摘要：汽车轻量化是在保证汽车安全性能前提下，降低汽车的整备质量，从而提高汽车的动力性，实现节能减排的目的。尤其是“碳达峰”和“碳中和”被提出后，对汽车节能减排的需求更为迫切。对于燃油车，汽车质量每减少10%，汽车燃油效率将会增加6%-8%；而新能源汽车每减重10%，续航里程可提升5%-6%，由此可见，无论是在提高汽车性能，还是在实现汽车节能、降耗、增加续航里程方面，轻量化都是汽车的重要技术路径之一。

关键词：概念设计；车身下车体结构；轻量化

引言

汽车车身质量在整个汽车的总质量中占比约40%～ 50%。从汽车外形来看，汽车的车身在面积上基本覆盖了整个汽车。因为汽车车身无论是在质量方面还是在汽车覆盖面积方面都分别占据了整个汽车质量和面积的绝大部分。所以在汽车研发过程对车身的研发会需要很多投入，而车身生产过程中也会耗费大量能源，因此在汽车车身生产技术的传承的基础上，车身技术发展需要加快新技术突破。

1结构轻量化的技术路径

结构优化技术是指在原经验设计的基础上，利用计算机辅助工程的方法，对材料的承载状态、工艺特性进行仿真，进一步指导对原结构的设计优化，主要包括拓扑优化、尺寸优化、形状优化、形貌优化等。引入CAE仿真方法，对零部件及整车进行结构优化，可明显提高车辆的轻量化设计水平。整车开发流程中一般会对初始设计进行多轮的结构优化。拓扑优化是在零部件概念设计阶段，基于零部件的主要载荷状态，使材料在设计空间内进行优化分布，以获得最优的拓扑结构。尺寸优化及形状优化是在拓扑优化的基础上，进一步调整局部的材料分布、形状、形貌等详细设计，以获得最终的结构方案。

2概念设计的车身下车体结构轻量化分析

2.1拓扑优化

根据车身CAS面，在ANSA中包裹出车身的拓扑优化空间。在考虑弯扭刚度及碰撞等工况下，对车身进行拓扑优化，寻找车身载荷传递路径；再结合拓扑路径，建立初版车身结构及下车体横纵梁等布置方案，根据布置方案，建立有限元模型，再对有限元模型进行参数化，最后结合多学科优化技术对参数化车身进行优化，寻找满足车身性能的前提下合适的车身结构及布置。载荷传递路径分析利用拓扑优化技术，以总布置等信息为输入条件，建立此款MPV车型车身的拓扑优化空间，后续根据拓扑结果进行路径解读，将确定下车体横纵梁位置后，进行有限元建模，根据有限元模型进行参数化建模。

2.2冲压及压铸技术

车身覆盖件多数由内外板组成，外板通常为A面，对表面质量要求高，目前由于冲压技术的相对成熟、冲压设备的完善和模具生产设备的完善，所以车身覆盖件成形工艺最多的仍然是冲压成形。为了优化冲压产品的减薄率情况以及表面起皱情况，主要集中在对冲压成形工艺参数、回弹方面进行研究。将正交试验和神经网络引入汽车行李箱盖冲压成形过程中，神经网络对冲压参数进行学习和遗传算法优化，获得了提高冲压成形产品质量的多参数组合结果。针对U形较薄产品进行冲压成形回弹控制，确定了影响回弹的主要因素，同时对这些因素进行控制，最终降低了回弹。冲压仿真过程主要还是集中在对压边力、摩擦系数、冲压速度、冲压深度和拉延筋布局方面的调整，通过正交试验和神经网络优化算法以达到降低起皱和优化减薄率的目的。

2.3参数化建模

在拓扑优化结构基础上，根据总布置、造型、底盘、动力、内外饰等区域的输入，综合考虑 平衡各区域要求，布置下车体结构。根据解读出来的下车体模型建立线框模型，线框模型主要描述了下车体横纵梁位置、截面大小及厚度等信息，需要在此基础上建立完整的CAD模型，对CAD 模型进行有限元化，再将有限元化的下车体进行参数化建模，参数化建模后即可对下车体横纵梁位置、界面大小、厚度等进行变量录取，根据录取的变量进行优化设计。

2.4成形技术

车身覆盖件成形工艺是降低生产节拍、减少人工成本、减少原材料浪费、减少模具使用套数、提高产品质量和实现轻量化目标的关键技术之一。虽然冲压技术比较成熟，但是冲压技术存在工序繁琐、模具套数较多、材料利用率相对不够高的缺点。冲压技术围绕研究压边力、摩擦因数、冲压速度相关工艺参数，采用正交试验或者传统神经网络结合的遗传算法以及其它多目标优化算法，获取工艺参数之间的最优组合来达到优化产品质量的目的。冲压过程不仅涉及提升产品质量，同时应该从模具方面入手，对模具成本进行控制，可采用拓扑优化手段对模具进行轻量化优化，研究低成本模具材料，可将部分强度较高的塑料引入制造受力较小的模具。

2.5调节片环结构拓扑优化流程

为了充分发挥结构的优化潜力，本文采用基于固体各向同性材料惩罚（SIMP）模型插值的变密度法拓扑优化其薄壁的几何布局。SIMP方法因其具有建模简单、求解方便、通用性及可移植性强等优点，仍然是目前最为主流、最具影响力的方法。惩罚因子取值越大，惩罚效果越好，函数值越发向0和1靠拢，中间密度的单元越少。但是随着惩罚因子的增大，越来越多的单元向0靠近，使得数学模型的矩阵更容易奇异，不利于后续收敛与迭代计算，不符合实际工程要求，所以惩罚因子也不宜过大。综合考虑，惩罚因子取值为3。

结束语

汽车轻量化技术涉及结构、材料、制造等多个环节。在汽车开发过程中，结构和制造工艺的优化已日趋成熟，进一步优化需大幅提升技术和工艺，导致成本的增加和研发周期的延长；新材料的应用成为汽车轻量化的有效技术路线，汽车整车厂、零部件厂及相关材料生产企业加大了研发和推广的力度。

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