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白车身扭转刚度分析及优化翁洋张伟（上海汽车集团股份有限公司技术中心，上海，200804）摘要：白车身结构是否具备合理的静态扭转和弯曲刚度对于提升整车的结构耐久和NVH性能是至关重要的。
不同的车型，刚度的目标值也不同。
车身结构的刚度值可以通过试验或者有限元分析得到，使用有限元方法来模拟白车身刚度试验，通过试验结果来验证有限元分析的正确性。
BIW Torsion Stiffness Analysis & OptimizationAbstract：Adequate static torsion stiffness of BIW is essential for better overall durability and NVH performance. Stiffness targets vary for different vehicles. The stiffness can be evaluated experimentally and analytically. The FE results can be used to correlate CAE to testing data.引言在小型乘用车设计开发中，对车身结构设计进行有限元分析计算是有效缩短产品开发周期、节约产品开发及实验费用、提高产品可靠性的重要技术手段。
因此车身的扭转和弯曲刚度作为衡量车身设计的一项重要条件，对其进行准确的分析计算成为设计开发中的一项不可缺少的重要内容。
为了和白车身刚度试验结果对比，分析中所需的零件需要和试验一致。
可以通过优化软件进行DOE分析，并根据分析结果调整对产品性能起主要作用的参数进行优化设计。
建立有限元模型本文所涉及的有限元模型采用Hypermesh进行前处理。
网格模型由Quard4、Tria3单元以及相应的焊接单元构成，并且单元质量符合指定的建模标准。
模型结构如图所示白车身结构网格模型边界条件后减震塔约束3个方向的自由度，前横梁中心约束5个方向的自由度。
摘要汽车工业发展到今天，汽车车身已成为影响其各种性能的最大组成部分之一，特别是轿车车身，它在很大程度上决定了汽车的商品价值和销售市场。
近几十年来，人们对汽车的安全性、舒适性、经济性、可靠性和耐久性的要求越来越高；由于能源的紧缺和激烈的汽车市场竞争，又迫使汽车要实现轻量化并尽可能降低成本，因而引发材料工程与制造业巨大的变化，并促使设计理念和设计方法不断改进。
有限元法是关于连续体的一种离散化的数值计算方法，亦即在力学模型上近似的数值方法，它在车身结构分析中发挥着重要的作用。
本论文利用先进的CAE技术，以某轿车白车身为主要研究对象，在Hyperworks软件下，建立了轿车白车身详细有限元模型，进行白车身自由模态分析、扭转工况和弯曲工况下的白车身刚度分析，以检测白车身是否满足基本的模态刚度要求。
并利用CAE 软件进行白车身钣金件的优化，以达到轻量化的目的，提高白车身的经济性和安全性，满足市场需求。
关键词：白车身模态刚度Hyperworks 优化备注：因要遵循公司保密条约，本论文数据已处理。
Modal and Stiffness Analysis and OPtimizationon Body-in-whiteof Car Based on Finite Element MethodAbstractAutomobile industry development today, the body has become the various properties of the largest part of the car body, in particular, it largely determines the value of the goods and the sale market of automobile. In recent decades, the vehicle safety, comfort, economy, reliability and durability of the increasingly high demand; because of the shortage of energy resources and the car market with intense competition, and forced the car to lighten and reduce costs as much as possible, and thus lead to materials engineering and manufacturing industry tremendous changes, and make the design concept and design method of continuous improvement. The finite element method is a kind of continuum discrete numerical calculation method, the mechanics model to approximate the numerical method,the body-in-whit structure analysis plays an important role.In this paper, the use of advanced CAE technology, to body-in-whit as the main research object, in Hyperworks software, establish the detailed finite element model of body-in-whit, for white body free modal analysis of torsional and bending condition and working condition of BIW stiffness analysis of body-in-whit, to detect whether meet the basic modal stiffness degree requirements. And the use of CAE software for white main body sheet metal parts optimization, has reached the goal of lightening the body-in-whit, improve the economy and safety of, meet market demand.Key words:Body-in-whit Moda Hyperworks Stiffness Optimization目录中文摘要 (Ⅰ)英文摘要. (Ⅱ)目录 (Ⅲ)第一章绪论 (1)1.1引言 (1)1.2国内外车身CAE技术研究现状 (2)1.3本文的主要内容 (3)第二章有限元法理论 (4)2.1引言 (4)2.2有限单元法和白车身刚度的基本原理 (4)2.2.1有限元和模态分析基本理论 (4)2.2.2白车身扭转刚度基本理论 (5)2.2.3白车身弯曲刚度基本理论 (7)2.2.4白车身门窗开口变形理论 (8)第三章某轿车白车身有限元建模 (9)3.1引言 (9)3.2建模要求 (9)3.2.1网格标准的确定 (9)3.2.2网格质量要求 (9)3.3建模的基本步骤 (10)3.3.1建模原则 (10)3.3.2单元类型的选择 (10)3.3.3连接方式的选择 (10)3.3.4单位制及材料特性 (11)3.2.5模型的装配 (11)第四章轿车白车身模态分析 (13)4.1白车身模态分析的意义 (13)4.2白车身模态分析的基本设置 (13)4.3白车身模态分析结果分析 (13)4.4本章小结. (16)第五章轿车白车身刚度分析 (17)5.1引言 (17)5.2白车身扭转工况分析 (17)5.2.1加载及约束条件 (17)5.2.2白车身扭转刚度结果表达及评价标准 (18)5.2.3轿车白车身扭转刚度数据处理及分析结果 (18)5.3白车身弯曲工况分析 (22)5.3.1加载及约束条件 (22)5.3.2白车身弯曲刚度结果表达及评价标准 (22)5.3.3轿车白车身弯曲刚度数据处理及分析结果 (23)5.4本章小结 (25)第六章轿车白车身优化分析 (26)6.1引言. (26)6.2优化分析的基本原理 (26)6.3优化分析的基本步骤 (27)6.3.1在Hypermesh中完成相关设置 (27)6.3.2提交Nastran完成计算 (28)6.3.3提取灵敏度信息 (28)6.3.4确定优化方案 (28)6.4白车身优化结果分析 (28)第七章结论与展望 (29)7.1本文结论 (29)7.2工作展望. (29)参考文献 (30)致谢 (32)第一章.绪论1.1引言近几年，我国汽车工业快速而稳步发展，打造我国自主品牌、开发核心技术是我国汽车工业的必然选择。
0前言为了应对日益突出的能源危机和环境污染，实现可持续发展，轻量化已成为汽车产业的发展方向之一。
由于车身质量占整车质量的40%~50%左右，因此车身是轻量化设计的关键总成[1-2]。
然而，在实际路况中，车身需要承受弯曲、扭转、颠簸、转弯、制动、驱动等各种载荷，因此，车身刚度性能设计的合理与否将直接影响到整车的可靠性、安全性、NVH等多方面性能[3-5]。
所以，如何在保证刚度的基础上实现轻量化是车身设计的重要课题。
此外，传统汽车多为钢制，铝合金因具有质轻、可塑性强、回收好等一系列优良性能而被广泛应用，目前越来越多的汽车采用铝制材料[6-8]。
然而国内铝合金车身的应用尚未成熟，文献中关于铝制汽车方面的研究也相对较少，因此对铝制白车身进行研究具有十分重要的意义。
作为轻量化设计的技术手段之一，灵敏度优化分析广泛应用于汽车概念设计及详细设计阶段[9-11]。
本文以某铝制物流车白车身为研究对象，建立有限元模型，在对初始方案进行刚度分析的基础上，以白车身质量最小为优化目标，以白车身弯曲刚度不低于目标值为约束条件，以白车身料厚为设计变量，得到弯曲刚度对车身料厚的灵敏度，对灵敏度大的车身料厚进行加厚处理，对灵敏度小的车身料厚进行减薄处理，最终得到优化后的车身料厚分布。
1灵敏度优化分析理论灵敏度是设计响应对设计变量的偏导数，反映出设计响应对设计变量变化的敏感程度[12-13]。
对于有限元方程：KU=P（1）式中，K为刚度矩阵；U为单元节点位移矢量；P为单元节点载荷矢量。
两边对设计变量X求偏导数：∂K∂X U+K∂U∂X=∂P∂X（2）则节点位移向量U对设计变量X的偏导数为：∂U∂X=K-1(∂P∂X-∂K∂X U)（3）一般来说，设计响应是位移矢量U的函数：g=Q T U（4）所以设计响应对设计变量的偏导数为：∂g∂X=∂Q T∂X U+Q T∂U∂X（5）由此即可求得目标函数和约束函数对设计变量某铝制物流车白车身刚度灵敏度优化分析杨珊，夏德伟，王雪飞（辽宁忠旺集团有限公司产品设计与应用研究所，北京100102）摘要：以某铝制物流车白车身为研究对象，通过建立有限元模型对其初始方案进行弯曲刚度和扭转刚度分析。
基于灵敏度分析的白车身扭转刚度优化
郑孟;李阳;郝海舟;张健
【期刊名称】《计算机辅助工程》
【年(卷),期】2014(23)4
【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.
【总页数】5页(P21-25)
【作者】郑孟;李阳;郝海舟;张健
【作者单位】中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车轻量化工程技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122;中国汽车工程研究院汽车安全技术研究中心,重庆401122
【正文语种】中文
【中图分类】U461.7;U461.91
【相关文献】
1.基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析 [J], 王志亮;刘波;马莎莎;曹洪娜
2.基于扭转刚度的白车身减重优化 [J], 李文彬
3.基于有限元分析的某重卡白车身扭转刚度优化设计 [J], Zhao Zhen;Shan Changzhou;Wang Xiangting
4.基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析 [J], Tian Pei;Hua Rui
5.基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计 [J], 李铁柱; 华睿; 黄维
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轿车车身模态及扭转刚度灵敏度分析作者：刘盼,夏汤忠,王萍萍,刘文华,袁智,陆志成来源：《汽车科技》2011年第06期摘要：本文以某轿车白车身为研究对象，建立有限元模型，采用优化软件OptiStruct，以车身结构件的板厚为设计变量，进行车身一阶扭转固有频率、车身扭转刚度对板厚的灵敏度分析，找出对车身动、静态特性影响较大的部件，据此确定车身结构的最优设计方案。
该方法能够为车身结构动态、静态特性的改进、车身的轻量化和车身结构的优化设计提供重要依据。
关键词：白车身；有限元；OptiStruct；灵敏度分析中图分类号：U463.82+1 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2011）06-0042-04Mode and Torsional Stiffness Sensitivity Analysis of a Passenger Vehicle BodyLIU Pan，XIA Tang-zhong，WANG Ping-ping，LIU Wen-hua，YUAN Zhi，LU Zhi-chen（Dongfeng Peugeot Citroen Automobile Company LTD，Technology Center Vehicle Department，Wuhan 430056，China）Abstract：In this paper，a finite element model is developed to analyze the sensitivities of its natural frequency and torsional stiffness and mass to the thickness of sheet of the body.The optimization software of OptiStruct is adopted. The main parts which are greatly affecting the dynamic and static characteristics of bodywork are found. According to the analysis results，an optimal conceptual design is given. This method provides an important reference for improving the dynamic and static performance of bodywork，lightening its weight and optimizing its design.Key words：white bodywork；finite element；optiStruct；sensitivity analysis随着计算机软、硬件技术的快速发展，使得CAE仿真模拟分析技术展现出高效、详细和低成本的强大优势，CAE仿真分析优化技术已广泛应用于汽车研发设计各个阶段，在车身开发设计中显示出其强大的作用。
10.16638/ki.1671-7988.2019.13.030
基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
田佩，华睿
（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）
摘要：文章主要介绍了一种白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析的方法，用于分析白车身扭转刚度工况下整体扭转角相对零件单位厚度质量的变化量，即计算设计变量△d相对零件单位厚度质量△m的变化量，称为扭转角相对灵敏度，通过对相对灵敏度结果进行排序，结合实际工程约束条件，为提升扭转刚度性能或轻量化设计提供较合理的厚度分配方案。
关键词：白车身刚度；CAE；厚度灵敏度
中图分类号：U463.82 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)13-85-03
Thickness Sensitivity Analysis Based on Torsional Stiffness of BIW
Tian Pei, Hua Rui
（Anhui Jianghuai Automotive Co., Ltd., Anhui Hefei 230601）
Abstract:The paper mainly introduces a thickness sensitivity analysis method for the torsional stiffness of BIW, which is used to analyze the variation of the vehicle torsional angle relative to the unit thickness mass of parts under the condition of the torsional stiffness of BIW, that is, the design variable △d is calculated, and the change amount relative to the unit thickness mass △m of the part is called the torsion angle relative response, by sorting the relative response results and combining the actual engineering constraints, a more reasonable thickness distribution scheme is provided for improving torsional stiffness performance or lightweight design.
Keywords: Stiffness of BIW; CAE; Thickness sensitivity
CLC NO.: U463.82 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)13-85-03
引言
白车身的刚度是整车设计的一个重要指标，它决定了车辆在外力作用下抵抗变形的能力。
白车身刚度与整车的NVH 性能及操纵性，耐久性等均有一定的关联。
通常我们主要关注两个车身刚度指标，即扭转刚度及弯曲刚度。
如何在一定的成本及重量控制下尽可能提升白车身刚度是目前各车企研究的方向，本文主要通过一种研究车身板件厚度灵敏度的方法为车身刚度提升提供合理的厚度设计参考。
1 术语、定义及名词解释
白车身BIW：Body in White，仅经过车身总拼，即通过焊接、铆接、粘胶等工艺连接而成，而未经过涂装、装配底盘、车门和玻璃等的车身，本分析除白车身外还包括前档玻璃。
刚度：抵抗变形的能力，是载荷与位移成正比的比例系数，即引起单位位移所需的力。
灵敏度分析：研究与分析一个模型的状态或输出变化对系统参数或周围条件的敏感程度。
本流程中可简单说成：设计变量（厚度）在约束条件下发生变化，某些参数（大梁测点位移量）的变化程度，或参数变化与零件相应的质量变化
作者简介：田佩，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。
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汽车实用技术
86 的比值。
2 基本要求
2.1 软件要求
前处理：HyperMesh ；求解器：OptiStruct ；后处理：HyperView 。
2.2 数据要求
白车身模型数据。
3 主要内容
本流程包括边界条件、灵敏度分析建模、提交计算和后处理四步骤。
3.1 边界条件
加载： 左右前悬中心位置加载垂向反对称力（大小为前轴载荷的一半）；
约束： 约束前保险杠中点的3自由度，分别约束后悬左、右支座123自由度和13自由度。
图1 左右前悬中心位置加载垂向反对称力
4.2 灵敏度分析建模
创建灵敏度分析变量、响应、响应约束、设计目标及卡片参数等。
4.2.1 灵敏度分析变量的创建
在视图工具栏，属性模式显示所有部件；进入Compon -ent 面板，将左右对称的且厚度相同的两个零件赋予同一个属性；进入Delete 面板，依次删除空的属性和材料，进入display ，只显示需要进行灵敏度分析的零件（0D 单元、1D 单元、3D 单元、非关键区域小板件除外）；进入Renumber 面板，对需要进行灵敏度分析的属性ID 重新由小到大排序（为方便后处理中的数据整理，建议由1开始排序），选择需要进行灵敏度分析的属性（即当前显示的全部属性）；进入Tool 面板，重新命名全部属性，名称前缀为字母，如：s ，以ID 号结尾；进入Assemblies 面板，创建新的assembly ，选择当前显示的所有comps ；进入Analysis 面板，选择当前显示的所有props ，设置变量上下限参数；单击create →return ，灵敏度分析变量创建完成。
4.2.2 响应的创建
创建位移响应，即前、后悬对应大梁测量点的Z 向位移；创建函数响应，大梁测量点位移的关系函数，即扭转工况整
体扭转角：创建质量响应，约束模型整体应变能，保证刚度。
（1）如下图所示，创建扭转角函数：
图2 扭转角函数
其中字母x1,x2代表前悬对应左、右大梁测量点位移响应，y1,y2代表后悬对应左、右大梁测量点的位移响应；数值906.942,991.204分别为前后悬对应大梁测量点间Y 向距离（在所分析的模型中量取得到）。
（2）创建函数响应：选择上一步创建的函数（这里创建的函数名称为f ）。
进入edit 面板，依次选择函数f 中x1,x2,y1,y2对应的四个位移响应，并选择扭转工况。
4.2.3 响应约束的创建
进入Analysis 面板，创建响应约束，设置变化范围，即通过白车身刚度分析后处理得到，上限的绝对值应小于初始值的绝对值，下限为零。
4.2.4 设计目标的设置 以整体质量最小为设计目标。
4.2.5 优化控制参数设置 对优化过程及结果进行控制。
进入Analysis 面板，单击
参数定义：
表示最大优化设计迭代次数，默认值为30（若
已定义
，则默认值为80）仅计算原模型灵敏，不需优化，为节约计算时间，设置为1。
初始材料填充比例（本流程中为分析变量初始厚
度相对变量变化范围的比例）。
表示相对收敛条件，相邻两步迭代中目标函数相
对变化小于
，优化停止。
表示优化结果中构件的最小直径，本参数用于消
除优化结果中的小构件。
4.2.6 卡片参数设置
进入Analysis 面板，设置卡片参数 卡片①：
卡片②：
田佩 等：基于白车身扭转刚度的板厚灵敏度分析
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卡片③：
图3 卡片参数设置
卡片①用于优化过程中取消模型网格质量检查，减少调试时间。
卡片②用于显示优化迭代输出窗口，输出设计变量，响应，目标函数的变化。
卡片③表示灵敏度分析。
4.3 提交运算
将以上建模导出fem 格式，提交求解器Optistruct 进行计算。
4.4 后处理
（1）计算完成后，启动HyperView 打开结果文件s*.h3d ，查看位移云图，对比初始模型计算结果。
若云图分布出现异常或与原模型结果差别较大，则需检查分析变量、响应、响应约束等，找到原因，调试后提交计算，以得到合理的分析结果。
合理的分析结果的位移云图：
图4 位移云图
（2）在计算文件存放路径中，找到初次迭代生成的***.slk 文件，用Excel 打开，为了避免后续操作失误，将ID 所在列的数字部分删除。
图5 初次迭代数据
（3）在第M 列列出△d/△m ，然后将数据区域以M 列为关键字，升序排序。
于是表中属性相对灵敏度由高到低列出。
（4）添加slk 表格中属性的中文名称或零件号。
打开计算模型文件，根据slk 表格中属性名称数字（即属性ID ），找到赋予该属性的零件：
图6 操作示意
步骤③④使对应的零件高亮显示：
重复步骤③④，找到各属性对应的零件，在slk 表中添加中文名称：
图7 slk 表 根据灵敏度高低，确认可实施方案。
5 总结
本文通过以上基于料厚的白车身扭转刚度灵敏度分析，可识别出最优的白车身料厚分配，从而达成扭转刚度性能及重量的综合优化，在满足性能的前提下，可以实现最大化降低整车成本及整车重量，提高产品设计准确性，指导实现车身轻量化的设计工作。
参考文献
[1] 黄金陵.汽车车身设计[M].机械工业出版社.2008. [2] 罗伟,周定路.白车身扭转刚度分析与优化探讨,2006. [3] 王勖成.有限单元法[M].清华大学出版社.2003.
[4] 郭乙木,陶伟明.线性与非线性有限元及其应用[M].机械工业出版
社.2003.。
