劉文慧 尹楊平 蔣兵
摘 要:隨著汽車設(shè)計技術(shù)的自動化發(fā)展,汽車成本逐漸從原材料和制造方面轉(zhuǎn)向了新技術(shù)研發(fā)投入。理論上單一車型獨立研發(fā)的復(fù)雜程度越高,相應(yīng)的研發(fā)成本占比也越大,導(dǎo)致車企想要降低一款車的開發(fā)成本,就必須要朝平臺化方向開發(fā)思路轉(zhuǎn)變。在平臺化車身設(shè)計開發(fā)階段,為實現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的快速評估及優(yōu)化,以最短的周期獲得匹配的設(shè)計方案,對于降低產(chǎn)品開發(fā)成本和提高企業(yè)競爭力有著重大意義。CAE仿真技術(shù)在近年來在汽車工業(yè)內(nèi)快速發(fā)展,為快速評估研發(fā)車型的整車綜合性能并進行輕量化,基于SFE-Concept構(gòu)建車身隱式參數(shù)化分析模型。對參數(shù)化模型進行模態(tài)、剛度等性能的計算,基于“靈敏度分析-近似模型-優(yōu)化設(shè)計”等設(shè)計優(yōu)化策略,對白車身下部車體結(jié)構(gòu)進行平臺化設(shè)計。
關(guān)鍵詞:汽車;車身平臺化;SFE;車身剛度
0 前言
汽車領(lǐng)域“平臺化”就是Car Platform,通過平臺化設(shè)計可以促使多種車型研發(fā)成本降低,同時讓消費者有著更多的選擇。平臺車型設(shè)計不僅可以實現(xiàn)同級車型動力總成、底盤和技術(shù)共享,甚至于可以針對低級別車型進行尺寸縮小和成本優(yōu)化,而對高級別車型進行強度和材料升級,并在尺寸上靈活放大。從大眾平臺化的成功開發(fā)經(jīng)驗借鑒,它不僅為大眾開發(fā)更多車型做了十足的基礎(chǔ)工作,并且為其規(guī)避了因個別車型銷量不佳導(dǎo)致的大面積虧損問題[2]。
1 平臺化基本原則
平臺化結(jié)構(gòu)必須滿足車型的拓展、配置變化要求,同時要滿足性能、系統(tǒng)間協(xié)同要求,包括性能(剛度、強度、碰撞安全、NVH、密封、防腐、重量等)目標。平臺系列車型零件的通用性,可匹配不同的外造型,可匹配不同的動力總成系統(tǒng)、底盤懸掛系統(tǒng);設(shè)計容納總成的空間及安裝點。
針對平臺化中車身結(jié)構(gòu)設(shè)計開發(fā),需遵循四大基本原則:車身主體結(jié)構(gòu)一致性、縱梁系統(tǒng)一致性、定位系統(tǒng)一致性及尺寸工程一致性[1]。
本文重點介紹某平臺車型的下車體設(shè)計方案,通過調(diào)整中后部地板的尺寸,同步調(diào)整前后懸長度以增加整車軸距,實現(xiàn)SUV車型至MPV車型之間上部車身的快速切換。某平臺車型尺寸設(shè)計變化信息如下表格1所示:
2 SFE參數(shù)化基本原理
SFE的基本概念是在早期設(shè)計階段,通過仿真驅(qū)動概念設(shè)計的思路解決方案。它允許快速高效地創(chuàng)建和修改隱式參數(shù)表面模型,這些分析模型支持大量的行業(yè)標準FE求解器,如:OPTISTRUCT、LS_DYNA。同時支持對振動、剛度、碰撞安全和聲學(xué)的并行功能評估。設(shè)計變量允許修改幾何和拓撲結(jié)構(gòu),以支持在開發(fā)過程的早期階段集成功能分析和改進功能的全自動工作流程[2]。
傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)順序基本是CAD-CAE(原樣)存在重大缺點,提供有關(guān)最終產(chǎn)品功能性能的反饋信息在設(shè)計之后,開始詳細的 CAD 流程之前,必須對工藝可實施性進行評估。通過采用SFE方法,由CAE補充CAD的流程,并將測試和仿真推向上游工作。在敏捷的產(chǎn)品開發(fā)過程中,大多數(shù)工作步驟都是并發(fā)的,通過采用SFE分析方式,可大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。
3 某車型平臺化仿真分析結(jié)果
根據(jù)外造型初步設(shè)計方向,將平臺基礎(chǔ)車型數(shù)據(jù)下車體C環(huán)后部設(shè)計特征進行SFE參數(shù)化優(yōu)化調(diào)整,具體平臺設(shè)計數(shù)據(jù)變更信息如下:
輪罩C環(huán)加強梁結(jié)構(gòu)取消;軸距拉長20 mm、后懸拉長20 mm;中、后地板下沉約60 mm;后縱梁截面降低25 mm;車高降低18 mm。
平臺車型及SFE數(shù)據(jù)CAE仿真分析結(jié)果,對比信息如下表2所示:
通過以上結(jié)果分析,可判定經(jīng)過尺寸變化后,其彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度降幅較大,對以上調(diào)整方案結(jié)構(gòu)進行靈敏度分析。
3.1 剛度分析結(jié)果
通過白車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度分析,判定平臺車型的變更對BIP剛度的影響。以保證車輛操縱穩(wěn)定性(懸架側(cè)傾剛度有關(guān)),避免出現(xiàn)整車異響,門洞產(chǎn)生較大的變形量,以至于出現(xiàn)門關(guān)不上的現(xiàn)象。
從以上分析結(jié)果圖示可得出,調(diào)整軸距尺寸后的SFE模型彎曲剛度12638 N/mm,扭轉(zhuǎn)剛度10848 N·m/deg,其中扭轉(zhuǎn)剛度較平臺原始車型降幅達35%,需進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。進行差異化結(jié)構(gòu)分析后,判定影響白車身扭轉(zhuǎn)剛度關(guān)鍵結(jié)構(gòu):C環(huán)區(qū)域需進行優(yōu)化。
3.2 靈敏度分析結(jié)果
在白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析過程中,需要優(yōu)化車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以達到預(yù)期的目標。本文通過靈敏度法分析,確認下車身結(jié)構(gòu)C環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)變化對BIP彎/扭剛度影響較大,CAE分析測算結(jié)果如下表:
通過結(jié)構(gòu)靈敏度系數(shù)分析,對1#至4#件進行兩種組合方案分析。CASE1增加輪罩斜撐梁②和橫梁件①、③,如下圖4:
CASE2在CASE1方案基礎(chǔ)上增加彈簧座Y向加強梁④件,如下圖5:
兩種優(yōu)化方案經(jīng)CAE仿真分析,其中CASE1扭轉(zhuǎn)剛度提升2 423 Nm/deg,彎曲剛度提升1 070 N/mm,重量提升5.6 Kg;CASE2方案扭轉(zhuǎn)剛度提升480 Nm/deg,彎曲剛度提升176 N/mm,重量增加2.9 Kg;BIP彎/扭剛度分析結(jié)果及重量變化信息如下表4所示:
3.3 減重優(yōu)化方案
通過CAE分析可得出,以性能綜合指標要求為基準,車輛后部C環(huán)位置結(jié)構(gòu)對車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的重要影響度。
以影響B(tài)IP彎扭剛度的截面形狀關(guān)鍵因子結(jié)合輕量化需求,通過優(yōu)化CASE1、CASE2方案的關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)截面尺寸以提升BIP彎扭剛度。
具體優(yōu)化方案如下圖6所示,其中綠色橫梁向X方向移約100 mm,紅色梁后移100 mm,將兩個Y向路徑融合成一條路徑;將截面單一的雙口字設(shè)計調(diào)整為階梯狀口字梁,其余搭接位置梁結(jié)構(gòu)接頭梁形狀隨動配合。
將以上輕量化方案進行CAE仿真分析,剛度結(jié)果如下表5所示,將梁截面合并優(yōu)化設(shè)計后,方案較CASE2結(jié)果彎曲剛度提升2 213 N/mm,扭轉(zhuǎn)剛度提升1 013 Nm/deg,重量可降低4.5 Kg。整體滿足性能指標需求。
分析結(jié)果如下表5所示,不僅降低增加件的整體重量且BIP彎扭剛度保持可觀的增幅。通過結(jié)合輕量化目標貢獻度幅值,評審選定最終平臺設(shè)計可實施工程方案。
4 結(jié)論
同一平臺的車型在整車的輪距、軸距及外形變化的情況下,對應(yīng)的動總、底盤、電器等系統(tǒng)是不變的。而且從平臺的設(shè)計理念也是要最大限度地保障這些件的通用化[3]。
本文從車身下部模塊化平臺開發(fā)分析優(yōu)化結(jié)果可知,車身平臺化開發(fā)就是要在全面掌握了車身設(shè)計性能要點基礎(chǔ)上,將平臺化的設(shè)計理念引入到設(shè)計工作中。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的貢獻度優(yōu)化同時,綜合考慮各方面指標。充分運用CAE仿真分析技術(shù),在數(shù)據(jù)階段將各個方案的指標貢獻度分析對比。[4]從仿真角度對汽車平臺化開發(fā)流程進行分析,提出汽車基本性能平臺化開發(fā)的思路和方法,由此可大大縮短車型設(shè)計研發(fā)周期,快速響應(yīng)市場需求。
參考文獻:
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作者簡介:劉文慧(1985-),女,安徽蕪湖人,碩士,工程師,研究方向:現(xiàn)代化汽車設(shè)計理論、方法及CAE碰撞仿真分析技術(shù)。