白车身扭转刚度分析及优化
郑孟+李阳+郝海舟+张健
摘要： 为提高某量产车型白车身（Body in White，BIW）扭转刚度，提出一种基于灵敏度分析的BIW刚度优化方法.深入阐述灵敏度分析原理和车身刚度优化策略，分析该车型车身开发中的37个低成本横向构件的料厚变化对BIW扭转刚度的影响.通过对BIW有限元模型的计算和分析，验证优化策略并对比优化前后的BIW扭转刚度性能.结果表明该方法以较低成本就可达到车身扭转刚度的较大提高.
关键词： 汽车； 白车身； 扭转刚度； 灵敏度优化； 模态； 1阶扭转
中图分类号： U461.7；U461.91文献标志码： B
Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.
Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion
0引言
现代轿车普遍采用承载式车身设计，车身直接承受路面载荷和多工况载荷输入.白车身（Body in White，BIW）扭转刚度是承载式车身的重要力学性能指标[1]，同时也是衡量车身轻量化水平的重要指标.在节约成本的约束下，如何提高BIW整车扭转刚度并兼顾车身轻量化要求，需要选择最佳优化对象和优化策略.车身轻量化设计不仅是单纯的车身质量减轻，而是车身质量与车身力学性能之间的平衡和取舍，其目标是以较小的质量代价获得较大程度的车身力学性能提升.
随着有限元分析技术的发展和提高，各种计算机辅助分析软件为汽车仿真提供更好的平台.[25]本文利用HyperWorks软件的灵敏度分析方法，提出一种基于灵敏度分析的车身扭转刚度优化策略.对以刚度为约束条件的BIW优化分析，通常以减小或增加板件的厚度来实现.[6]以某量产车型为基础车型，结合该车型车身开发中的37个横向构件（相对小成本件），对其料厚变化引起的车身扭转刚度影响进行分析和研究，以不牺牲其碰撞安全性和低变更设计成本为约束，提升车身扭转刚度并实现车身轻量化因数优化，最后通过BIW有限元模型对优化结果予以验证.
1结构灵敏度分析方法
在结构优化设计中，灵敏度分析越来越受重视.通过结构灵敏度分析可以准确计算各设计变量的扰动对系统响应的影响，进而在产品设计和制造中严格控制对结构响应影响较大的组件或变量.
承载式车身多为冲压件焊接而成.某量产三厢轿车车型的BIW主要由300多个冲压件焊接而成，其整体扭转刚度与每个零部件的材料、料厚、断面形式、焊点分布、搭接形式和加强筋布置等有紧密联系.灵敏度分析技术可以反映结构设计变量或参数对目标或约束函数影响的变化梯度，即明确多个指定零部件对车身设定性能目标的相对灵敏度.优化模型以BIW的扭转刚度为约束条件，以BIW质量最小为优化目标，对选定的各个零部件的料厚进行优化.[7]
3结束语
提出一种基于灵敏度分析的某量产三厢轿车车型BIW扭转刚度优化方法，通过结构灵敏度分析找出对扭转刚度贡献较大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭转刚度；同时，对扭转刚度灵敏度较小且质量基数大的零部件，在不牺牲整车被动安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡优化带来的白车身质量增加.
结果表明，通过变更灵敏度分析方法筛选出关键零部件料厚，用较小的成本实现BIW扭转刚度的较大提升，同时提高BIW的动态刚度，对改善该车型的BIW静态刚度和动态刚度具有重要的现实意义.
此优化策略可进一步推广应用到车身设计开发初期，会因为受到的相对较少的限制而带来更好的白车身扭转刚度优化和白车身轻量化效果.
参考文献：
[1]赵常虎， 余海东， 郭永进. 影响轿车白车身扭转刚度的关键结构研究[J]. 机械设计， 2007， 24（8）： 6668.
[2]杨英， 赵广耀， 孟凡亮. 某轿车白车身结构灵敏度分析及优化设计[J]. 东北大学学报： 自然科学版， 2008， 29（8）： 11591163.
[3]段月磊， 毕传兴. 基于刚度和模态灵敏度分析的轿车车身轻量化研究[J]. 噪声与振动控制， 2010， 30（6）： 7982.
[4]荣安琪. 重型卡车驾驶室模态灵敏度分析与结构优化[D]. 吉林大学， 2009.
[5]陈国定， 武力. 轿车白车身结构的相对灵敏度分析[J]. 机械设计， 2007， 24（4）： 2223.
[6]王志亮， 刘波， 马莎莎， 等. 基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析[J]. 机械科学与技术， 2008， 27（8）： 10211024.
[7]叶辉， 胡平， 申国泽， 等. 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， 41（10）： 1822.
[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.
[9]罗伟，周定陆.白车身扭转刚度分析与优化[J]. 计算机辅助工程， 2006， 9： 222224.
[10]李亦文. 车身结构模型修改的问题研究[D]. 吉林大学， 2008.
摘要： 为提高某量产车型白车身（Body in White，BIW）扭转刚度，提出一种基于灵敏度分析的BIW刚度优化方法.深入阐述灵敏度分析原理和车身刚度优化策略，分析该车型车身开发中的37个低成本横向构件的料厚变化对BIW扭转刚度的影响.通过对BIW有限元模型的计算和分析，验证优化策略并对比优化前后的BIW扭转刚度性能.结果表明该方法以较低成本就可达到车身扭转刚度的较大提高.
关键词： 汽车； 白车身； 扭转刚度； 灵敏度优化； 模态； 1阶扭转
中图分类号： U461.7；U461.91文献标志码： B
Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.
Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion
0引言
现代轿车普遍采用承载式车身设计，车身直接承受路面载荷和多工况载荷输入.白车身（Body in White，BIW）扭转刚度是承载式车身的重要力学性能指标[1]，同时也是衡量车身轻量化水平的重要指标.在节约成本的约束下，如何提高BIW整车扭转刚度并兼顾车身轻量化要求，需要选择最佳优化对象和优化策略.车身轻量化设计不仅是单纯的车身质量减轻，而是车身质量与车身力学性能之间的平衡和取舍，其目标是以较小的质量代价获得较大程度的车身力学性能提升.
随着有限元分析技术的发展和提高，各种计算机辅助分析软件为汽车仿真提供更好的平台.[25]本文利用HyperWorks软件的灵敏度分析方法，提出一种基于灵敏度分析的车身扭转刚度优化策略.对以刚度为约束条件的BIW优化分析，通常以减小或增加板件的厚度来实现.[6]以某量产车型为基础车型，结合该车型车身开发中的37个横向构件（相对小成本件），对其料厚变化引起的车身扭转刚度影响进行分析和研究，以不牺牲其碰撞安全性和低变更设计成本为约束，提升车身扭转刚度并实现车身轻量化因数优化，最后通过BIW有限元模型对优化结果予以验证.
1结构灵敏度分析方法
在结构优化设计中，灵敏度分析越来越受重视.通过结构灵敏度分析可以准确计算各设计变量的扰动对系统响应的影响，进而在产品设计和制造中严格控制对结构响应影响较大的组件或变量.
承载式车身多为冲压件焊接而成.某量产三厢轿车车型的BIW主要由300多个冲压件焊接而成，其整体扭转刚度与每个零部件的材料、料厚、断面形式、焊点分布、搭接形式和加强筋布置等有紧密联系.灵敏度分析技术可以反映结构设计变量或参数对目标或约束函数影响的变化梯度，即明确多个指定零部件对车身设定性能目标的相对灵敏度.优化模型以BIW的扭转刚度为约束条件，以BIW质量最小为优化目标，对选定的各个零部件的料厚进行优化.[7]
3结束语
提出一种基于灵敏度分析的某量产三厢轿车车型BIW扭转刚度优化方法，通过结构灵敏度分析找出对扭转刚度贡献较大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭转刚度；同时，对扭转刚度灵敏度较小且质量基数大的零部件，在不牺牲整车被动安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡优化带来的白车身质量增加.
结果表明，通过变更灵敏度分析方法筛选出关键零部件料厚，用较小的成本实现BIW扭转刚度的较大提升，同时提高BIW的动态刚度，对改善该车型的BIW静态刚度和动态刚度具有重要的现实意义.
此优化策略可进一步推广应用到车身设计开发初期，会因为受到的相对较少的限制而带来更好的白车身扭转刚度优化和白车身轻量化效果.
参考文献：
[1]赵常虎， 余海东， 郭永进. 影响轿车白车身扭转刚度的关键结构研究[J]. 机械设计， 2007， 24（8）： 6668.
[2]杨英， 赵广耀， 孟凡亮. 某轿车白车身结构灵敏度分析及优化设计[J]. 东北大学学报： 自然科学版， 2008， 29（8）： 11591163.
[3]段月磊， 毕传兴. 基于刚度和模态灵敏度分析的轿车车身轻量化研究[J]. 噪声与振动控制， 2010， 30（6）： 7982.
[4]荣安琪. 重型卡车驾驶室模态灵敏度分析与结构优化[D]. 吉林大学， 2009.
[5]陈国定， 武力. 轿车白车身结构的相对灵敏度分析[J]. 机械设计， 2007， 24（4）： 2223.
[6]王志亮， 刘波， 马莎莎， 等. 基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析[J]. 机械科学与技术， 2008， 27（8）： 10211024.
[7]叶辉， 胡平， 申国泽， 等. 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， 41（10）： 1822.
[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.
[9]罗伟，周定陆.白车身扭转刚度分析与优化[J]. 计算机辅助工程， 2006， 9： 222224.
[10]李亦文. 车身结构模型修改的问题研究[D]. 吉林大学， 2008.
摘要： 为提高某量产车型白车身（Body in White，BIW）扭转刚度，提出一种基于灵敏度分析的BIW刚度优化方法.深入阐述灵敏度分析原理和车身刚度优化策略，分析该车型车身开发中的37个低成本横向构件的料厚变化对BIW扭转刚度的影响.通过对BIW有限元模型的计算和分析，验证优化策略并对比优化前后的BIW扭转刚度性能.结果表明该方法以较低成本就可达到车身扭转刚度的较大提高.
关键词： 汽车； 白车身； 扭转刚度； 灵敏度优化； 模态； 1阶扭转
中图分类号： U461.7；U461.91文献标志码： B
Abstract： To improve the torsion stiffness of the Body in White（BIW） for a mass production automobile， a BIW stiffness optimization method is proposed on the basis of sensitivity analysis. The theory of sensitivity analysis and the automotive body stiffness optimization strategy are elaborated. By changing the thicknesses of 37 low cost cross members during the automotive body development， the effect of the change on BIW torsion stiffness is analyzed. The calculation and analysis on the BIW finite element model verify the optimization strategy and the performance of BIW torsion stiffness are compared before and after optimization. The result shows that the method can greatly improve the automobile body torsion stiffness in lower cost.
Key words： automobile； body in white； torsion stiffness； sensitivity optimization； mode； firstorder torsion
0引言
现代轿车普遍采用承载式车身设计，车身直接承受路面载荷和多工况载荷输入.白车身（Body in White，BIW）扭转刚度是承载式车身的重要力学性能指标[1]，同时也是衡量车身轻量化水平的重要指标.在节约成本的约束下，如何提高BIW整车扭转刚度并兼顾车身轻量化要求，需要选择最佳优化对象和优化策略.车身轻量化设计不仅是单纯的车身质量减轻，而是车身质量与车身力学性能之间的平衡和取舍，其目标是以较小的质量代价获得较大程度的车身力学性能提升.
随着有限元分析技术的发展和提高，各种计算机辅助分析软件为汽车仿真提供更好的平台.[25]本文利用HyperWorks软件的灵敏度分析方法，提出一种基于灵敏度分析的车身扭转刚度优化策略.对以刚度为约束条件的BIW优化分析，通常以减小或增加板件的厚度来实现.[6]以某量产车型为基础车型，结合该车型车身开发中的37个横向构件（相对小成本件），对其料厚变化引起的车身扭转刚度影响进行分析和研究，以不牺牲其碰撞安全性和低变更设计成本为约束，提升车身扭转刚度并实现车身轻量化因数优化，最后通过BIW有限元模型对优化结果予以验证.
1结构灵敏度分析方法
在结构优化设计中，灵敏度分析越来越受重视.通过结构灵敏度分析可以准确计算各设计变量的扰动对系统响应的影响，进而在产品设计和制造中严格控制对结构响应影响较大的组件或变量.
承载式车身多为冲压件焊接而成.某量产三厢轿车车型的BIW主要由300多个冲压件焊接而成，其整体扭转刚度与每个零部件的材料、料厚、断面形式、焊点分布、搭接形式和加强筋布置等有紧密联系.灵敏度分析技术可以反映结构设计变量或参数对目标或约束函数影响的变化梯度，即明确多个指定零部件对车身设定性能目标的相对灵敏度.优化模型以BIW的扭转刚度为约束条件，以BIW质量最小为优化目标，对选定的各个零部件的料厚进行优化.[7]
3结束语
提出一种基于灵敏度分析的某量产三厢轿车车型BIW扭转刚度优化方法，通过结构灵敏度分析找出对扭转刚度贡献较大的零部件，增加其零件料厚，以提升其扭转刚度；同时，对扭转刚度灵敏度较小且质量基数大的零部件，在不牺牲整车被动安全性能的前提下，降低其零件料厚，以平衡优化带来的白车身质量增加.
结果表明，通过变更灵敏度分析方法筛选出关键零部件料厚，用较小的成本实现BIW扭转刚度的较大提升，同时提高BIW的动态刚度，对改善该车型的BIW静态刚度和动态刚度具有重要的现实意义.
此优化策略可进一步推广应用到车身设计开发初期，会因为受到的相对较少的限制而带来更好的白车身扭转刚度优化和白车身轻量化效果.
参考文献：
[1]赵常虎， 余海东， 郭永进. 影响轿车白车身扭转刚度的关键结构研究[J]. 机械设计， 2007， 24（8）： 6668.
[2]杨英， 赵广耀， 孟凡亮. 某轿车白车身结构灵敏度分析及优化设计[J]. 东北大学学报： 自然科学版， 2008， 29（8）： 11591163.
[3]段月磊， 毕传兴. 基于刚度和模态灵敏度分析的轿车车身轻量化研究[J]. 噪声与振动控制， 2010， 30（6）： 7982.
[4]荣安琪. 重型卡车驾驶室模态灵敏度分析与结构优化[D]. 吉林大学， 2009.
[5]陈国定， 武力. 轿车白车身结构的相对灵敏度分析[J]. 机械设计， 2007， 24（4）： 2223.
[6]王志亮， 刘波， 马莎莎， 等. 基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析[J]. 机械科学与技术， 2008， 27（8）： 10211024.
[7]叶辉， 胡平， 申国泽， 等. 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， 41（10）： 1822.
[8]ZHOU M， PAGALDIPTI N， THOMAS H L， et al. An integrated approach to topology， sizing and shape optimization[J]. Struct Multidisciplinary Optimization， 2004， 26： 308317.
[9]罗伟，周定陆.白车身扭转刚度分析与优化[J]. 计算机辅助工程， 2006， 9： 222224.
[10]李亦文. 车身结构模型修改的问题研究[D]. 吉林大学， 2008.
