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论文分类号：２学校１０７０８代码：学号：１５０５００１ｍ＾ＡＡＡＡｌＳＨＡＡＮＸＩＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＳＣＩＥＮＣＥ＆ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ硕士学位论文Ｔ＇ｈｅｓｉｓｆｏｒＭａｓｔｅｒｓＤｅｇｒｅｅ家腿车白车鋪轻量雛ｐ｜ｒ遍指导教师姓名：张功学教授：Ｉｉ学科名称：机械工程论文提交日期？？赠３，ｉ仑文答辩日期：２帽年５月■野单位：陕西科技大学 申请工学硕士学位论文论文题目：家用轿车白车身的轻量化研究学科门类：工学一级学科：机械工程培养单位：机电工程学院硕士生：王德雨导师：张功学教授2018年5月 LightweightDesignforBodyinWhiteofDomesticCarAThesisSubmittedtoShaanxiUniversityofScienceandTechnologyinPartialFulfillmentoftheRequirementsfortheDegreeofMasterofEngineeringScienceByDeyuWangSupervisor:Prof.GongxueZhangMay2018 家用轿车白车身的轻量化研究摘要随着计算机性能的不断提升，CAE技术已经成为车身设计开发中不可缺少的有力工具，合理的运用数值技术及优化理论对车身结构进行研究，是提高质量和缩短研发周期的有效途径。因此，本课题以某型号轿车白车身（Bodyinwhite，BIW）为研究对象，从结构角度进行轻量化，主要研究内容如下：1）利用Hypermesh建立白车身的有限元模型。根据车身的力学性能简化车身结构；按照严格的网格标准对车身零部件进行网格划分，对零件的一些特殊结构划分网格时，进行了简化处理；采用刚性梁单元模拟点焊对车身板件进行连接，最终建立有限元模型。2）计算车身静动态特性。分别建立车身的扭转工况、弯曲工况、制动工况、转向工况、自由模态的工况条件，对相应工况下的车身进行计算，得到了对应工况下车身的应力与位移结果。对照车身弯曲刚度和扭转刚度的评价方法及评价标准，通过计算，弯曲刚度满足家用轿车设计要求，扭转刚度略低，沿车身纵向弯曲刚度和扭转刚度变化平滑，扭转变形下的车身门洞变形量均在要求之内。根据模态分析，发现其一阶扭转振型所对应的固有频率偏低，仅为25.45Hz，与发动机怠速转频率比较接近，容易引起共振。3）试验设计（Designofexperiment,DOE）。对比常用的试验设计方法特点，选择车身主要的35个零部件进行Plackett-Burman试验设计，选择出18个对车身弯曲刚度、扭转刚度、第7阶固有频率和第8阶固有频率贡献较大的零件。对18个设计变量，采用哈默斯雷试验设计采集了190组样本值，作为近似模型的输入矩阵，并采用拉丁超立方试验设计采样20组样本点作为检验矩阵。4）建立近似模型。利用哈默斯雷采集的样本点作为输入矩阵，分别采用克里金和径向基-神经网络建立设计变量与各响应的近似模型，并通过计2算复相关系数R、平均相对误差RAAE和均方根差RMSE的值，检验了两种方法建立的近似模型的准确度，其中神经网络所建立近似模型在输入样本点与检验样本点的精度略优于克里金模型。5）车身多目标优化。利用多目标遗传算法，以18个零件板厚为设计变量，以第7阶固有频率、弯曲刚度、扭转刚度为约束，优化车身的1阶扭转I 频率和质量，得到了满足约束条件的Pareto解，根据综合因素，最终选取45号方案为最优方案。将优化结果代入原模型中验证计算，优化误差在5%以内。通过CAE技术与多目标优化理论的结合，合理的优化车身零部件尺寸，优化后的白车身质量减重18.3kg，一阶扭转频率和扭转刚度有所提高，弯曲刚度有所减低，但降低后的弯曲刚度仍在轿车车身设计要求内。本研究对汽车轻量化有一定的借鉴意义。关键词：白车身，轻量化，弯曲刚度，扭转刚度，模态分析，多目标优化II LightweightDesignforBIWofDomesticCarABSTRACTAtpresent,CAEhasbecomeanindispensabletoolinautomobileresearch,andtherationaluseofCAEisaneffectivewaytoimprovethequalityandshortenthedevelopmentcycle.1）ThefiniteelementmodelofBIWwasestablished.First,theBIWstructureissimplifiedaccordingtothemechanicalproperties,andthenaccordingtothestrictstandardofgrid,thepartsofbodyaredividedintogrids.Somespecialstructuresofthepartsaredividedbysomesimplifiedprocessing.Inordertosimulatespotwelding,arigidelementofbeamisadoptedtoconnectthebodyparts.Finally,thefiniteelementmodelofBIWwasestablished.2）ThecalculationofstaticdynamiccharacteristicsoftheBIW.Respectivelyestablishtorsioncondition,bendingcondition,brakingcondition,steeringconditionsandthefreemodalcondition.ThestressanddisplacementresultsoftheBIWareobtainedbycalculatingtheBIWunderthecorrespondingworkingcondition.TheevaluationmethodofbendingstiffnessandtorsionalstiffnessofBIWisintroduced.Throughcalculation,bendingstiffnessmeettherequirementsofdomesticcardesign,torsionalstiffnesswasonlyslightlylower,bendingstiffnessandtorsionalstiffnesschangeissmoothdownthelongitudinal,Thechangedimensionofthediagonallineunderthetorsiondeformationwasmeasured,andthedeformationofthedoorholewaswithintherequirement.Accordingtotheresultsofmodalanalysis,thenaturalfrequencyoffirst-ordertorsionoftheBIWisfoundtobelow，only25.45Hz.3）Designofexperiment.Forbodymulti-objectiveoptimizationprocesshascarriedonthesimpleintroduction.Themain35partsoftheBIWwereselectedforPlackett-Burmanexperimentdesign.Accordingtotheresultofdesignofexperiment,thereare18componentsthatcontributetothebendingstiffness,torsionalstiffness,naturalfrequencyofthe7thorderandthenaturalfrequencyofthe8thorder.Forthese18designvariables,usingthehammersleycollected190samplesofdesignvariablesandtheresponseofvaluesasinputmatrixofapproximatemodel.UsingtheLatinhypercubeexperimentaldesigncollected20III groupsofsamplepointsasatestmatrix.4）Establishanapproximatemodel.Usingthesamplepointscollected,KrigingandRBFwereusedrespectivelytoestablishtheapproximatemodelofdesignvariablesandeachresponserespectively.Theaccuracyoftheapproximatemodelestablishedbytwomethodsistestedbycalculatingthevalue2oftheR,RAAE,RASM.5）Multi-objectiveoptimizationofBIW.OptimizationwasestablishedbasedonMOGA.Theoptimizationobjectiveisthefirstordertorsionfrequencyandtheweightofthebody,thethicknessofthe18partsasdesignvariables,the7ordernaturalfrequency,bendingstiffnessandtorsionalstiffnessasconstraint.Byoptimizingcalculation,theParetoforwardsolutionsetisobtained.Finally,Theresultsareverifiedbyanalyzingthefiniteelementmodel,andtheoptimizationerrorwaswithin5%.ThroughthecombinationofCAEandmulti-objectiveoptimizationtheory,theBIWhasbeenreducedby18.3kilogram,thefirstordertorsionalfrequencyandtorsionalstiffnessareimproved,andthebendingstiffnessisreduced,butthebendingstiffnessisstillintheBIWdesignrequirementsafterreduction.Thisstudyhasacertainreferencevalueforvehiclelightweight.KEYWORDS:BIW,lightweight,bendingstiffness,torsionalstiffness,modalanalysis,multi-objectiveoptimization.IV 目录摘要....................................................................................................................................IABSTRACT.....................................................................................................................III1绪论.................................................................................................................................11.1课题研究的背景及意义......................................................................................11.2目前轻量化的研究方法......................................................................................21.3国内外汽车轻量化的研究现状..........................................................................31.4本文的主要研究内容..........................................................................................52相关理论及软件介绍.....................................................................................................62.1有限元理论..........................................................................................................62.1.1线弹性静力学问题...................................................................................62.1.2结果的收敛...............................................................................................72.1.3分析整体刚度...........................................................................................82.1.4弹性体振动问题.......................................................................................92.2Hypermesh软件介绍............................................................................................92.3本章小结............................................................................................................103白车身有限元模型.......................................................................................................113.1白车身有限元模型建立....................................................................................113.2车身模型简化过程............................................................................................113.3网格划分............................................................................................................133.3.1单元类型选取及网格划分标准.............................................................133.3.2网格质量控制.........................................................................................133.3.3零部件网格的划分.................................................................................153.4分块建模与零部件命名....................................................................................183.4.1分块建模.................................................................................................183.4.2零件的命名.............................................................................................183.5模型零部件连接及属性赋予............................................................................193.5.1焊点单元类型的介绍.............................................................................193.5.2车身焊点模拟.........................................................................................203.5.3材料属性及厚度参数..............................................................................203.6车身有限元模型的建立....................................................................................213.7本章小结............................................................................................................22I 4车身性能分析...............................................................................................................234.1车身的扭转刚度................................................................................................234.1.1扭转工况分析求解.................................................................................244.1.2扭转刚度计算及评价.............................................................................274.2车身的弯曲刚度................................................................................................274.2.1车身的弯曲刚度求解.............................................................................284.2.2车身的弯曲刚度计算及评价.................................................................304.3模态分析............................................................................................................304.3.1模态分析求解.........................................................................................314.3.2模态分析结果评价.................................................................................334.4制动工况下白车身强度分析............................................................................334.4.1制动工况分析求解.................................................................................334.4.2制动工况结果分析.................................................................................344.5转向工况下白车身强度分析............................................................................344.5.1转向工况的分析求解.............................................................................344.5.2转向工况结果分析.................................................................................364.6本章小结............................................................................................................365车身结构优化与改进...................................................................................................375.1引言....................................................................................................................375.2多目标优化理论基础........................................................................................385.2.1试验设计方法（DOE）.........................................................................385.2.2近似模型的建立.....................................................................................405.2.3遗传算法.................................................................................................435.2.4多目标优化问题的数学模型.................................................................435.3白车身结构多目标优化模型的建立及求解....................................................445.3.1选取设计变量.........................................................................................445.3.2试验设计.................................................................................................485.3.3近似模型的建立.....................................................................................505.3.4近似模型精确性检验.............................................................................515.3.5多目标优化求解.....................................................................................545.4优化结果验证............................................................................................555.5本章小结............................................................................................................576总结与展望...................................................................................................................58II 6.1本文总结............................................................................................................586.2工作展望............................................................................................................59致谢.................................................................................................................................60参考文献...........................................................................................................................61攻读学术期间成果...........................................................................................................64原创性声明及关于学位论文使用授权的声明...............................................................65III 家用轿车白车身的轻量化研究1绪论1.1课题研究的背景及意义十九世纪八十年代，第一辆汽车诞生，从那时开始，汽车工业在各国开始发展。历经一个多世纪，汽车工业经历了高速发展阶段，已逐渐成为影响国民经济发展的主要支撑产业。据相关调查数据[1]显示，自2000年，中国汽车的产量以平均18%的增长率高速增长，2016年汽车产量达到2800万辆，按目前趋势预测，未来5年内中国汽车产销量将以5%左右的速度稳定增长，2020年预计突破3300万辆。30025020015010050012345678910产量（万辆）销量（万辆）图1-12016年中国汽车1～10月份销售量Fig.1-1SalesofChinesecarsinJanuarytoOctober2016一方面，汽车数目的迅速增长，石油的消耗速度急剧增长。根据相关数据[2-3]，全球汽车的耗油量估计为全球燃油消耗的一半，预测在2020年，全世界62%以上的燃油消耗将会用在交通运输上面。石油资源是不可再生的，需求量的加剧，导致石油需求与供给之间将会出现净缺口，按现在的消耗水平预计大概还能维持60年。能源的不足，将会导致油价的上升，相应的使用汽车在成本上也会相应的增加，不利于汽车工业的发展。另一方面，大气污染已经成为不可忽视的问题，其污染的一部分主要来源于汽车尾气的排放。近些年来，“温室效应”、“雾霾”等一跃成了网络名词，大气污染已成为威胁人类生存环境的主要问题。工业革命以来，重工业得到迅速发展，自然环境破坏加剧的同时，每年燃料排放大大增加，这是造成大气污染的主要原因。现如今，汽车的保有量越来越多，全球每年约有40亿吨CO2来源于交通排放，占到了大气总污染物的60%以上[4]。由于石油等不可再生资源的迅速消耗，以及日益严重的环境问题，许多车企开始研1 陕西科技大学硕士学位论文发替代能源以及开发低排放甚至无排放的汽车。目前，有些公司已经提出了以电力代替石油或者通过油电混合为能源，虽然确能缓解上述问题，但电池的使用寿命、成本、充电时间超长、续航短等一系列问题还没有解决。由于目前的技术限制，所寻找到的任何替代方法在经济方便上都比不上石油燃料。所以在攻克新能源问题的同时，如何降低油耗成为了汽车工业最为关心的问题。汽车的高效能、低能耗等都与汽车整体质量密切相关，“轻量化”这一概念诞生于赛车运动，赛车的质量减轻，操控性能就会更好一些，发动机输出动力一定的情况下，会形成更高的加速度。随着环境就会拥有更好的操控性就会拥有更好的操控性日益恶化，人类对节能环保越来越重视，在普通汽车领域也越来越注重轻量化。发动机的排量越大，质量越高，汽车的燃油耗损就会越大。根据相关的研究数据显示，降低整车10%的质量，可以提高6%～8%的燃油效率；若减少10%的滚动阻力，对燃油效率的提升仅有3%；若提高10%的机构传动效率，可提高7%的燃油率[5-7]。降低整车质量的同时，还要确保汽车的安全性、可靠性、NVH（Noise、Vibration、Harshness）性能等等。为了满足人们的需求，汽车的附加功能不断地完善，汽车上增加了许多设备，如安全气囊，导航系统，空气净化系统等，致使汽车重量不断增加，也给汽车轻量化的方面带来许多压力。如何协调汽车轻量化与车身性能之间的冲突，是当今汽车工业正在努力与探索的方向。1.2目前轻量化的研究方法汽车由四个基本部分组成，分别是电气设备、底盘、发动机、车身[8]。汽车的换代过程中，因为发动机和底盘技术的成熟性，更换前后没有明显的分别，而换型最多的是车身，研发整车的70%的时间花费在车身上。对于乘用车而言，车身占据整车质量的40%~60%，约70%的油耗是用在车身上的[9]。内装件、电气附件、白车身和外装件等四部分组成整个车身，白车身是已经通过焊接装配完毕，但还没有进行喷涂的白皮车身，主要包括车身本体，闭合件及其他可拆卸结构，如图1-2所示。轿车白车身主要由大量的车身冲压零件焊接而成，零件数目大概在几百至上千个，由于组成零件数目极多，在整车减重上具有很大的轻量化空间。车身轻量化技术一般来说，实现途径有三条：1）结构轻量化结构轻量化的核心理念是通过对车身关键结构及零部件的优化设计，使其在采用轻量化材料后的性能完全满足整车要求。目前，车身结构设计优化主要采用CAE手段，对结构进行拓扑优化、形状优化和尺寸优化等。2）材料轻量化采用轻质、高强度材料是降低汽车质量的有效手段。目前，轻量化材料以铝镁合金、2 家用轿车白车身的轻量化研究高强度钢和非金属材料为主。3）制造轻量化制造轻量化是指以车身轻量化设计为基础，在综合考虑了轻量化材料的特性和产品控制成本的要求下而采用的制造技术。主要有：激光拼焊、液压成形、超高强度钢的热成形、高强度钢的辊压成形、电磁成形技术、连接技术等。图1-2白车身结构示意图Fig.1-2Schematicdiagramofbody-in-whitestructure1.3国内外汽车轻量化的研究现状自上世纪70年代中期能源危机开始，不断上升的燃料价格迫使汽车工业不得不设法降低整车质量。一些汽车发达国家采用了高性能的轻量化材料以及轻量化技术，通过铝镁合金及其他轻质的复合材料替代钢材，大大减轻了汽车的质量[10-13]。1994年，奥迪研制出ASF全铝框架结构，并在R8、A6L、A2、A8等车型上应用，提高60%的车身刚度并减少60%的焊点，在质量上，比普通钢质车轻了40%[14-15]；同一年里，世界35家钢铁公司进行了超轻钢制车身研究，采用了大量的高强度以及超强度钢板，运用激光拼焊、液压成型等制造工艺，使得研制车身仅为203kg，相比同级别车轻了25%，一阶模态频率提高了58%[16]。宝马公司率先研制出了钢铝混合结构的新5系汽车，车身前部使用铝材，其他部分由钢材制成，整车质量比上代减轻了15kg[17-19]。自1978年，德国就开始在管材的液压成型方面进行研究，在90年代初期的时候，制作汽车部件就已经应用液压成型技术[20-23]。1993年，奔驰公司成立专门用于液压成型技术制造板材的车间，宝马公司也通过液压成型制造了一些车型的零件[23-24]。90年代初，日本、北美的许多汽车公司开始大范围使用激光拼焊接技术[25-26]；1984年，SAAB汽车公司首次采用热成型技术进行淬火硼钢材料的生产[27]。先进工艺的应用，极大的提高了3 陕西科技大学硕士学位论文汽车的降质能力。近年以来，计算机手段日趋成熟，一些数值计算技术得到快速发展，结构优化法在汽车工程领域应用越来越广泛。对于这方面研究，国外起步比较早，理论相对成熟，发展越来越广泛。J.Sobieszczanski-Sobieski和S.Kodiyalam[28]等基于有限元手段，对轿车车身进行碰撞和NVH仿真分析，通过多目标优化，在保证车身NVH和碰撞安全性的前提下，得到了车身板件最佳厚度，实现了整车减重；SrinivasanLaxman和RajMohanIyengar[29]以车身刚度以及自由模态下的固有频率作为约束，重量最轻为目标，建立优化模型，获得初步优化结果后，合理的采用轻量化材料，完成车身的轻量化设计；Forsberg和Nilsson等人[30]在保证结构耐撞性的前提下，对降低结构质量的方法进行了研究并分别建立了克里金模型和响应面模型；2007年欧洲车身会议上，奔驰公司指出，其利用多目标拓扑优化设计的W204，均衡了产品兼容性、质量、成本，有效提高了车门的碰撞性能，车门重量减轻了1kg[31]。国内汽车发展起步较晚，近二三十年，汽车工业的发展正处于高速上升阶段。在轻量化材料方面，对于高强度钢的产业化我国已处于全球前列，太钢已制造出强塑积为30GPa%的第三代高强度刚，并与中国汽车工程院、一汽公司等单位开展可应用型评价研究；在国内，已有相关企业将全铝车架应用在重型的托挂车上，装备质量为5.8t，与钢质同类半挂车比较，重量减轻了25%；2001年，奇瑞和一汽试制样车时，用了262kg的高强度钢板，使车身的钢板用量减重将近一半[32-33]。在镁合金方面，国内经过多个五年计划的攻克，也取得了相当不错的成绩，在镁轮毂的整体锻造成型方面，处于世界的领先地位[34-35]。制造工艺方面，我国自主研制了低压铸造准流变技术，并利用此技术成功的制造了20寸和25寸规格的车轮，并用于美国军用；成功的制造了22.5×8.25宇通客车的车轮，并进行了SAEJ267—2007动态径向疲劳、动态弯曲试验和GB/T5909—2009动态弯曲疲劳试验，且通过了检验[36]。结构优化方面，最初只在底盘、发动机等部分零件上进行设计，随着计算机技术应用日趋广泛，有限元等数值计算手段得到很好的应用，目前已有对车身骨架的优化研究。王登峰和卢放[37-38]建立了车身的有限元模型，对其进行了NVH分析，根据仿真结果，选取白车身关键板件厚度参数以及材料为变量，优化质量和刚度，以侧碰加速度及侵入量为约束条件，建立了RBF及Stepwise-RSM模型，使用模拟退火法进行了多目标优化，使白车身质量下降了15.7kg。刘帅、董波、杨潆奎等[39]建立了某轿车有限元模型，基于模态和刚度的灵敏度分析，制定了轻量化方案，实现车身的降质。陈文波[40]针对某车门轻量化更改要求，通过仿真获得了车门的刚度、动态特性、强度、被动安全性等指标，在DOE的基础上，对样车白车身的一阶固有频率进行了优化，使固有频率有所提高，4 家用轿车白车身的轻量化研究利用神经网络建立了近似模型，结合模拟退火算法进行优化，实现减重3.7kg。刘卫国，高云凯，郭其飞等人[41]分析了某型车初始全面全宽碰撞性能，根据前舱结构的比吸能大小选择变量，并将尺寸参数化进行试验设计，通过拟合Kriging近似模型，采用多岛遗传算法进行优化，通过更改主要零件的板厚及截面形状，使得B柱加速度的峰值和对吸能较关键的梁结构的质量分别改善了1.23%和15.15%；湖南大学的张勇基于近似模型法对汽车进行优化设计，通过移动最小二乘法建立了响应面近似模型[42]；朱红军基于多目标优化方法对车门进行优化，优化后最终降低质量1.48kg，减重比达7.5%[43]；俞雁结合轻量化材料与优化技术对乘用车车门进行优化设计，并对车门开展动静态试验，最终设计出的车门满足所有设计目标，并且减轻了车门总成的质量[44]。综上所述，经过国内外许多专家的努力，汽车轻量化方面取得了很大进展，从最初的单一材料优化发展到结合工艺、材料、结构等多方面的复合优化，结构优化方面，从最初的刚度、模态等传统指标到碰撞安全性、NVH特性等设计在内的多目标优化。随着数值计算的发展以及新材料的研制，轻量化还将会有很大的进步空间。1.4本文的主要研究内容本位的主要的研究内容如下：1）简化车身几何模型，对车身主要零部件完成网格划分，采用刚性梁单元模拟点焊完成车身装配，最终建立白车身有限元模型。2）对车身的一些静动态性能进行了计算，包括弯曲工况，扭转工况、模态分析、紧急制动工况及紧急转向工况，针对分析结果进行了评价。3）以车身板件尺寸参数为变量，车身的刚度及固有频率为响应，利用Plackett-Burman和哈默斯雷法相结合的方法进行试验设计。4）采用克里金法和径向基神经网络法分别建立车身刚度及模态近似模型，比较所建立模型的精度，利用多目标遗传算法进行优化，并对优化结果进行验证。5 陕西科技大学硕士学位论文2相关理论及软件介绍2.1有限元理论2.1.1线弹性静力学问题有限元法的基础为线弹性静力学，其步骤主要为：1）结构离散化有限元的第一步就是分散结构，将连续的结构分散成许多个细小个体，称之为单元，每个个体以节点相互连接，通过互相连接的整体代替原来的连续体。2）函数表示位移单元上任何一点的受力状态都通过函数来表示。位移函数就是指单元内任意一点的位移与其坐标之间的函数关系，如式（2-1）所示。fN（2-1）式中：f——单元内位移向量；N——形状函数矩阵；e——节点的位移列向量。3）对单元的力学性能进行分析根据弹性力学的基本假设：假定物体具有均匀性、各项同性、连续性、完全弹性，其位移和变形都很微小，并且物体内部不存在初始应力。根据此假设可以表示单元应变为Be（2-2）式中：——应变向量；B——几何矩阵；e——单元节点位移向量。单元应力可通过式2-3DBe（2-3）单元的刚度方程表示节点位移与载荷之间的关系，由虚功原理可以建立，即PKeee6 家用轿车白车身的轻量化研究TKeBDBdv（2-4）v式中：Pe——等效节点的力向量；Ke——单元刚度矩阵。4）计算等效节点力在连续体中，公共边界作为传递力的媒介，把力从一个单元传递到另一个单元上。而将连续体离散化后，节点便是单元之间传递力的媒介，因此必须将作用在单元上的力等效到节点上面。5）整体分析对于整个结构，建立平衡方程KP（2-5）式中：K——总体结构刚度矩阵；——总体结构节点位移向量；P——总体结构等效节点力向量。6）位移界限条件总体刚度矩阵可以使用位移界限条件由式（2-6）消去奇异性。7）求解结构平衡方程一组线性代数方程组构成了结构平衡方程，系数为刚度矩阵，节点位移就是这个平衡方程的解。8）求解单元上的应力根据得到的节点位移，按式（2-3）可求得单元的应力。2.1.2结果的收敛解的收敛性应该作为确定位移函数的准则，当网格密度变大时，解的也应该精度越高；换句话来说，对于固定尺寸的单元，单元的自由度的数目应该与解的精确度呈正相关。有限元法收敛条件如下：1）位移函数在单元内必须具有连续性构造的单元位移函数多项式是单值连续的，因此选用多项式插值函数的单元位移函数在单元内连续。2）单元位移函数必须具有刚性位移项单元的位移产生有两种，一种为自身变形，一种为刚性变形。单元都是通过节点相7 陕西科技大学硕士学位论文互连接的，当有力在单元之间传递时，每个单元都会发生自身的变形，同时由于周围节点变形的牵扯，每个单元也会产生刚性位移。所以，位移函数描述单元位移，必须具备刚性位移和自身变形位移。如果刚性位移值与给定位移值相等，那么自身变形即为零。如果不满足上述条件，会产生多余的应变和节点力，从而限制节点平衡方程。3）单元位移函数必须具有常应变项单元的应变状态包括常应变和变应变两部分。常应变不受单元内部各点的位置影响，变应变和各点的位置有关。当单元的尺寸很小时，相较于常应变，变应变可以忽略不计。因此，只有具备常应变项，位移函数才能真实反应应变状态。4）相邻单元在公共边界上具有连续性由弹性力学的理论可知，物体都被假定认为是连续的，因此物体内各点的位移应该是连续的。有限元是以离散单元组合成的结构模拟真实结构，其位移是用位移函数来描述，因此相邻单元内的位移函数必须是具备连续性，在单元足够小的情况下，只要保证在公共节点上具备位移函数的连续性，那么就近似相当于在公共边界具备连续性。2.1.3分析整体刚度刚度表示在载荷的作用下位移的响应，作用在单元节点上的载荷向量与位移向量之间的关系定义为结构刚度，其在整体坐标下的扩展方程为eeeFK（2-6）式中：eF——单元e的节点力向量；e——单元e的节点位移向量；eK——单元e的刚度矩阵，扩展为nn阶。根据节点力平衡条件e(1)(2)FFiFiPi（2-7）对于整体结构，则有e(1)(2)FFFP（2-8）所以12KKP（2-9）或写成12KP（KKK）（2-10）式中：8 家用轿车白车身的轻量化研究K——总刚度矩阵。根据边界条件，就可以求解关于节点位移的基本方程组，解此方程组便可得节点位移。2.1.4弹性体振动问题根据达朗贝尔原理，动力学平衡方程为MCKF（2-11）式中：M——质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——刚度矩阵。当无阻尼结构或阻尼很小可忽略不计，可推导得到无阻尼结构固有频率公式为2KM0（2-12）固有频率与对应振型便可通过求解式（2-12）得到，对应为其解的n对特征值和特征向量。2.2Hypermesh软件介绍Hypermesh是美国Altair公司1985年发布的一款有限元前处理软件，在汽车行业应用比较广泛。Hypermesh以其具备的强大的网格划分功能而闻名，CAE工程师大部分时间都是花在网格划分和修改上，而真正的分析求解是消耗在计算机工作组站上。其他有限元前处理软件对于复杂模型的处理能力不是很好，模型经常不能成功导入，或者导入速度非常慢，影响了后续的工作。Hypermesh能与众多建模软件和求解器进行方便的数据交换，可以很快的读取那些规模非常大且结构异常复杂的模型，在几何模型处理和有限元网格划分上具有很高的质量和效率。Hypermesh软件对比其他有限元前处理软件，其出色的性能有如下：1）多接口及几何模型整理功能。Hypermesh针对目前工业上主要应用的CAD软件都设有接口，能够导入多数CAD软件建立的模型文件，而且导入模型的速度较快，质量也比较好，不会出现大量的特征丢失。Hypermesh支持导入的CAD文件格式有：VDAFS、UG、DESDXF、Pro/E、ACIS、CATIA、I-DEAS、IGES、INCA、PATRAN、PDGS。2）出色的编辑模型功能。Hypermesh拥有一套先进、完善且易于使用的工具包。可以基于2D或3D建模，调用各种划分网格的板块完成网格划分。3）能与大多数求解器的接口匹配。Hypermesh不仅与许多CAD软件设有接口，对9 陕西科技大学硕士学位论文于大多数的求解器也设有接口，在Hypermesh中进行的前处理模型可以写出为其他求解器的格式文件，这样就可以调用响应的求解其来计算，使模型的前处理工作在Hypermesh中完成。因此，对于汽车这种拥有复杂结构的模型，车企里面普遍用Hypermesh作为前处理软件，统一利用Hypermesh去划分网格，针对不同类型的问题选择合适的求解器去计算。Hypermesh可以为以下的求解器提供前处理：Ansoft、Abaqus、LS-dyna3D、Permas、Ansys、Optstruct、Autody、Radioss、Spotweld等二十多种主流求解器。4）拥有完善的后处理功能。Hypermesh提供的Hyperview软件具备的完善的后处理功能。云图、变形、瞬变、等值面、截面云图和矢量图这些表示结果均可以在Hyperview中显示出来，Hyperview还可以以动画的形式显示变形、线性、瞬态及复合结果。另外，在Hyperview中还可以以EPS、JPG、TIFF、BMP的格式来保存图形文件，这些功能极大的方便了用户对计算结果的处理。2.3本章小结本章介绍了有限元的一些基本理论，包括线性静力学问题、求解收敛过程和弹性体振动问题；介绍了Hypermesh软件的一些功能。本章的内容为后面车身的计算提供了理论基础。10 家用轿车白车身的轻量化研究3白车身有限元模型目前计算机的运算水平有了很大提高，CAE已成为车身性能计算的得力工具。有限元法是通过化圆为直的思想将结构离散化，并在离散单元设置节点，单元由节点连接在一起，组成的整体来代替原本结构[45]。基于这一原理有限元计算只能获得近似解，并不能得到精确解。在力学特性上，建立的虚拟结构与实际的相似程度决定着有限元计算结果的可靠性，因此，在车身开发之初，必须建立一个规范、详细、能准确反映力学性能的模型。它不仅可以准确的预测车身性能，避免设计缺陷，也可以为结构的优化提供改进方案。3.1白车身有限元模型建立白车身有限元模型的建立包括划分零部件网格、建立连接关系、设立边界条件及载荷等前处理工作，是运用有限元进行车身设计过程中工作量最大的环节，有限元前处理的工作量大概为整个模拟计算工作量的80%。本文从以下几个方面进行白车身有限元模型的建立：1）对车身模型进行合理简化，去掉一些与车身整体力学性能关系不大的零件；2）划分零件网格，合理的对零件上的几何特征进行简化处理；3）实行分块建模，之后完成组装；4）对零部件进行规范的命名，如节点、单元、零部件PID号。3.2车身模型简化过程车身结构是车身骨架与覆盖件经焊接或铆接后形成的不可拆卸的总成，以钣金件为主的复杂系统，整个车身包含几百个零件，其主要由前车身、地板、侧围、顶盖及后车身等部分构成。对于如此复杂的结构，有限元模型的建立过程非常繁琐。为了减轻工作量且保证模型的合理性，往往会简化实际的模型。处理原则以符合主要力学特性为根本，在几何类型上，使每个单元与实际结构保持一致，且单元传递的力学特性与实际一致。简化模型实际就是建立力学模型的过程，建模的任务并不是直接将模型原封不动的离散化，建模人员必须非常了解车身的实际力学特性，能对实际结构进行一定的处理，使其简化而对计算结果影响非常小，在不影响计算精度的同时，减少建立模型的任务量和求解计算时间。一些需要简化的特性如下[46,47]：1）模型中存在许多细小尺寸和尖角，网格划分时会在几何边界上设置节点，这样就会导致单元数量增多和质量下降。2）车身零件中经常有一些小孔、开口、翻遍、尺寸很小的凸台和筋等特征，这些特11 陕西科技大学硕士学位论文征有许多是由于一些连接或者工艺上的避让而存在的，对车身整体的力学特性影响不大，对于这些结构，建立有限元模型时可以进行一定的简化处理。根据车身具体结构，依据其结构对所研究车身性能的影响强弱，对车身模型做了如下处理：1）去掉非承载部件本文研究的车身为承载式车身，目前家用轿车普遍采用该种车身。承载式车身是集合传统意义的车身和车架于一体，即有车身的支撑保护作用，也充当车架起着承载作用。车身上起承载作用的零部件主要有后翼子板，后围板，前、后悬挂固定座，前、后轮罩，前、后风窗支柱，前、中、后门柱，地板，顶盖，门槛，前、后纵梁，等。除去这些主要承载件，车身上还有许多螺栓连接的小零件，其在整个车身中并不起承载作用，因此，在结构分析中舍弃这些非承载件。2）忽略结构的次要特征对于一个几何模型来说，在建立其有限元模型时，将包含所有几何特征的整个模型原封不动的离散化并不是最优的处理方法。固然如此做，使其有限元模型与几何模型最为真实接近，但是一些细小特征会影响网格质量，增加有限元模型的规模和难度，从而浪费计算时间并影响计算精度。对于车身承载件来说，为了局部连接和工艺上的避让，其零件上有许多复杂的细小特征，这些结构的设计并不是从承载方面来考虑的。这些细小结构会使网格的尺寸相对整体网格尺寸来说非常的小，并非常可能使网格发生翘曲、纵横比过大，难以满足设定的质量标准，因此需要对这些特征进行简化。3）具体特征的几何清理直接对几何上的原有特征结构进行网格划分，会增加模型的复杂程度，甚至影响计算精度，但是过于简化结合模型，难以保持有限元模型与真实模型的一致性，所以如何适度的简化一个几何模型，一般根据建模人员的经验进行决定。CAE技术经过多年的应用，在各大汽车公司已形成了一套完整的网格划分标准，在保证模型结果的可行度的前提下尽可能的简化模型，减少建模人员的工作量。本文按照国内某主机厂整车前处理划分标准进行处理，具体几何特征的处理如下：a圆孔的处理对于定位孔以及一般的连接孔，直径在5mm以内的孔，进行省略，在孔心位置设置一个节点；大于5mm且小于10mm的，在孔的四周设置四个节点；大于10mm的，在孔的四周设置不少于6的偶数个节点。对于螺栓连接孔，直径在5mm以内的孔，进行省略，在孔的中心布置节点；直径在5mm-12mm之间的，在孔的周围布置6节点并扩充5mm的垫圈孔；直径在12mm-18mm的，布置8节点和8mm的垫圈孔。12 家用轿车白车身的轻量化研究对于椭圆形的孔，短轴小于5mm的，省略孔；短轴长度处于5mm-8mm的，划分一排单元，根据网格大小在长边上布置节点数；短轴长度大于8mm，划分不少于两排的单元，根据网格大小在长边上布置节点数。b倒角的处理忽略半径在5mm以内的倒角特征；半径在5mm-8mm之间的倒角，用一排单元过渡；半径大于8mm的倒角，用两排或者两排以上的单元过渡。c翻边的处理对于焊接的翻边保持原有形状，焊接翻边单元不应有多余的角度产生；在焊接翻边划分的单元排数不少于两排。d焊缝的处理对于焊缝，可以用刚性单元连接或者使用网格柔性连接，保证在焊缝位置的网格节点对齐，本文采用刚性单元进行连接。e加强筋的处理加强筋原则上必须保留，本文中对于一些尺寸极小的加强筋，考虑其对整体力学性能影响非常小，进行省略。f凸台的处理凸台高度小于5mm，进行省略；凸台高于5mm，上表面划分网格保持平整，对过渡部分划分一排以上的网格。3.3网格划分3.3.1单元类型选取及网格划分标准建立有限元模型的过程中，单元选择的类型是否合适严重影响到单元质量，合适的单元类型能有效减少单元数目，缩短计算时间，所以建立有限元模型前，应该根据几何模型的具体特征，选取合适的单元类型。车身零件以钣金件为主，经过冲压、焊接、铆接等工序组装成车身整体。在车身进行承载时，零件的受力方式主要以拉、弯、扭为主，二维网格能有效的模拟薄壳零件受力，因此常用二维壳单元来划分。虽然三维体单元也能施加上述载荷，但是对于薄板件，用三维网格划分相比于二维网格，在网格总数上，三维网格的数量数倍于二维网格，导致求解时间更长。质量上，三维网格对于钣金件的划分也没有二维网格整体上规整。3.3.2网格质量控制对结构进行网格的划分是有限元模型构建中一重要环节，单元尺寸及单元划分的质量严重影响计算结果。网格基本尺寸的确定，决定了有限元模型网格的整体数量，网格质量相同情况下，网格尺寸越小，离散模型就越贴近实际模型，模拟的精确度就会越高，13 陕西科技大学硕士学位论文但网格数量的增多导致节点数目急剧增多，求解耗费的时间就会增长，如图3-1所示。所以网格尺寸的确定必须在精度与质量之间进行均衡，控制好单元的总数量，同时控制好单元质量，在硬件条件允许的情况下，尽可能提高计算精度。图3-1网格数量对计算结果的影响图3-2弦差示意图Fig.3-1TheeffectofgridnumberoncalculationresultsFig.3-2Chordaldeviation同样的网格尺寸，不同的网格质量控制标准，对于有限元计算结果有直接的影响，针对一维及二维单元，需要控制的网格质量如下：1）AspectRatio（纵横比）：反应单元长、宽比值的量，一般值为1最好，直观的反映单元的差异。2）ChordalDeviation（弦差）：表示近似直线段与实际曲线的最短垂向距离，如图3-2所示。3）Length（最小边长）：指单元最短边的长度，对于车身网格划分，一般长度控制在5-12之间，对于结构分析，关键区域局部细化，网格尺寸可以稍微小一些。4）Warping（翘曲角）：将四边形沿着对角线分为两个三角形，翘曲角为两个三角形法线之间的夹角，如图3-3所示。划分三角形有两种方法，一般取较大值为翘曲角。翘曲角反映了单元的扭曲程度，其值越小单元越平整，最小为0，即该单元没有发生扭曲，一般翘曲角在5°以下时，单元质量比较高。图3-3翘曲角示意图图3-4扭曲度示意图Fig.3-3SchematicdiagramofwarpingangleFig.3-4Schematicdiagramofdistortion5）InteriorAngles（内角）：指四边形和三角形单元的最大和最小内角值。6）Jacobian（雅可比）：在几何意义上，雅可比值是通过一个内切圆放入一个平面内，14 家用轿车白车身的轻量化研究其内切圆的面积与平面的面积的比值来衡量一个单元质量的参数值。7）Skew（扭曲度）：指单元夹角的倾斜程度，如图3-4所示。图3-5锥度示意图Fig.3-5Schematicdiagramoftaper8）Taper（锥度）：指四边形单元对角线划分三角形面积与单元二分之一面积的比值的最大值，具体描述如图3-5所示。9）三角形单元总数，单个零件划分网格，三角形单元的数目不能超过整体单元数目的10%。本文采用Hypermesh对车身模型进行前处理工作，网格检查指标设置如图3-6所示。图3-6网格质量检查标准Fig.3-6Gridqualityinspectionstandard3.3.3零部件网格的划分前面所述了一些孔、翻边等划分网格时的简化处理，但是零件划分网格时亦需遵循一些原则，与网格质量检查标准来共同控制整体有限元模型质量。本次研究对零部件网15 陕西科技大学硕士学位论文格划分时，遵循的一些原则如下：1）模型整体网格必须匀称，如图3-7所示。图3-7网格排列示意图Fig.3-7Schematicdiagramofgridarrangement图3-8保留必要的几何特征线Fig.3-8Maintainthenecessarygeometricfeaturelines图3-9一个节点不能超过5个单元Fig.3-9Anodemustnotexceedfiveunits16 家用轿车白车身的轻量化研究图3-10孔周围避免出现三角网格Fig.3-10Triangularmeshisavoidedaroundthehole图3-11减少不必要的三角网格Fig.3-11Reduceunnecessarytriangularmesh图3-12相邻零件保持同样划分方式Fig.3-12Theadjacentpartsremainequallydivided2）一些重要特征几何线必须保留，曲率连续的曲面交界线可以去掉，保证重要几何特征线上布置网格节点，不能有网格跨越，如图3-8所示。17 陕西科技大学硕士学位论文3）一个节点上不能超过5个单元，如图3-9所示。4）尽量避免孔周围出现三角形网格，如不可避免出现三角网格，应将三角单元从孔周围移开，如图3-10所示。5）尽量减少三角形网格，截面过渡处必然会产生三角网格，避免一些由于网格节点调节不均匀所产生的三角形单元，如图3-11所示。6）尽量用相同方法对相邻零件进行划分，防止零件装配时发生网格穿透，如图3-12所示。3.4分块建模与零部件命名3.4.1分块建模对于车身这样一个复杂的有限元模型，如果整体去建模及装配，对于模型的管理十分不便，因此规范建立步骤十分重要。对于复杂的大型模型，一般采用模块化建模思想，该思想是将一个模型总成按其组成分解为多个子模块，每个子模块分别建模并进行存储，模型之间的连接使用单独的文件定义。其好处有以下几点：1）每个子模块之间相互独立，可以非常方便的对各个模型进行操作，管理比较方便。2）很多车型的开发并不是全新开发，一般是基于某原始车型进行局部改变，有一些部分的模型可以重复利用，模块化建模能实现数据共享。3）可以方便的提高后处理效率。4）在车身研发过程中，有的部位需要关心碰撞性能，有的地方需要关心刚度，但不是所有的分析都需要整个模型，有了子模型可以满足多种工况的需要。根据承载式车身结构，将车身分为前车身总成，顶盖总成，底板总成，侧围总成等几部分。每个总成又包括一些小的总成，每个小的总成又包含若干个零件。3.4.2零件的命名规范的命名对于零件众多的复杂模型来说是十分必要的，每个零件需要的材料属性及厚度不尽相同，规范的命名能帮助设计者准确的寻找对应的模型文件，在后期分析过程中，更方便查找错误产生的原因，提升设计开发效率。1）零件名命名规则零部件命名包括车型代号、子组代号、零件号、厚度和材料，每个部分用下划线间隔开来，示例如下所示：D003_00_FC01_70152_T0010_SPHN490R2）焊点的命名焊点的命名主要包含层数以及位置，其命名如下所示：焊点（SPOT）+层数（X）_总成及位置18 家用轿车白车身的轻量化研究例如SPOT2_closure_front_door，表示四门两盖前车门上的两层焊。3）材料的命名材料的命名一般按照国家标准或企业标准的材料代号命名，车身材料主要以金属合金为主，本文以材料名称及屈服极限来命名材料，例如屈服极限为800Mpa的钢的命名为“Steel800Mpa”。3.5模型零部件连接及属性赋予现代轿车车身主要以点焊为主，辅以焊缝连接。点焊，全称电阻电焊，主要用于叠压在一起的金属板间的连接。车身结构主要以钣金件为主，大部分连接都为点焊连接，焊点数量非常多，据统计，整车上大概有4000-6000个焊点，白车身的焊点数目约占全部焊点的80%，本次研究的车身模型约有4700余个焊点。白车身整体具有许多大大小小的零件，其中多具有复杂的曲面空间结构，几何特征多等特点，保证有限元模型的精确性很难，需要在确保符合车身力学性能基本不改变的情况下，去尽量简化模型。连接方式的精确与否，对车身力学性能影响至关重要。车身零件主要以壳单元来模拟，由于网格选择尺寸与一些几何特征尺寸存在差异，建立的有限元模型不可避免的与几何模型存在误差，当这种误差在焊点连接位置出现时，肯定会对点焊造成影响。因此，建立白车身有限元模型时，应该创建一种单元来模拟点焊，最大化适应这种误差，而不是当做普通的有限元节点来处理。3.5.1焊点单元类型的介绍1）单梁模型在建立汽车有限元模型的过程中，经常会用到这单元模型。用梁单元（弹性的或刚性的）在焊点的位置连接被焊接的零件，或者直接融合两个焊点处的节点。这种处理方式能较好的模仿焊点对周围零件的影响，也能很好的模拟点焊的刚度性质。对于这种形式的连接，在Radiosss中通常是用REB2来模拟。REB3图3-13REB2单元实例图3-14ACM2焊点模型Fig.3-13TheelementmodelofREB2Fig.3-14TheelementmodelofACM219 陕西科技大学硕士学位论文REB2单元的组成包括一个主要节点和多个从节点，其从节点的数目是不定的，主节点具有独立的自由度，从节点保持着非独立自由度，从节点的运动受主节点控制，位移与主节点始终是一致的。如图所示，其中1~4节点之间没有相对位移，REB2结构如图3-13所示。2）ACM2模型ACM2模型最早由Heiserer提出，该模型是由一个六面体单元和REB3单元组成，六面体单元处于被焊接件中间，且垂直于被焊接面，通过REB3单元与被焊接件相连，如图3-14所示。REB3单元与REB2单元结构上比较相似，都是类似的蜘蛛网式结构，区别在于REB3不是刚性单元，从节点的运动并不依赖于主节点，其运动是独立的。主节点并不具备独立自由度，其运动是多个从节点的线性组合。根据REB3单元这一特性，通常在主节点施加力之后，力分配到从节点后，从节点的运动是各自独立的，这一过程与手动把总的力分配到周围节点上类似。3.5.2车身焊点模拟本文使用第一种模型，导入整车焊点位置，在焊点位置建立刚性梁单元，对整车零件进行点焊，全车身总共4778个焊点，如图3-15和3-16所示。图3-15模拟点焊连接Fig.3-15Simulatespotweldconnection3.5.3材料属性及厚度参数建立有限元模型还需要赋予模型对应的材料，一般材料主要考虑的材料属性包括泊松比、密度、弹性模量、非线性阶段的应力及应变作用。对于不用类型的分析，所用到的材料模型也不一样。对于静态分析，通常用MAT1材料模型，该材料模型属性是各项同性的，设置的材料属性主要有泊松比、密度、弹性模量；对于动态分析，MAT1材料模型就不适用了，需要考虑到材料的弹塑性，可以选用MAT24、MAT98。20 家用轿车白车身的轻量化研究车身零件大多数是由钢板冲压而成，单个零件一般都是等厚度的，零件的厚度范围在0.6~3mm之间。本次有限元模型建立，根据该款车型原始设计参数厚度进行赋予。根据车身钣金件成型方式，其材料要求延展性较好，变形时不易发生破裂，所以车身钣金件的材料一般为钢。据工作环境和受力状态，一些部位的零件会采用镁合金、铝合金、高强度钢板和复合材料等性能较好的材料。本课题研究的车身的主要材料为钢。根据车身部位的不同，所用钢的型号也不一样，但其弹性模量、密度、泊松比相差不大，刚度分析模型的建立，因为不考虑非线性，只需设置弹性模量、密度和泊松比等参数，其参数如表3-1所示。表3-1模型材料Tab.3-1Themodelmaterial3材料弹性模量（MPa）密度（t/mm）泊松比-9Steel2100007.89e0.3图3-16车身焊点分布Fig.3-16Body-in-whitesolderjointdistribution3.6车身有限元模型的建立a）前车身总成b）底板总成图3-17白车身各总成模型Fig.3-17Body-in-whiteassemblymodel21 陕西科技大学硕士学位论文c）顶盖总成d）侧围总成图3-17白车身各总成模型（续）Fig.3-17Body-in-whiteassemblymodel（continue）图3-18车身整体有限元模型Fig.3-18Theoverallfiniteelementmodelofthebody经过模型简化处理，划分零件网格及组装之后，建立了前车身总成，顶盖总成，底板总成，侧围总成等有限元模型，最终整体组装成车身模型，其总装模型共有356616个节点，350259个壳单元，车身各总成及整车模型如图3-17和3-18所示。3.7本章小结本章主要讲述了白车身有限元模型的建立过程，包括以下内容：1）对模型进行几何清理；2）设定壳单元网格的划分标准，对零部件划分网格；3）分块建模，并按标准对零部件进行命名；4）建立刚性梁单元模拟点焊，完成整个车身的点焊连接；5）建立了前车身总成、底板总成、侧围总成、顶盖总成及整个白车身有限元模型。22 家用轿车白车身的轻量化研究4车身性能分析轿车车身一般为承载式车身，承受着来自乘客、货物、整车及其他总成的载荷作用，一个合格的车身应具备较好的刚度、强度、振动特性和碰撞安全特性。车身整体刚度不足会导致汽车在不平路面行驶或受到冲击（如泥洼坑路）时产生大变形，大变形会致使零件之间发生碰撞摩擦，产生异响。比如车身变形过大，与车门变形存在严重不一致时，车身就会与车门发生碰撞，发出“咯咯”的异响声。对于车身NVH问题来说，当车身整体刚度不足的时候，整车的模态频率会偏低，抵抗低频振动的能力较弱，容易与外界激励发生共振；当汽车在高速行驶的时候，由于空气阻力的作用，车身整体刚度不足会导致车身产生大变形，与车身之间形成动态密封不良，形成缝隙，产生风噪。在可靠性上，车身刚度是决定疲劳强度的重要因素之一。在碰撞安全问题上，车身刚度也会给碰撞吸能与行人保护带来影响。本章主要对白车身的静、动刚度进行研究。车身的刚度主要有静刚度和动刚度两种，静刚度主要包括弯曲工况和扭转工况下车身的刚度，即弯曲刚度和扭转刚度。衡量弯曲刚度可以观察沿车身纵方向上的弯曲挠度；衡量扭转刚度的方法可以通过车身扭转角的大小，门锁的位置变化及洞口变形量的大小。车身动刚度主要指低阶模态，低阶模态应避开外界载荷的固有频率，差异值越明显，共振的可能性越低。4.1车身的扭转刚度汽车行驶在崎岖道路上时，由于左右两车轮受力不均，垂直方向上施加的载荷不均匀，使车身发生扭转变形。当发生的变形量过大时，会导致车身门洞严重变形，影响车身密封性，甚至导致车门卡死。车身扭转刚度用来衡量车身抵抗扭转变形的能力，如果把车身看作是一个杆体，且具有均匀刚度，则扭转刚度可表示为TLGJ（4-1）式中：GJ——扭转刚度；T——扭力（N）；L——轴距（m）；——轴间相对扭转角（deg），扭转角位置如图4-1所示。扭转角计算方法为180hh12arctan（4-2）L23 陕西科技大学硕士学位论文h2θLh1图4-1轴间相对扭转角示意图Fig.4-1Diagramofrelativetorsionanglebetweenaxes4.1.1扭转工况分析求解汽车行驶过程中，四个轮子都会有载荷传递，使车身发生扭转变形。通过研究扭转工况变形最大的情况，边界条件处理如下：1）约束处理：约束后悬架支撑点和前防撞梁中间部位X、Y、Z三方向平动自由度。2）载荷处理：在左右前悬架支撑点施加等大反向载荷，参照同类车型试验条件，载荷大小为5500N，通过REB3单元将载荷分散到周围节点上，避免局部节点受力过大。边界条件施加如图4-2所示。图4-2扭转工况边界条件Fig.4-2Boundaryconditionofrevers对于模拟计算出的结果，通过三种方式来评价：车身洞口对角线的尺寸变化，测量位置如图4-3所示，根据相应的评价标准，前后风窗的对角线的变化值在5mm以内，门洞处的对角线变化值在3mm以内；前后轴间相对扭转角；沿车身纵向，底板两侧对应位置的扭转角变化，本次研究在左右前后纵梁下方、左右门槛梁下方、前围板下方各取了20个测量点，如图4-4所示。24 家用轿车白车身的轻量化研究图4-3洞口测量位置示意图Fig.4-3Diagramofholesurveyposition图4-4测量点位置示意图Fig.4-4Diagramofmeasurepointlocation图4-5扭转工况下车身位移云图Fig.4-5Thedisplacementofthebodyundertheconditionoftorsion25 陕西科技大学硕士学位论文图4-6扭转工况下车身应力云图Fig.4-6Thestressofthebodyundertheconditionoftorsion图4-7沿车身纵向转角及扭转刚度变化Fig.4-7ChangetheAngleandtorsionstiffnessofthebody表4-1车身门洞对角线尺寸变化Tab.4-1Thevariationofdiagonaldimensionsofthebodydoor变形部位变形量（mm）变形部位变形量（mm）左前门A10.988右后门B3-0.959左前门A2-1.194右后门B41.458右前门A3-0.957前风窗C1-3.473右前门A41.241前风窗C23.835左后门B11.104后风窗D1-4.895左后门B2-1.362后风窗D24.31526 家用轿车白车身的轻量化研究将文件提交Radioss求解器进行计算，得到白车身扭转工况下的位移和应力如图4-5和图4-6所示。沿车身纵向扭转角及扭转刚度变化曲线如图4-7所示。车身各门洞变形量如表4-1所示。4.1.2扭转刚度计算及评价车身一些几何参数如表4-2所示，根据图4-2所示边界条件，扭力偶之间的距离为前悬架支撑点之间的距离，载荷大小为5500N，带入相应数据，得扭矩M为M55001.1256187.5Nm测量前轴两侧变形位移绝对值大小分别为7.626mm、8.656mm，代入式（4-2）计算扭转角为0.5904deg。由式4-1可计算扭转刚度为10480Nm/deg。表4-2车身几何参数Tab.4-2Bodygeometryparameter位置尺寸（mm）位置尺寸（mm）长度4728左右前悬架安装支点1125宽度1827左右后悬架安装支点1164高度1236轴距1580参考类似车型[49]，扭转刚度设计值为13000Nm/deg，该车身扭转刚度略有不足；由图4-5和图4-6可以看出，车身沿纵向扭转变形在前围板附近及后悬架支撑点附近有突变，其余位置比较平滑，突变位置与经验区域是一致的；根据表4-1所示，各洞口变形量较小，均在合理范围内。4.2车身的弯曲刚度满载汽车行驶在均匀路面上或者静止时，所受的载荷主要是垂直向下的，发生的变形主要是弯曲变形，此种工况即为车身的弯曲工况。作为承载式车身，车身的弯曲刚度对车身性能来说十分重要，是一个表示车身纵挠度的量。图4-8弯曲刚度计算示意图Fig.4-8Diagramofflexuralrigiditycalculation27 陕西科技大学硕士学位论文如果假定车身具有同样的张力，可以把其看做一个简支梁，如图4-8所示。在梁的中间施加集中载荷F，载荷已知的情况下，只需测量对应的弯曲挠度，根据简支梁弯曲刚度的计算公式，就可以求得前后轴间车身的弯曲刚度近似值。简支梁弯曲刚度EI的计算公式为当xb时：222FaxLaxEI6Ly当bxL时：L3223FaxxbLaxxa（4-3）EI6Ly式中：EI——车身弯曲刚度（N/mm）；F——集中载荷（N）；L——车身前后轴距（mm）；b、a——前、后支点到载荷施加点的距离（mm）；x——测点到前支点的距离（mm）；y——垂直方向的弯曲挠度（mm）。此种方法计算比较繁琐，只适用于集中载荷，且载荷必须对称分布在车身左右两侧。对于多个位置受力的工况，通常会计算载荷F与门槛或纵梁的最大弯曲挠度Zmax的比值来作为弯曲刚度的一个参考，此时的弯曲刚度计算为FEI（4-4）Zmax车身弯曲刚度一般可以通过车身弯曲刚度值来评价，轿车车身弯曲刚度一般要求为[8]11000~13000N/mm；也可以通过地板两侧在车身纵向的垂直变化挠度曲线来评价，车身底部测量点与扭转工况选取的测量点相同。4.2.1车身的弯曲刚度求解弯曲工况边界条件：1）约束条件：约束前支撑点Y、Z方向平动自由度，约束后支撑点X、Y、Z方向平动自由度。2）施加载荷：参照同类车型试验情况，在前后座椅安装处施加左右对称垂直向下的力，大小F=1600N，通过REB3单元分散到周围节点上，如图4-9所示。28 家用轿车白车身的轻量化研究经过分析计算，得到弯曲工况下白车身的应力及位移云图如图4-10和图4-11所示，在Hyperview后处理软件里，测量各点Z向位移值，绘制车身纵向挠度变化如图4-12所示。图4-9弯曲工况边界条件Fig.4-9Boundaryconditionofbendingcondition图4-10弯曲工况位移云图Fig.4-10Displacementclouddiagramofbendingcondition图4-11弯曲工况应力云图Fig.4-11Stressclouddiagramofbendingcondition29 陕西科技大学硕士学位论文图4-12车身纵向弯曲挠度变化Fig.4-12variationofbendingdeflectionofthecarbody4.2.2车身的弯曲刚度计算及评价测量车身底部门槛处，最大位移量0.5456mm，由式（4-4）可得车身弯曲刚度为11730N/mm,车身刚度勉强达到轿车刚度要求，车身的最大应力为637MPa；车身纵梁挠度变化比较均匀，在门槛梁的后端挠度最大，在满载工况下，车身后部刚度比较弱。4.3模态分析模态反映的是物体的固有动态特性，主要表现为固有频率和模态振型，其频率和振型与外在激励无关，受物体本身结构特性和边界条件影响。如果改变了材料的弹性模量，振型未必发生变化，但是固有频率一定会发生变化。如果改变边界条件，振型和固有频率会同时改变。车身具有无限多自由度，在进行振动分析时，对其进行离散化处理，这时车身可看做一个具有N维（N→∞）自由度的线弹性系统。对于这样一个系统，描述其运动微分方程为MCKPt（4-5）式中：M——质量矩阵；C——阻尼矩阵；K——刚度矩阵；——加速度向量；——速度向量；——位移向量；30 家用轿车白车身的轻量化研究Pt——载荷阵列。该车身系统阻尼比一般在3%以内，如果将其忽略的话，对车身进行自由模态分析时，假设Pt0，由式（4-5）便可得到多自由度无阻尼自由振动系统的微分方程式MK0（4-6）对式（4-6）求解，就可以得到车身系统自由模态下的固有频率和相应振型。4.3.1模态分析求解在EIGRL卡片中设置频率范围为0~50Hz,计算车身在这个频率范围内的所有固有频率和振型。经计算分析，得到车身前16阶固有频率和振型，固有频率和振型描述如表4-3所示。自由模态的前六阶是刚体模态，第7~16阶振型云图如图4-13~图4-17所示。表4-3固有频率及振型Tab.4-1Naturalfrequenciesandmodes阶数固有频率（Hz）振型1~60刚体模态721.62车身前端一阶横摆825.45C柱与车顶连接处产生一阶横摆，与车身前端形成一阶扭转930.43车身前端二阶横摆1036.79一阶弯曲1139.50顶盖后端与行李架加强板局部模态1240.24车身侧围尾端局部模态1341.56车身后部局部模态1443.73车身后部局部模态1548.80前围板局部模态1649.64前围板局部模态图4-13第七、八阶模态振型图Fig.4-13Theseventhandeighthordermodalrevitalizationdiagram31 陕西科技大学硕士学位论文图4-14第九、十阶模态振型图Fig.4-14Theninthandtenthordermodalrevitalizationdiagram图4-15第十一、十二阶模态振型图Fig.4-15Theeleventhandtwelfthordermodalrevitalizationdiagram图4-16第十三、十四阶模态振型图Fig.4-16Thethirteenthandfourteenthordermodalrevitalizationdiagram图4-17第十五、十六阶模态振型图Fig.4-17Thefifteenthandsixteenthordermodalrevitalizationdiagram32 家用轿车白车身的轻量化研究4.3.2模态分析结果评价据相关资料表明，车身受到来自路面的激励一般在20Hz以下，该车身最低频率为21.62Hz，高于路面激励，避免了共振，其一阶扭转频率为25.45Hz，与发动机怠速转频率比较接近，容易引起车身共振，产生扭转变形，一般要求高于28Hz。4.4制动工况下白车身强度分析汽车在驾驶过程中遭遇特殊情况时，司机快速、正确的使用制动器，用最少的时间将车停住，这种工况称之为紧急制动。该工况下，车身的载荷以向前的惯性力为主，车轮与路面的附着系数在0.55~0.7之间，大概0.6~0.7g的减速度会施加在车身上，如果车身载重越大，则变形量越大。4.4.1制动工况分析求解图4-18制动工况下车身应力云图Fig.4-18Displacementandstressclouddiagramofbrakingconditions图4-19制动工况前部车身总成应力云图Fig.4-19Stressclouddiagramofthefrontbodyassemblyofthebrakingcondition边界条件处理如下：33 陕西科技大学硕士学位论文1）在车身前座椅位置建立两个质量单元，后部座椅施加三个质量单元，大小均为75kg，通过REB3单元与车身地板进行连接；给整个车身施加垂直向下，大小为1G的重力加速度；施加与汽车前行反向，大小为0.6G的加速度。2）约束前后悬架支点的XYZ、、平动自由度。弯曲与制动联合工况下的白车身应力云图如图4-18~图4-20所示。图4-20制动工况下侧围及顶盖总成应力云图Fig.4-20Stressclouddiagramofsideandroofassemblyunderbrakingcondition4.4.2制动工况结果分析从图4-18中可以看出，满载制动工况下车身最大应力为581.9Mpa,最大应力产生的部位为行李箱加强架与车身底板的连接件，该部位所用材料屈服极限在300Mpa，最大应力超过屈服极限，会发生塑性变形，此处应更换屈服极限较高的材料；由图4-19可以看出，前部车身应力集中部位主要出现在悬架安装处及前围板两侧连接部位，前车身最大应力仅为105Mpa，小于材料屈服极限；由图4-20可以看出，应力集中部位主要在侧围下部、门洞拐角部位，整体最大应力为95Mpa，小于材料屈服极限。4.5转向工况下白车身强度分析转向工况是指汽车紧急转向时，由于运动方向发生改变，车身会受到一个侧向的惯性力作用。惯性力的大小与车身负载和速度的突变有关。4.5.1转向工况的分析求解为了模拟满载时的转向工况，采用与制动工况相同的质量单元充当负载，边界条件设置如下：1）载荷：对整个车身施加重力，同时对车身侧向施加与转弯方向相反的，大小为0.5G的加速度（模拟的为右转向）。2）约束：右前轮限制X、Y、Z平动，左前轮限制X、Z平动，后轮限制Y、Z平34 家用轿车白车身的轻量化研究动。转向工况下车身应力云图如图4-21~图4-23所示。图4-21转向工况车身应力云图Fig.4-21ThestressclouddiagramofBIWofsteeringcondition-图4-22转向工况前车身与侧围总成应力云图Fig.4-22Thestressclouddiagramofthefrontandsidebodyofsteeringcondition图4-23转向工况顶盖应力云图Fig.4-23Thestressclouddiagramoftheroofofsteeringcondition35 陕西科技大学硕士学位论文4.5.2转向工况结果分析从图4-21中可以看出，紧急转向工况下车身最大应力为740Mpa,最大应力产生的部位为行李箱加强架与车身底板的连接件，应力产生较大，应更换较高屈服极限的材料，避免发生塑性变形；由图4-22可以看出，前部车身应力集中部位主要出现在悬架安装处，侧围部分应力主要集中在洞口的拐角部位，前部车身与侧围的最大应力122Mpa，小于材料屈服极限；由图4-23可以看出，顶盖的最大应力为234Mpa。4.6本章小结本章主要求解了车身扭转、弯曲、制动、转向工况下的刚度及自由模态。根据分析结果，对车身性能进行了评价：车身扭转刚度略低；弯曲刚度达到家用车弯曲刚度设计要求；低阶固有频率偏低；紧急制动工况下车身后底板部位应力过大，有发生塑性变形的危险，应更换此处材料；紧急转向工况下，车身后底板部位及底盖后部应力过大，超过该部位材料的屈服极限，应更换屈服强度更高的材料。36 家用轿车白车身的轻量化研究5车身结构优化与改进5.1引言通过上一章的车身性能计算可知，白车身的弯曲刚度均满足设计要求，扭转刚度略有不足，第7阶与第8阶固有频率分别为21Hz和25Hz，其第8阶模态对应的振型为车身的1阶扭转变形。路面激励一般在20Hz以下，虽然能避免与路面激励发生共振，但是与发动机怠速转频率比较接近，容易引起车身共振。传统的优化问题只有一个目标函数，本文要对车身进行多种性能的优化，故采用多目标优化，其优化流程如图5-1所示。系统分解试验设计（DOE）根据试验设计方案给出一组采样点根据采样点进行数据仿真构建近似模型否满足精度要求是否单目标优化否是多目标优化考虑不确定性ParetoSet是确定性优化可靠性优化选择满意解收敛否是是达到要求结束图5-1优化过程Fig.5-1Theoptimizationprocess37 陕西科技大学硕士学位论文5.2多目标优化理论基础5.2.1试验设计方法（DOE）试验设计是一种统计方法，主要通过合理的安排试验和分析实验数据来选择能反应整个设计空间的样本点[50]，常用的试验设计方法如下：。1）全因子试验设计：全因子设计对每个因子的各水平都会进行排列组合，这种方法的优点在于可以计算所有的主效应和交叉效应。当因子数及因子水平过多时，占用的计算资源过大，该方法不适用。此方法当且仅当设计变量较少且各因子水平数量不是很多的时候才具有可行性。例如：试验设计方案总因子数8个，2水平因子5个，；3水平因子2个，4水平因子1个。则所需要的试验次数n为521n23411522）中心复合设计：中心复合试验设计常用于已知模型的响应面为二阶的情况。针对一个有K个因子的模型，只用中心复合设计时，需要定义轴向距离和中心点的个数。具体实例如图5-2所示。例如，K的取值为2，轴向距离的取值为，中心点的数量为1，一共需要进行15次试验。其中Run1~Run8为因子实验，Run9~Run14为轴向试验，而Run15为中心试验。中心复合设计需要的试验次数服从以下关系：k总试验次数22次的因子试验kn次的轴向试验次的中心试验c其中n为中心点的个数。c3）正交试验设计：正交试验设计通过使用正交表格来进行试验安排，挑出的试验组合在全面试验中比较有代表性且试验次数较少，但对于研究多因素、多水平的问题，正交法仍需要做大量的试验。图5-2中心复合试验设计Fig.5-2Centralcompositetestdesign4）Plackett-Burman试验设计：Plackett-Burman是饱和的部分因子设计，属于一种38 家用轿车白车身的轻量化研究筛选试验设计，主要对于因子数目很多，但没有对众因子的灵敏度进行分析的情况。这种试验设计只对每个因子取高、低两个水平，原始条件作为低水平，原始条件的1.25倍作为高水平，通过对比每个因子高、低水平分别对整体的影响来评价因子的灵敏性。该方法的缺点是不能区分主效应与交互效应的影响，但是对于有显著影响的因子的分辨能力很好，从而可以进行试验因子的筛选。5）拉丁超立方采样：拉丁方超立方设计可以看成分层的蒙特卡洛方法，该方法先对n设计区域进行划分，每个划分后的子区域在概率上是相同的，然后进行r随机采样。其中r为试验进行的次数，n为所具有的因子数。该方法的好处是将成对的相关系数控制的很小，这对于无关参数估计来说非常重要，当试验次数一定时，此方法对于探索设计空间内部非常有用。6）哈默斯雷采样:该方法利用伪随机数在一个超立方体里进行均匀的抽样，是一种类蒙特卡洛法。其优点在于能很好的预估统计结果，且所用样本点的数量较少，同时，在N维超立方体上该方法的分布比较均匀，要优于拉丁超立方法，仅在一维问题上，拉丁超立方取样比较均匀，用两种方法分别采样100个点的分布比较如图5-3所示。图5-3拉丁超立方（左）与哈默斯雷（右）Fig.5-3Latinhypercube(left)andhammersley(right)对于n个设计变量，若用哈姆斯雷采样获得一个二次多项式，至少需要nn12/2次试验，其中n为设计变量的数目。在N次试验中，哈默斯雷生成的n个设计变量的值为pxPnR1pR2pRn1p（5-1）N式中：N——试验设计的次数；n——设计变量的数目；p——设计编号；39 陕西科技大学硕士学位论文R——前n1个素数，i式（5-1）中，R为12m1ppRpRpR（5-2）Rm01P是整系数，基数R符号中的p表示为2mpppRpRpR（5-3）012m式中：mpintlogR。轿车白车身组成零件很多，且每个零件对于结构性能影响的显著性不同，所有零件尺寸都作为设计变量参与优化会极大的增加优化工作量，造成不必要的资源浪费。基于Plackett-Burman的筛选特性，本文先采用该方法对主要的车身零件进行选择，找出对车身质量、刚度、前两阶固有频率敏感性比较高的零件作为分析对象，为了保证近似模型的精确性，采用哈默斯雷采样法对筛选出的设计变量重新进行数据采集，作为建立响应面的输入矩阵。5.2.2近似模型的建立随着计算机技术不断发展，利用CAE技术求解有限元模型的复杂程度有了很大提高，但是对于大型有限元模型求解还是需要消耗大量的时间。在进行模型优化时，即便仅有几个设计变量的情况下，也需要迭代很多次之后才能收敛，如果直接用求解器对有限元模型进行求解，会耗费大量时间，甚至可能消耗的时间是我们所不能接受的。为了兼顾运算时间与效率，保证运算结果的准确性，通常用数学函数模型来近似充当工程实际中复杂的多自由度模型。近似模型法就是利用数学理论上的近似技术对离散点进行拟合或插值而建立指标和因子间的函数关系式，实现对未知点响应的预测。常用的近似模型法有响应面模型（RSM）、克里金模型（Kriging）、径向基神经网络模型（RBF）。下面分别对几种近似模型构建方法做一些简单介绍。1）响应面模型：响应面法作为一种数学方法和统计技术，用来拟合一组设计变量和输出响应之间的关系。低阶多项式为pyx0iix（5-4）i1二次多项式为p2yx0iixijixxj（5-5）i11ijp40 家用轿车白车身的轻量化研究式中：——多项式系数；ip——变量的个数。输入变量yx和输出响应yx之间的关系式为yxyx（5-6）系数可通过最小二乘法估算。如果输入变量yx是低阶线性多项式，则将式（5-4）带入式（5-6）可得yx（5-7）式中：y11x11x12x1p11y21x21x22x2p22y，x，，；yn1xn12xnxnppnn——观测次数；——标准正太分布的随机误差。T令L，对其求最小值便可的到i的估算公式1TTxx,xy（5-8）2）克里金模型：变量在空间的分布上具有变异性，一定范围内的变量具有某种相关性，Kriging根据变量的这两种特性，给每个变量赋予不同的权值，最后推过加权平均对区域内变化量进行一种最佳的线性无偏估计。设x0为待插值的点，yx0为待插值点的响应值，x1，x2，，xn为x0周围的已知点，y1，y2，，yn为已知点对应的响应值。待插值点的估计值yx0由相邻已知观测值加权求和计算可得Nyx0iiyx（5-9）i1式中：——加权系数。iKriging加权系数i的计算最为关键，其必须满足两个条件：a）无偏估计：由于变量在空间具备变异性，可把yx0、yx0以及yxi视为随机变量，当为无偏估计时，满足以下关系：41 陕西科技大学硕士学位论文NEyx00yx0，即i=1i1b）预测响应值与真值之差的方差最下，即NNNDyx0yx02ixxi,0ijxxi,jmin（5-10）i1i1j1式中：xxi,0——以xi和x0为间距时，参数的半方差值；xxij,——以xi和xj为间距时，参数的半方差值。3）径向基神经网络模型：RBF神经网络采用仿生学原理，模拟人脑中的神经网络构造。RBF由三部分组成，第一部分作为输入层、第二部分为隐层也叫中间层、最后为输出层。输入层由径向基函数映射到中间层，中间层到输出层是线性加权。其原理图如图5-4所示。图5-4径向基函数神经网络的拓扑结构图Fig.5-4TopologydiagramofradialbasisfunctionneuralnetworRBF神经网络从输入到输出的映射关系为Myifxiwikkxckk1Txckkxckkxcexp2（5-11）2k式中：x——输入矢量；——基函数；w——权系数；42 家用轿车白车身的轻量化研究c——第K个节点的中心；k——第K个节点的基宽度参数。k在非线性拟合能力RBF的拟合能力非常强，无论怎样复杂的非线性关系，RBF都可以实现映射，有简单的计算格式，灵活的节点配置，相较于其他方法，RBF计算精度较高且工作量较小。5.2.3遗传算法开始编码、初始化种群Gen=0Gen=Gen+1变异计算个体的适应度交叉选择否是否满足优化终止准则是解码输出最优个体结束图5-5遗传算法流程图Fig.5-5Geneticalgorithmflowchart遗传算法最初由美国学者J.Holland提出，是一种全局上的优化概率算法，以生物的进化特性以及遗传变异原理为根据。该算法所求解的函数不要求连续性和可导性，能直接操作结构对象，从整个可行域内寻找到最优解。常用的遗传算法有强化非劣解进化遗传算法（SPEA）、非支配排序遗传算法（NSGA）、多目标遗传算法（MOGA）。MOGA的基本流程图如图5-5所示。5.2.4多目标优化问题的数学模型对于一个多目标优化问题，设其决策变量有n个，目标变量有m个，以数学关系可以表示为43 陕西科技大学硕士学位论文minyfxfx12,fx,,fnxnN1,2,,st..gxi0im1,2,,hxj0jk1,2,,xxx12,,,xdD,,xxddminxdxmaxdD1,2,,（5-12）式中：x——D维决策变量；y——目标向量；N——优化目标的数目；gxi0——第i个不等式约束；hxj0——第j个等式约束；fxn——第n个目标函数；x、x——搜索域的上、下限。dmindmax由于多目标问题中有多个目标，且每个目标之间非相互独立，一个目标的改善提升可能导致其他目标性能变差。因此，多目标优化问题得到的不是最优解，而是一个有效解集，称之为Pareto最优解集。Pareto解集会在几何上构成一个面，称为Pareto前沿面。最终需要根据实际需求来选择所需要的解。5.3白车身结构多目标优化模型的建立及求解5.3.1选取设计变量白车身是由许多个板件焊接而成，本文建立有限元模型时，在遵循车身力学性能的原则下，对许多零件进行省略，但有限元模型零件数依旧有167个零件之多。如果将所有零件都设为设计变量，将会大大增加优化计算难度，甚至可能得不到收敛解。根据上一节DOE方法的介绍，对于变量较多，且不明确变量对于响应的灵敏程度，Plackett-Burman可以分辨出有显著影响的因子，从而达到筛选目的这一特点，本文选取影响车身的主要零部件35个进行Plackett-Burman试验设计，找出对车身质量、弯曲刚度、扭转刚度、第七阶模态和第八阶模态比较敏感的零件作为设计变量。选取的35个零部件如表5-1所示。本文总共建立了7个响应，响应1～响应7分别为车身质量、弯曲工况下左门槛最大位移点的Z向位移、弯曲工况下右门槛最大位移点的Z向位移、扭转工况前轴左侧测44 家用轿车白车身的轻量化研究量点的位移值、扭转工况前轴右侧测量点的位移值、第7阶模态和第8阶模态。根据Plackett-Burman试验设计，针对三种工况下的七个响应，总共运算108次，得到35个设计变量对每个响应的主效应图，如图5-6~图5-12所示。表5-1初始设计变量编号及名称Tab.5-1Initialdesignvariablenumberandname变量编号零件名称变量编号零件名称变量编号零件名称V1左前纵梁外板V13左A柱加强板V25顶盖V2左前纵梁中部加强板V14左C柱加强板V26右侧A柱加强板V3左前纵梁槽型板V15左A柱外板V27右A柱外板V4右前纵梁外板V16左门槛加强板V28行李架加强板V5右前纵梁中部加强板V17左后侧围内板及轮罩V29右B柱内板V6右前纵梁槽型板V18左门槛外板V30右B柱外板V7右后轮罩V19右后侧围内板及轮罩V31右C柱加强板V8左后轮罩V20左侧围外板V32右侧围外板V9后围板V21前围板V33右侧门槛加强板V10后地板V22前围上盖板加强板V34右门槛外板V11左B柱内板V23前围上盖板V35左右前侧围外板V12右侧门槛加强板V24前地板——图5-6设计变量对车身质量的主效应图Fig.5-6Themaineffectdiagramofthedesignvariableonthebodymass45 陕西科技大学硕士学位论文图5-7设计变量对门槛右侧最大位移点主效应图Fig.5-7Thedesignvariableonthemaximumdisplacementpointontherightside图5-8设计变量对门槛左侧最大位移点主效应图Fig.5-8Thedesignvariableonthemaximumdisplacementpointontheleftside图5-9设计变量对前轴左侧最大位移点主效应图Fig.5-9TThedesignvariableonthemaximumdisplacementpointoftheleftfrontaxle46 家用轿车白车身的轻量化研究图5-10设计变量对前轴右侧最大位移点主效应图Fig.5-10Thedesignvariableonthemaximumdisplacementpointontherightfrontaxle图5-11设计变量对一阶模态的主效应图Fig.5-11Themaineffectdiagramofthedesignvariablesonfirst-ordermode图5-12设计变量对二阶模态的主效应图Fig.5-12Themaineffectdiagramofthedesignvariablesonsecond-ordermode47 陕西科技大学硕士学位论文由线性主效应图可以看出：对质量影响较大的是后地板、前地板、顶盖、左侧围外板、右侧围外板和左、右前侧围外板；对弯曲刚度影响较大的是右后轮罩、左后轮罩、后地板、左门槛外板、右门槛外板、左侧围外板、右侧围外板；对扭转刚度影响较大的是后地板、左后侧围内板及轮罩、右后侧围内板及轮罩、左侧围外板、行李架加强板、右侧围外板和左、右前侧围外板；对第一阶模态频率影响较大的是左前纵梁槽型板、右前纵梁槽型板、左A柱加强板、左A柱外板、右A柱加强板、右A柱外板、前围板、前围上盖板、前围上盖板加强板和左、右前侧围外板；对第二节模态频率影响较大的是后地板、左后侧围内板及轮罩、右后侧围内板及轮罩、左侧围外板、前围上盖板加强板、右侧围外板、行李架加强板。通过对比分析，选择18个对车身性能影响较大的零件尺寸作为设计变量。5.3.2试验设计表5-2哈默斯雷试验设计变量Tab.5-2ThedesignvariablesofHammersley序号变量名变量代号初始值下限上限1左前纵梁槽型板v11.331.92.472右前纵梁槽型板v21.331.92.473右后轮罩v30.560.81.044左后轮罩v40.560.81.045后地板v50.841.21.566左后侧围内板及轮罩V60.630.91.177左门槛外板V71.1251.251.3758右后侧围内板及轮罩V80.630.91.179左侧围外板V90.630.91.1710前围板V100.5250.750.97511前围上盖板加强板V110.5950.851.10512前围上盖板v120.4550.650.84513前地板v130.560.81.0414顶盖v140.560.81.0415行李架加强板v150.5250.750.97516右侧围外板V160.630.91.1717右门槛外板V170.8751.251.62518左、右前侧围外板V180.841.21.5648 家用轿车白车身的轻量化研究哈默斯雷能很好的预估统计结果，且所用样本点的数量较少。所以本文根据Plackett-Burman试验设计选择出来的18个设计变量，进行哈默斯雷试验设计。将18个板件作为设计变量进行样本采集，以设计变量原始值的30%作为上下限，如表5-2所示。依据哈默斯雷试验设计规则，18个设计变量需要进行的试验设计次数为：n181(182)2190本文进行了190组样本采集，提取的响应有白车身的第7阶模态、第8阶模态、弯曲刚度左侧位移最大测量点、弯曲刚度右侧位移最大测量点、扭转刚度左侧位移最大测量点、扭转刚度右侧位移最大测量点和车身质量。其哈默斯雷设计采样点分布示意图如图5-13所示。图5-13哈默斯雷设计采样点分布图Fig.5-13Hammersleydesignsamplingpointdistribution图5-14拉丁超立方设计采样点分布图Fig.5-14Latinhypercubedesignsamplingpointdistribution49 陕西科技大学硕士学位论文为了检验后面拟合的近似模型，还需采样一组数据作为检验矩阵，本文采用拉丁超立方试验设计采样20组样本点作为检验矩阵，其样本点分布示意图如图5-14所示。5.3.3近似模型的建立本节以哈默斯雷试验设计选取的样本点为输入矩阵，采用克里金法和径向基神经网络法分别拟合了白车身的18个设计变量与7个响应的近似关系，作为白车身的近似模型。响应1~响应7分别为车身质量、弯曲工况下左门槛最大位移点的Z向位移、弯曲工况下右门槛最大位移点的Z向位移、扭转工况前轴左侧测量点的位移值、扭转工况前轴右侧测量点的位移值、第7阶模态和第8阶模态。a）响应2b）响应3c）响应4d）响应5e）响应6f）响应7图5-15部分克里金法拟合的响应面模型Fig.5-15Partoftheresponsesurfacemodelfittedbykriging50 家用轿车白车身的轻量化研究a）响应1b）响应2c）响应3d）响应4e）响应5f）响应6图5-16部分径向基神经网络拟合的响应面模型Fig.5-16PartoftheresponsesurfacemodelfittedbyRBF由于篇幅所限，列出部分拟合的克里金近似模型及径向基神经网络模型如图5-15和图5-16所示。5.3.4近似模型精确性检验上一节分别用两种近似模型法拟合出了白车身部分设计变量对各个响应的数学模型，其作用是用来代替原有模型，因此近似模型和原有限元模型的误差是最后优化结果可靠性的关键。近似模型回归方程的检验常用到概率论中的F检验，假设Qz为样本点的总偏差平方和，Q为回归偏差平方和，Q为残余偏差平方和，其数学计算式为hc51 陕西科技大学硕士学位论文n2Qziyy（5-13）i1n2Qhiyy（5-14）i1n2Qciyy（5-15）i1n1yyi（5-16）ni1QzQcQh（5-17）式中：y——第i个样本点的响应值；iy——n个样本点的均值；y——样本点的近似值；n——样本点数量。其中Q反映了所有响应值的偏差，具有n1个自由度；Q反映了总偏差中由于变量zh的线性关系而引起响应变化的部分，自由度为n；Q反映了其他因素对响应偏差的影响，vc自由度为nn1。v如果样本点矩阵是满秩矩阵，可通过定义统计量F是否服从Fnnnvv,1的分布来检验近似模型回归方程的显著性QhnvFFnnnvv,1（5-18）Qcnn1v如果式（5-18）成立：FFnnnvv,1（5-19）则可以认为在显著水平下，近似回归方程具有显著意义。2工程上常用复相关系数R、平均相对误差RAAE和均方根差RMSE来评价模型精度，其表达式为2QQchR1（5-20）QQzz52 家用轿车白车身的轻量化研究nyy1RAAE（5-21）nyi1n2RMSEyyn1（5-22）i1其克里金法拟合的近似模型和径向基神经网络近似模型的样本点响应误差统计如表5-3和表5-4所示。表5-3输入矩阵样本点响应误差统计Tab.5-3Inputmatrixsamplepointresponseerrorstatistics克里金模型径向基神经网络模型响应22RRAAERMSERRAAERMSEResponse112.14e-052.15e-0511.50e-141.60e-16Response212.66e-058.59e-0711.01e-142.88e-16Response313.16e-051.14e-0619.44e-153.04e-16Response412.03e-051.98e-0517.07e-154.67e-15Response511.96e-051.44e-0516.87e-154.01e-15Response611.74e-051.21e-0511.87e-141.07e-14Response712.14e-052.15e-0511.28e-141.05e-14.表5-4检验矩阵样本点响应误差统计Tab.5-4Validationmatrixsamplepointresponseerrorstatistics克里金模型径向基神经网络模型响应22RRAAERMSERRAAERMSEResponse10.99700.04382.58e-040.99810.03855.17e-04Response20.98880.08880.00190.99120.01040.0025Response30.97690.10860.00230.98760.09560.0029Response40.97060.13740.05430.99010.08400.0316Response50.96730.14130.04690.98880.08720.0274Response60.98450.09290.04710.97800.10390.0561Response70.98070.11190.08270.98750.08630.06652R的值越接近于1，RAAE和RMSE的值越小，表示拟合的近似模型精度越好。通过表5-3可以看出，克里金模型和径向基神经网络模型均有较高的拟合精度，可代替实53 陕西科技大学硕士学位论文际模型进行优化设计，通过对比，神经网络模型误差精度较高，本文选择径向基神经网络模型代替车身有限元模型进行优化设计。5.3.5多目标优化求解前面章节对白车身性能进行了分析，由模态分析结果可知，车身的一阶扭转频率（第8阶模态）较低，需要提高结构固有频率。因此，将质量和第8阶模态频率作为优化目标，弯曲刚度W、扭转刚度N和第七阶模态频率作为约束条件，建立优化。其优化的数学模型如式5-23所示：obj.min(mass)max(Frequency8)st..Frequency721.6HzW11000/NmmN10480Nmdel/tiatitib（i1,2,,18）（5-23）式中：t——设计变量；it、t——设计变量的上、下限。iaib设置种群大小为174，进化终止代数为20-50，变异率为0.01，交叉率为0.4利用多目标遗传算法对拟合的近似模型进行优化设计，经过7800多次迭代，得到模型的148组最优解，其Pareto前沿面如图5-17所示。图5-17车身质量与一阶扭转频率Pareto前沿面示意图Fig.5-17BodymassandfirstordertorsionfrequencyParetofrontsurfacediagram54 家用轿车白车身的轻量化研究表5-4优化后设计变量值Tab.5-4Designvariablevalueafteroptimization变量名变量代号初始值优化值圆整值左前纵梁槽型板v11.901.461.5右前纵梁槽型板v21.901.501.5右后轮罩v30.801.021.0左后轮罩v40.800.981.0后地板v51.200.920.9左后侧围内板及轮罩v60.900.780.8左门槛外板v71.250.951.0右后侧围内板及轮罩v80.900.750.8左侧围外板v90.901.081.1前围板v100.750.560.6前围上盖板加强板v110.851.071.1前围上盖板v120.650.540.5前地板v130.800.620.6顶盖v140.800.580.6行李架加强板v150.750.961.0右侧围外板v160.901.131.1右门槛外板v171.250.920.9左、右前侧围外板v181.200.840.85.4优化结果验证表5-5优化前后车身性能对比Tab.5-5Beforeandafteroptimizationofbodyperformancecomparison响应初始值优化值仿真验证值误差质量（t）0.33180.31230.31350.38%弯曲刚度（N/mm）1173011399112641.2%扭转刚度（Nm/del）1048012548129543.1%第一阶固有频率（Hz）21.6222.3522.751.6%第二阶固有频率（Hz）25.4531.5830.692.8%55 陕西科技大学硕士学位论文上一节基于零件尺寸对白车身有限元模型进行了多目标优化设计，优化后质量减少了18.3Kg，第七阶固有频率提高了6.13Hz。该优化结果是利用近似模型优化得到，还需要通过有限元分析来验证一下优化结果的准确性。将选取的最优方案各尺寸参数代入原有限元模型中，进行弯曲、扭转和模态分析。优化前后各性能与仿真结果对比如表5-5所示。优化前后，各工况分析云图对比结果如图5-18～图5-21所示。图5-18第七阶模态优化前后结果Fig.5-18Resultsbeforeandafteroptimizationoftheseventhordermodal图5-19第8阶模态优化前后结果Fig.5-19Resultsbeforeandafteroptimizationoftheeighthordermodal图5-20优化前后弯曲工况总位移云图Fig.5-20Resultsbeforeandafteroptimizationoftotaldisplacementclouddiagramofbendingcondition56 家用轿车白车身的轻量化研究图5-21优化前后扭转工况总位移云图Fig.5-21Resultsbeforeandafteroptimizationoftotaldisplacementclouddiagramofreversecondition5.5本章小结通过比较了不同DOE分析方法的优缺点，最优选择Plackett-Burman试验设计对35个设计变量进行筛选，找出对车身质量、弯曲刚度、扭转刚度、第7阶模态、第8阶模态贡献值较大的18个零件作为分析对象，采用哈默斯雷试验对其进行样本点采集，作为近似模型拟合的输入矩阵，并采用拉丁超立方试验设计法采集了20个样本点作为验证矩阵。根据采样结果，分别采用克里金法和径向基神经网络法建立近似模型，根据误差分析，最终选择神经网络模型作为优化模型，以多目标遗传算法进行优化。最终得到了一组一阶扭转频率最大、质量最小，同时满足约束条件的pareto前沿解集，根据需求选取最优解，并将其带入有限元模型进行验证，根据验证结果，近似计算值与有限元分析值相对误差较小，验证了优化方案的可靠性。57 陕西科技大学硕士学位论文6总结与展望6.1本文总结车身的轻量化研究是汽车行业的热点话题，本课题运用有限元理论、机械系统动力学理论、多目标优化理论、Hypermesh软件等对某款国产轿车车身进行轻量化研究，现将本文主要的研究总结如下：1）建立了白车身有限元模型。本着遵循车身力学性能的原则，对车身几何模型进行了一定简化，忽略了一些对车身主要力学性能影响不大的零件及特征；按照目前国内车企行业有限元建模流程及有限元网格划分标准，分别建立了前车身总成、底板总成、顶盖总成、侧围总成；采用刚性梁单元模拟点焊对各总成内部零件之间及各总成之间进行焊接，建立车身有限元模型。2）建立车身纯弯曲工况、扭转工况、自由模态、制动工况、转向工况分析，得到了对应工况下车身应力与位移的变化。在弯曲工况下，计算了车身的弯曲刚度及沿车身纵向弯曲刚度趋势，车身弯曲刚度达到家用轿车设计参考值，沿纵向弯曲刚度变化均匀；在扭转工况下，计算出车身的扭转刚度，测得了车身门洞变形以及沿车身纵向扭转角变化，车身纵向扭转角变化均匀，门洞变形在允许范围之内，但扭转刚度略低；在模态分析中，分析了固有频率在0～50Hz内的所有模态，共得到16阶固有频率及相应振型，车身的低阶固有频率偏低。3）综合对比常用的DOE试验方法及近似模型法，采用Plackett-Burman试验设计对35个设计变量进行筛选，找出对车身质量、弯曲刚度、扭转刚度、第7阶模态、第8阶模态贡献值较大的18个零件作为分析对象；采用哈默斯雷试验对其进行样本点采集，作为近似模型拟合的输入矩阵，并采用拉丁超立方试验设计法采集了20个样本点作为验证矩阵。以哈默斯雷试验设计采集样本点为输入矩阵，分别采用克里金法和径向基神经网络法建立近似模型，通过误差分析，径向基神经网络在输入样本点及检验样本点的精度较高。4）选择神经网络模型作为优化模型，以多目标遗传算法进行优化。最终得到了一组一阶扭转频率最大、质量最小，同时满足约束条件的pareto前沿解集，根据需求选取最优解，并将其带入有限元模型进行验证，根据验证结果，近似计算值与有限元分析值相对误差较小，均在5%以内，验证了优化方案的可靠性。优化后白车身质量减重18.3kg，一阶扭转频率和扭转刚度有所提高，弯曲刚度有所减低，但降低后的弯曲刚度仍在轿车车身设计要求内。本文利用CAE技术对车身进行性能分析，找出车身性能不足之处，考虑硬件条件及58 家用轿车白车身的轻量化研究模型复杂程度，建立车身数学模型，利用优化理论对车身进行多目标优化，优化后车身性能有所改善，质量有所降低，从结构优化角度实现了车身轻量化。6.2工作展望本文利用有限元法对白车身的刚度特性进行了研究，建立了车身的近似数学模型，采用多目标优化对车身性能进行了优化。所做的工作对白车身结构设计有一定的参考价值。但由于时间和硬件条件及个人水平所限，仍有许多不足之处。仅对车身进行了刚度研究，车身的被动安全性和NVH特性也十分重要，优化时没有考虑这些因素在内；只通过结构优化的手段对车身进行减重，由于车身实际装配，结构改变有一定的限制，仅通过结构优化对车身轻量化作用有限，新材料及先进工艺的应用对车身轻量化会有很大的帮助；在结构优化中，仅考虑了尺寸优化，应用拓扑优化及形貌优化加强个别零件的强度，可能会使车身性能更优。总之，随之计算机技术的发展，CAE对于汽车性能研发必将进入更高的阶段。59 陕西科技大学硕士学位论文致谢三年研究生生涯即将结束，衷心地感谢我的导师张功学教授。回顾一下本科毕业之际的我，在这三年的时间里，不管是对于专业知识的储备还是日常的为人处事，我都有了很大的进步。张功学老师不仅在理论课程、课题研究、论文书写等方面对我悉心教导，对于待人接物、与人沟通的日常生活方面，也给予了我很大的帮助和无微不至的关怀。从我的导师那里，我不仅学会了怎么搞学问，更领会了正真的学术精神。在此，我还要感谢制造技术与机床、陕西科技大学学报的审稿和编辑老师，在我的小论文书写过程中给予了我真挚的修改意见，老师们的真知灼见在论文内容方面给予了一些启发，论文格式的修改意见使我在以后的文章书写过程中更加细心、严谨。其次，感谢实验室的杜贝师兄、刘澜师姐、叶东师兄，他们在我研究生学习时给与了我很多帮助；感谢研三的同门以及研一研二的师弟师妹，正是有你们的陪伴，三年的学术生涯才不显枯燥。最后感谢我的家人，谢谢你们的鼓励与支持，是你们在人生的道路上给我指明了方向。60 家用轿车白车身的轻量化研究参考文献[1]刘春辉，孟菲，王芳．2017年上半年中国汽车市场分析及未来展望[J]．汽车工业研究，2017（9）4-11．[2]王雨珂．浅谈交通运输业的能耗问题[J]．科技资讯，2016，（35）:121-122．[3]黄虎．我国汽车产业发展政策与汽车燃油限值标准[J]．上海工程技术大学学报，2004，18（4）：363-366．[4]于凤玲，邓朝晖．低碳经济下中国CO2排放量预测分析[J]．世界科技研究与发展，2015，37（5）：588-592．[5]BrunoLudke，MarkusPfestorf．FunctionalDesignofa“LightweightBodyinWhite”-HowtodetermineBodyinWhiteMaterialsaccordingtostructuralRequirements[J]．NiobiumMicroalloyedSheetSteelsForAutomotiveApplicationsEditedbyTMS(TheMinerals，Metals&MaterialsSociety)，2006，26（1）：56-63．[6]王博，董勇峰，刘军，等．浅谈白车身轻量化[J]．南方农机，2017，（8）：139-142．[7]潘正华．浅谈车身轻量化设计[C]．第十三届河南省汽车工程科技学术研讨会论文集．信阳：河南省汽车工程学会，2017：10-18．[8]许兆棠，黄银娣．汽车构造（上册）[M]．北京：国防工业出版社，2012:3-4.[9]杜莎．解读《汽车轻量化调研报告》［J］．汽车与配件，2017，（23）：61-63.[10]刘焕广.轿车白车身结构有限元及其试验分析[J]．合肥工业大学学报，2007，30（12）：1615-1619．[11]孙冠男．汽车轻量化技术[J]．汽车工程师，2017，（7）：14-15．[12]陈友鹏．汽车轻量化新材料应用现状分析[J]．南方农机，2017，（4）：146-147.[13]刘国芳，王智文．北美汽车轻量化材料技术发展动态[J]．2014，（9）：29-32．[14]肖军．现代轿车全铝车身的研究和发展趋势[J]．上海有色金属，2005，（6）：32-35．[15]ScamansG．AluminiumfromCanstoCars[J]．Materialsworld，2007，15（5）：28-30．[16]BodyULSA．ULSABOverviewReport[R]．WashingtonDC：AmericanIronandSteelInstitute，1998：1-2．[17]HongYao，SriramSadagopan．EffectofToolCoatingsandToolSteelsonFormabilityofAdvancedHighStrengthSteels[J]．SAEpaper，2011-01-0232．[18]PorscheEngineeringSwevices，Inc．UltraLightSteelAutoBodyFinalReport[R]．1998．[19]PorcheEngineeringServices，Inc．UltraLightSteelAutoClosuresFinalReport[R]．2001．[20]康万平，王宇，康蕾．管件液压成型技术简述[J]．焊管，2010（1）：53-55．61 陕西科技大学硕士学位论文[21]王习文，宗长富，郭立书，等．管件液压成型技术及其在汽车零部件制造中的应用[J]．汽车工艺与材料，2013（4）：17-22．[22]杨勇，徐峰，苏海波，等．管件液压成型技术及其在副车架上的应用[J]．上海汽车，2010（3）：57-60．[23]KocandaA，SadowskaH．Automotivecomponentdevelopmentbymeansofhydroforming[J]．ArchivesofCivilandMechanicalEngineering，2008，8(3)：55-72．[24]LangerakN，RoutDK，VermaR，etal．Tubehydroforminginautomotiveapplications[EB/OL]．http：//www.tatasteelautomotive.com/file_source/StaticFiles/Automotive/Tube%20Hydroforming%20in%20Automotive%20Applications/2014-01-16．pdf．[25]altairenlighten．com．Hydroformingachievesvehicleweightandcostreductionsaysstudy[EB/OL]．http://altairenlighten.com/2012/03/hydroforming-achieves-vehicle-weight-and-cost-reduction-says-study/2012-03-21.pdf[26]赵淮北，蔡成征，舒洁，等．激光拼焊技术在汽车上的应用研究[C]．2009中国汽车工程学会年会论文集．北京：中国汽车工程学会，2009．[27]陈亚柯．热成型工艺在汽车轻量化中的应用研究[D]．长沙：湖南大学，2012．[28]J.Sobieszczanski-Sobieski，S.KodiyalamandR.Y.Yang．Optimizationofcarbodyunderconstraintsofnoise，vibration，andharshness(NVH)，andcrash[J]．StructuralandMultidisciplinaryOptimization，2001，22(4)：295-306．[29]SrinivasanLaxman，RajMohanIyengar，ShawnMorgans．AchievingLight-WeightDesignofAutomotiveBodieswithAdvancedHighStrengthSteelsviaStructuralOptimization[R]．SAEPaper2008-01-0795，2008．[30]Forsberg，Nilsson．Evaluationofresponsesurfacemethodologiesusedincrashworthinessoptimization[J]．InternationalJournalofImpactEngineering，2006(32)：759-777．[31]陈一龙．汽车轻量化技术发展状况及展望[J]．汽车工艺与材料，2012，（1）：1-5．[32]陆匠心，王利，应白桦，等．高强度汽车钢板的特性及应用[J]．汽车工艺与材料，2004，10（6）：13-15．[33]马鸣图．汽车轻量化材料应用研究的成功范例[J]．新材料产业，2006，6（11）：19-22．[34]陈军．镁合金在汽车工业中的应用分析[J]．材料研究与应用，2010，4（2）：81-84．[35]孙景林，郭静．镁合金在汽车轻量化方面的应用[J]．轻金属，2008，（7）：58-60．[36]姜超，陈林，黄国杰．汽车轮毂材料的发展现状及制备工艺[J]．金属热处理，2007,32（12）：35-41．62 家用轿车白车身的轻量化研究[37]王登峰，卢放．基于多学科优化设计方法的白车身轻量化[J]．吉林大学学报，2015，45（1）：29-37．[38]卢放．基于多学科优化设计方法的白车身轻量化研究[D]．长春：吉林大学汽车工程学院，2014．[39]刘帅，董波，杨潆奎，等．基于模态和刚度灵敏度分析的某轿车车身轻量化研究[J]．车辆与动力技术，2017，（146）：10-13．[40]陈文波．基于近似模型和优化算法的车门结构轻量化设计研究[J]．机电产品开发与创新，2016，29（3）：87-89．[41]刘卫国，高云凯，郭其飞，等．基于耐撞性的车身轻量化设计[J]．机械设计，2015，32（5）：62-66．[42]张勇．基于近似模型的汽车轻量化优化设计方法[D]．长沙：湖南大学，2008．[43]朱红军．基于多目标优化的商用车门结构轻量化研究[D]．长沙：中南林业大学，2016．[44]俞雁．乘用车车门总成材料轻量化技术研究[D]．广州：华南理工大学，2014．[45]NimaBakhtiary，PeterAllinger，MatthiasFriedrich，etc．ANewApproachforSizingShapeandTopologyOptimization[J]．ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering．1996，5(8)：541-554．[46]何天明，许向农，杨万福，等．半承载式客车车身的强度分析[J]．武汉汽车工业大学学报，1996，18(1)：6-10．[47]何志刚．大客车车身骨架结构分析[D]．常州：江苏理工大学，2001．[48]杨佳璘．乘用车有限元分析及轻量化设计[D]．哈尔滨：哈尔滨工业大学，2013．[49]仇彬．轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计[D]．合肥：合肥工业大学，2007．[50]FangH，Rais-RohaniM，LiuZetal．AComparativeStudyofMetamodelingMethodsforMultiobjectiveCrashworthinessOptimization[J]．ComputersandStructures，2005，83(25)：2121-2136．63 陕西科技大学硕士学位论文攻读学术期间成果发表学术论文：[1]张功学，王德雨．基于C60结构和蛋壳结构的主轴箱轻量化设计[J]．陕西科技大学学报，2018，36（1）：126-130．（中国科技核心）[2]张功学，王德雨．立式加工中心静刚度分析与实验研究[J]．制造技术与机床，2018，（1）：73-76．（北大中文核心）[3]张功学，王德雨．立式加工中心工作台仿生布筋设计与静刚度研究[J]．制造技术与机床，2017，（9）：104-108．（北大中文核心）[4]张功学，朱卓，王德雨．基于ANSYSWorkbench的龙门式加工中心横梁的轻量化设计[J]．机械工程师，2017，（6）：5-7．64
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