕量化 的重要手段。目前，選用輕量化的車身材料主要包括以下幾類：1）高強(qiáng)度鋼在車身輕量化中的應(yīng)用。

50、為了達(dá)到汽車輕量化、 安全化的目的， 國(guó)際鋼鐵協(xié)會(huì)的汽車輕量化項(xiàng)目于1994 年開始，到 2002 年超輕概念車（ULSAB-AVC）項(xiàng)目結(jié)束。項(xiàng)目取得了顯著 的成果，整車減輕質(zhì)量 25%，車身zk靜q 態(tài)2扭01轉(zhuǎn)51剛22度2提高了 80%，靜態(tài)彎曲剛度提高了 52%，汽車安全等級(jí)達(dá)到了歐洲 NCAP 五星碰撞標(biāo)準(zhǔn)。其重要原因是采用了大 量高強(qiáng)度鋼板。圖 2.2 為 ULSAB-AVC 白車身（BIW）的用材比例圖 2.2 ULSAB-AVC 白車身（BIW） 的用材比例2）鋁合金和鎂合金在車身輕量化中的應(yīng)用。鋁合金的比重輕（2.7g/cm3 ），僅為鋼鐵 材料的 1/3，具有良好的工藝性

51、能、 防腐性能、減震性、易回收等優(yōu)點(diǎn)。鎂的密度為 1.7g/cm3 ，是最輕的金屬結(jié)構(gòu)材 料。鎂鋁合金代替某些鋼鐵材料，可有效地減輕汽車的重量。同時(shí)鎂鋁都是綠色 環(huán)保材料，可循環(huán)利用。鋁合金在汽車中應(yīng)用的形式有鑄造鋁合金、擠壓鋁合金、半固態(tài)擠壓鑄造鋁 合金以及鋁合金板材。由于鋁合金擠壓件的工藝方便，截面形狀可設(shè)計(jì)性強(qiáng)，在 合理的截面設(shè)計(jì)下，具有很高的沖擊、吸能特性，因此，目前在汽車上應(yīng)用越來(lái) 越多。湖南晟通集團(tuán)汽車工程研究院研制全鋁車身 12m 公交車如圖 2.3 所示，采用了 “板梁式”與“型材式”相結(jié)合的結(jié)構(gòu)形式，在達(dá)到與鋼制車身一樣強(qiáng)度的前提 下，其車身質(zhì)量減少了 50%，整備質(zhì)量減少

52、30%，滿載質(zhì)量減少了 20%，其節(jié)能 效果明顯，達(dá)到了國(guó)內(nèi)外先進(jìn)技術(shù)水平。圖 2.3 湖南晟通集團(tuán)全鋁公交車車身3）碳纖維復(fù)合材料在汽車輕量化上的應(yīng)用。碳纖維的密度要比鋼材低 4 倍左 右，而強(qiáng)度和硬度都是鋼材的兩倍。雖然它很堅(jiān)韌，但有受力向度的問(wèn)題，即整 體中的某些部位不太能受力，根據(jù)其材料的特點(diǎn)必將車身設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)， 這種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可以營(yíng)造極輕量的車身重量，但同時(shí)會(huì)有較大的發(fā)動(dòng)機(jī)振蕩傳入車 廂，其材料價(jià)格昂貴，手工張貼工藝效率低，報(bào)廢期后碳纖維無(wú)法回收利用。主 要用于批量少的高端乘用車上。如蘭博基尼、法拉利等車上。玻璃鋼材料與碳纖維一樣，呈纖維布的形狀，其制z作k工q藝2大01都5

53、1采22用2手工張貼制作工藝，它集合了碳纖維所有的缺點(diǎn)，車身結(jié)構(gòu)只能設(shè)計(jì)成一體式整體結(jié)構(gòu)，由于其強(qiáng)度遠(yuǎn)低于碳纖維，一般只用汽車的零部件、外蒙皮等附件上。大客車的前后圍蒙皮常用玻璃鋼 來(lái)制作，是因?yàn)榭蛙嚠a(chǎn)量少，蒙皮面積又大，不宜開模，只能適應(yīng)玻璃鋼的手工 工藝。一種輕量化材料結(jié)合輕量化結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)方案，需要一種優(yōu)良的制造工藝來(lái)保 證其完善實(shí)施。也就是說(shuō)一種輕量化材料要通過(guò)一種優(yōu)良的制造工藝來(lái)實(shí)現(xiàn)一種 輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。因此制造工藝在汽車輕量化中也很重要2.2 基于性能驅(qū)動(dòng)的白車身設(shè)計(jì)方法及流程車身作為整車中主要的系統(tǒng)性承載部件，既要滿足各種功能要求又要滿足各 種性能要求36。車身性能設(shè)計(jì)是指以滿足車

54、身各項(xiàng)性能指標(biāo)為核心的設(shè)計(jì)手段。 車身性能設(shè)計(jì)主要包括：車身剛度性能、車身 NVH 性能、車身碰撞安全性能、 車身疲勞強(qiáng)度性能，如圖 2.4 所示。圖 2.4 基于車身性能設(shè)計(jì)車身性能開發(fā)流程已成為整車開發(fā)流程的重要組成部分，幾乎貫穿于整車開 發(fā)的始終 。 通 過(guò) 在 車 身 開 發(fā) 對(duì) 性 能 的 嚴(yán) 格 控 制 ， 保 證 車 身 各 項(xiàng) 性 能 指 標(biāo)達(dá)到設(shè)計(jì)要求。2.2.1 基于剛度性能驅(qū)動(dòng)的車身設(shè)計(jì)車身剛度是指某個(gè)結(jié)構(gòu)抵抗形變的能力，對(duì)于小變形的車身零件， 其變形形 式可以認(rèn)為是線性的37。車身在行駛過(guò)程中，經(jīng)常會(huì)受到路面帶來(lái)的彎曲、扭轉(zhuǎn)變形。因此車身抗彎剛度和抗扭剛度很大程度上決定

55、著車身品質(zhì)，良好的剛度設(shè)zkq20151222計(jì)對(duì)提升車身結(jié)構(gòu)性能有著很大意義。車身剛度不足，會(huì)帶來(lái)車門關(guān)不上、風(fēng)窗開裂等問(wèn)題，甚至?xí)绊懙桨惭b在車身上的總成定位問(wèn)題，從而影響到零部件的 性能，能帶來(lái)異響等 NVH 問(wèn)題。車身剛度主要受到以下因素影響：（1）車身的空間拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。車身的空間拓 撲結(jié)構(gòu)是否合理對(duì)車身剛度有直接影響，而且車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)一旦存在缺陷，后期 設(shè)計(jì)很難去彌補(bǔ)，而且設(shè)計(jì)成本也會(huì)極大提高。因此，在概念設(shè)計(jì)初期就將性能 驅(qū)動(dòng)理念其中，對(duì)確定合理的車身拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)具有重要意義。（ 2）車身結(jié)構(gòu)的截面。 與剛度相關(guān)的截面特性主要包括截面的抗彎慣性矩、抗扭慣性矩等。截面的形狀、 尺寸、開口或

56、閉口以及材料面積，對(duì)車身截面的力學(xué)特性參數(shù)都有重要影響。（ 3） 車身構(gòu)件的材料。現(xiàn)在車身材料主要包括鋼材、鋁合金和碳纖維等。車身剛度包括彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度。汽車行駛過(guò)程中既有彎曲載荷又有扭轉(zhuǎn) 載荷，所以白車身具有足夠的彎曲及扭轉(zhuǎn)靜剛度是最基本的要求。故在白車身的 設(shè)計(jì)開發(fā)過(guò)程中，一般比較關(guān)注其彎曲剛度以及扭轉(zhuǎn)剛度。（1）白車身的彎曲剛度圖 2.5 白車身彎曲剛度示意圖白車身的彎曲剛度表征車身結(jié)構(gòu)抵抗車身垂直載荷導(dǎo)致的變形的能力。 一般 白車身可以簡(jiǎn)化為具有均勻彎曲剛度的簡(jiǎn)支梁，如圖 2.5 所示。通過(guò)在座椅安裝 處施加載荷與車身門檻梁的最大變形量的比值來(lái)表示彎曲剛度，計(jì)算公式：wK = F zm a（2.1）其中， Kw 為車身的彎曲剛度，F(xiàn) 為所施加的載荷， zmax 為門檻梁最大變形量。（2）白