某轿车白车身轻量化设计与研究
1 绪论1.1 论文选题的背景和意义
随着我国的汽车制造工业的飞速发展，国内汽车产销的总量持续提高。2016年，汽车整车共制造了2812万辆，产量比去年增加了14.46%；终端销售了2803万辆，销售量比去年增加了13.65%，增幅比上年提升11.21个百分点和8.97个百分点[1]。由于我们国家已经进入了经济持续快速发展的阶段，资源的供应和使用矛盾正在日益突出，带来了极大的能源压力。同时，每年的能源增加的消耗量超过70%是被增加的汽车使用。随着我国汽车保有量持续增长，将带来更紧张的能源问题。
同时,我国城市环境污染正在不断加深，雾霾在我国北方及广大中东部地区上空频繁出现，而且西南地区也在蔓延，带来了极大的环境污染问题。根据环保部的数据显示北京，深圳、杭州，广州的最严重空气污染来源是机动车的尾气排放[2],同时给人类的健康带来严重的危害。汽车的使用导致每年向大气排放的CO2超过四十多亿吨，使温室效应现象更加严重，危及环境的可持续发展[3]。
国内的相关部门为落实能源节约的要求，提出新能源汽车车发展规划的要求；2014年12月，国内相关部门落实了汽车燃料使用量限值和汽车燃料使用量评价方法两项必须执行的标准，并已经开始正式实施。在国内城市的环境污染正在不断加深和紧张的能源问题的双重凸显下，为在2020年达到国产生产的汽车使用过程中的平均燃油使用量减小到5.0L每百公里的《规划》的目标，进一步提升了单车燃油使用量的限值和整车制造厂燃油消耗平均值的规定，对汽车每个车和整车制造厂同时进行规划要求，如果达不到国家规定的必须满足的燃油消耗量法规，那么汽车整车厂将面临巨额的处罚。
根据整车制造厂燃油使用量目标值（CAFC）的规定，从整车制造厂燃油使用量的评价方法和燃油使用量内容分解规定的严格性。中国汽车工业协会统计了2017年前半年的汽车生产和销售量之后，国内部门核算部门核算了2017年前半年国内的汽车整车厂的新能源汽车积分，多数车企无法达到要求。燃油车销量越高，2018年之后将成为整车制造厂燃油使用量目标值的使用的负担，整车制造厂为防止高额的罚款需要使用新能源车或者低排量车型的燃油使用量的积分来抵消负分以达到规定值。如果没有达到平衡，那么整车企业如果一年售卖30万辆燃油车并且在2019年整车制造厂燃油使用量目标值超过规定0.1L就将被处以近3亿元的罚款。多数整车厂均提前开始准备应对，各车企主要是通过研发小排量发动机，研发新能源车、研究轻量化技术来满足CAFC的要求目标值。
汽车车身的轻量化的设计和应用已经成为全球汽车制造业的重要的研究方向。欧洲铝业协会通过大量的研究数据分析出以下结论，当汽车整车重量下降20%时，那么汽车油量的消耗可以减少20%，能源的效率将会升高10%-18%，尾气的污染物排放量会减弱10%-12%[4]。而汽车尾气排放方面，通过试验数据研究发现若汽车整车质量每减轻50公斤时将可以降低CO2的排放量约6.25g/Km[5]；对此结论，在做了充分的分析研究后，国内外不少研究机构对车身轻量化的结果也做相应的说明[6-7]。同时，通过分析研究对汽车进行轻量化设计不但可以提高乘坐的舒适性，还能够改善汽车自身的操稳性能减少燃油的消耗量。车身是汽车的主要的安装基础、承载基础，质量占整车的39%左右，约69%的燃油消耗量是用在车身上的[8]。车身的轻量化设计技术对于整车的质量减少有着关键的作用，各大整车制造企业已经把重量控制放在目标的首位。
结合新品开发过程使用的先进CAD/CAE分析手段，以及作者本人专职车身开发，对此款车身进行轻量化设计，并完成一种车身轻量化方法经验积累。
1.2 车身轻量化研究现状
1.2.1 车身结构轻量化国外研究现状
汽车的轻量化设计是多系统、多学科相互交叉的工程，车身轻量化设计的时候需要兼顾车身的使用性能和车身开发的成本，不能一味的追求轻量化而无视制造工艺的复杂和可靠性。车身结构的三种减少重量的路径之一是结构轻量化设计；车身结构的轻量化设计根据设计变量的变化，可分为尺寸状态车身轻量化设计、形状结构车身轻量化设计、结构拓扑车身轻量化设计[9]。
车身结构设计以有限元法为基础的过程成为了一种设计、分析和验证并行的过程，轻量化的思想在车身开发各个阶段被应用。我国的高性能计算机技术不断发展和高性能计算机的不断普及，加上国内学者对数值计算方法的不断深入研究，使车身的有限元结构分析及优化技术得到了极大的发展并应用到车身开发的各个阶段。在车身结构的开发过程中运用有限元方法，极大的减少结构设计的反复和车身工程化后的反复修改，用以减少车身开发的成本以和缩短车身结构的开发周期。
在国外，针对汽车车身结构的有限元分析技术的开始集中使用是在1960年左右[10]，同时在1980年左右后得到大量的使用。但是前期的车身结构有限元分析中一般使用车身的前几阶模态或车身静刚度等线性基础分析，而开始使用计算机模拟汽车碰撞性能直到1986年之后才开始快速的发展和得到普遍的应用[11]。在有限元技术飞速发展之前，限于当时基础的理论水平，当时的学者还不能对汽车碰撞这种繁琐的关于力的传递分析问题有很完全的认识和理解，当时的研究的学者和工程师们一般采用多刚体的系统约束的位移和一般的振动学的方法模拟汽车在产生碰撞时的响应分析并得到结果[12]。国外的汽车技术研究中心研究员、各大学院校的学者教授，各整车生产企业的汽车研究院的工程师在有限元方法的发展中，为汽车整车安全性和零件刚度特性的发展应用得到了有力基础，部分研究员、学者、工程师籍此对汽车碰撞安全性进行了深入研究和分析，主要包括整车的碰撞安全性分析[13-17]、关键结构的传力路径、汽车零件的对能量的吸收模式和产生的机理研究[18-22]等。
超轻钢汽车车身项目(即ULSAB项目);由国际的钢材协会组织在20世纪建立，包含了10多个国家和30多家国际的钢材公司构成；该项目的成立目的是希望对车身轻量化进行深入的研究，研究出轻量化的车身但是车身结构强度却更高、碰撞安全性能更优、车身的生产制造工艺更简单、车身的生产制造成本更低的新一代汽车车身[23-25]。
美国航天航空局的兰利研究中心的车身轻量化研究人员和部分SGI公司的研究人员加上福特汽车公司车辆安全部门的工程师共同进行了基于碰撞安全性能和NVH性能的轿车HIP(Body In Prime)轻量化研究[26]。韩国汉阳大学的学者通过大量试验研究，应用新的的开发理念和对车身局部采用差厚的拼焊板工艺的探讨，有结论的对某汽车的车身开闭件总成中的车门内板前后段展开了轻量化设计[27]。密西根大学的学者和通用汽车公司的车身工程师，运用车身拓扑优化技术对车身部分零件进行优化设计。在轻量化的设计过程中以碰撞过程车身结构溃缩过程中吸收能量最大为目标，使车身零部件在满足吸收碰撞能量的条件下进行轻量化设计，此轻量化技术己经应用到某款轿车的车身开发过程中[28]。
Lust[29]在车身轻量化的设计过程中采用两阶段碰撞分析技术，优化了弹性和碰撞两类约束的设计问题。基于非线性数学的相关理论，在构建碰撞约束方程中通过大量的设计研究，在计算过程中通过运用非线性算法的近似模型来降低相关的计算量。
Markiund和Nilsson[30]在针对汽车侧面碰撞优化过程中，通过研究得出车身局部和全局分析的近似方法，选取车身B柱内板及加强板为研究对象，通过比较分析出汽车碰撞时，局部瞬态和全局响应问题的近似方法来构建分析的近似模型，并对B柱内板及加强板进行基于碰撞安全的优化，使得B柱内板及加强板重量减少了25%。
Daniel [31]在研究以50km/h正面100%刚性壁障碰撞试验为分析工况的正面碰撞研究中将马氏体不锈钢应用到车身前防撞横梁上；同时对马氏体不锈钢前防撞横梁进行了相应的碰撞台车试验，充分的验证了马氏体不锈钢的吸能特性并运用到车身开发中。
Sobieszczanski等 [32]以某型轿车的白车身结构为探讨对象，将白车身的模态性能和安全性能作为设计的约束条件，同时考虑应用车身结构的静态弯扭刚度、前几阶扭转模态和前几阶弯曲模态和车身顶盖总成抵抗压力的强度，同时应用NASTRAN和RADIOSS有限元分析软件，运用多目标优化设计方法，选取车身上各钣金件的料厚作为减重的更改的变量，以白车身重量最小化作为优化的目标；设计结果说明在保证车身静态弯扭刚度等性能的基础上车身质量可以减少15kg。
Yang[33-34]等基于计算机仿真技术，对车身进行大量的轻量化研究，在基础研究的结果上通过对汽车NVH性能的优化设计，让车身顶盖抗压性能不减小、车身的正
面碰撞性能、车身的偏置碰撞性能及侧面碰撞等多个方向进行了车身的减重设计。