车身轻量化结构设计

基于刚度及模态分析的某微型车车身轻量化设计摘?要通过软件建立起某微型车车身的有限元分析模型，并实施刚度及模态分析。

通过分析轻量化前与后的计算成果，对比可得知，轻量化后的车身刚度和模态在接受的预定值内，是可以满足减轻车身质量的要求。

通过试验验证，轻量化的后有限元分析结论与实车的试验结果有较高的一致性。

关键词刚度；模型分析；微型车；轻量化中图分类号 u463 文献标识码 a 文章编号1673-9671-(2012)052-0230-01经研究分析，汽车燃油的耗损量越大，车身的总质量就越重，反之，汽车燃油的耗损量越小，车身的总质量就越轻。

随着人们的经济水平提高，汽车越来越多，如何降低排放量、节约资源是当前研究的热门，所以这需要到轻量化的车身设计。

当前，市面上大部分轿车的车身结构一般是采用的全承载式车身，因承载式的车身担负了全车所有的扭转和弯曲，所以自身的刚度特征具有十分重要的意义。

在车身轻量化的变化中，假如发现车身的刚度有不同程度的降低，必会引起车身门窗、发动机舱口等形态改变，引发玻璃破碎、车门关闭困难等情况的出现。

这时，低刚度出现伴有低频率，导致结构共振、噪声，会影响到人乘坐的舒适性，不同程度的影响整车的能性。

因此，达到车身的轻量化需满足车身的刚度与模态。

文章是组建有关板壳单元为基本单元的车身有限元分析模型，运用有限元的软件分析某微型车车身的前、后轻量化刚度及模态变化，可以更好地为轻量化作指导。

1 有关刚度与模态的基础理论1.1 刚度扭转的理论分析如果车身受对称垂直的重量时，结构处会出现扭转的情况，致使车身扭曲变形，轴之间的角发生扭转。

说明，结构的变形力度是与所受力、结构扭转及刚度相关。

用公式解释为：车身的结构扭转刚度等于扭矩与轴之间的相对扭转角的比。

1.2 刚度弯曲的理论分析从车身的弯曲刚度能够得出：产生垂直力下的车身是纵向扩展力量，表明出车身的弯曲程度，分析车身纵梁的铅垂直力作用的挠度大小，可以看作弯曲的刚度等于车身弯曲的重量与纵向的弯曲最大值之比。

新能源汽车轻量化钢制车身结构摘要未来钢制汽车计划（FSV）的目标是为紧凑型的电动汽车（BEV）提出一个能制造出完全不同的钢制车身结构的详细设计构思，也确认了为适应大的插电式混合动力车（PHEV）或燃料电池车（FCEV）车身结构的改变。

这篇文章将说明七个经过优化的车身的子部件是如何达到减重35%，同时满足安全要求和整个寿命周期内碳排放目标要求。

该文章也将对先进的设计优化过程和相应先进的钢材和制造技术概念进行解释。

前言“未来钢制汽车计划（FSV）”是世界汽车钢（WorldAutoSteel）项目，该组织为世界钢铁联盟下属的汽车钢组，共包含全球范围内17家大型钢铁生产企业。

“FSV计划”是一个涉及几百万欧元资金，为期三年的计划，旨在发展出安全、重量轻及采用先进高强钢制造的车身结构，该新型车身结构能够满足电动汽车的不同要求和减少汽车在整个寿命周期内的温室气体（GHG）排放。

GHG气体指的是大气中能够加剧地球温室效应的气体，这些气体能够吸收地球表面的热量，使热量在地球表面和大气层之间进行循环，导致地球表面的平均温度升高。

“FSV计划”将会阐明用先进高强钢来制造车身结构，减轻汽车重量和减少GHG气体排放。

本文说明了“FSV计划”中的相关的钢铁技术和设计构思，及第二阶段现已所获得的结果。

1.0 项目目标“FSV计划”中工程技术人员关注的焦点是提出一种新的全局性的开发设计方法，目标是开发出具有创新性的整车布置和优化的车身结构的先进汽车，该车将会使用一系列在2015年至2020年之间比较成熟的先进钢铁材料和制造技术。

“FSV计划”主要分为三个阶段：阶段1：工程研究（已完成）阶段2：构思与设计（至2010年）阶段3：展示和具体实施（至2011年）第一阶段主要是对将来适用于2015年至2020年之间的，先进汽车动力系统和适合批量生产的未来汽车技术进行综合性评价和验证，该阶段所获得的结果在另外一篇报告中有阐述。

图1-1 “FSV计划”的整个设计优化过程“FSV计划”已进行到第二阶段的中间阶段，优化设计采用先进高强钢制造的车身结构，主要涉及到4种不同的汽车，电动汽车（BEV）和插电式混合动力汽车（PHEV-20），属于A级/B级汽车；插电式混合动力汽车（PHEV-40）和燃料电池汽车（FCEV），属于C级/D 级汽车。

到CAE方法它将节省大量的测试成本，及时指导车身的设计结构，提出优化方法; 有限元法已经成为在车身特性设计和分析过程中不可或缺的[3]。

在结构优化过程中，首先，敏感性分析应该是对的以设计变量的灵敏度来确定目标[4]然后根据灵敏度修改设计变量以获得最佳设计目标与约束条件。

设计变量的灵敏度与A轻量级优化方法相关其目标函数是由客观因素的变化来衡量的单位设计变量的变化，灵敏度分析是opti的基础可以根据敏感度进行结构分析，优化结构分析，这将节省大量的计算时间并改进优化因此，在工业中期望提供一种改进的轻型汽车车身结构，特别是车身框架，其保持所需的强度，刚度和稳定性特性，以满足乘客安全和车辆性能标准。

此外，身体结构应当可使用现有技术和材料制造，以实现减轻重量而不增加成本。

此外，主体结构应该能够减少总成分，以进一步降低成本和制造时间。

2灵敏度分析的基本理论从结构分析可以分为动态分析和静态分析两个方面，结构敏感性分析也可以分为动力敏感性分析和静态敏感性分析。

动态灵敏度分析包括特征值灵敏度分析，传递函数灵敏度分析和动态响应敏感性分析。

静态敏感性分析可以是压力，位移等。

对于车辆，灵敏度分析是指车身刚度强度，自由模式和敏感性分析的应变能，部分结构参数包括材料厚度和横截面转动惯量[5 |。

有两种计算灵敏度的方法，推导方法和伴随结构的方法。

直接推导法，是亲由胡力构成R.Kapoor M.P，然后由许多人开发和推广人们在广泛的领域。

直接推导法具有明显的物理意义概念，简单的数学理论方便计算可扩展从一阶敏感度到高阶灵敏度，因此是广泛的在工业领域[6]。

3 BIW扭转刚度分析汽车BIW的有限元模型由769 862组成元素包括三角形元素和四边形元素重量为371.2公斤。

为了比较车辆扭转刚度试验过程中的有限元分析模型需要使用直径为50 mm的梁单元进行模拟测试设备如图有限元边界条件分析模型如图1所示。

3，左右后方的震动塔都很硬点被限制在X，翻译DOF左右前方震动吸收塔受限于X方向DOF。

汽车车身结构优化设计随着汽车行业的持续发展，汽车设计和制造技术的日益成熟，如何实现汽车车身结构的优化设计成为一个重要的研究方向。

汽车车身结构对车辆的性能、安全和舒适度有着决定性的影响。

本文将从汽车车身结构设计的需求和方法，汽车车身结构材料选择和应用，以及汽车车身结构优化设计的案例研究进行分析和论述。

一、汽车车身结构设计的需求和方法在汽车设计中，汽车车身结构是一个重要的方面，它决定了汽车的稳定性、轻量化和节能性能。

汽车车身结构设计需求主要包括以下几个方面：1. 结构稳定性：汽车车身结构设计应考虑各种行驶情况下的稳定性和安全性。

2. 轻量化：轻量化是一个常见的汽车车身结构设计目标。

轻量化能有效地降低车辆的燃油消耗和环境污染，提高汽车的能源利用率。

3. 舒适性：汽车车身结构应该考虑到驾驶员和乘客的舒适度，并能减少噪音和震动。

在汽车车身结构设计中，一些方法和工具可以用于优化设计，例如CAE、拓扑优化等。

CAE（计算机辅助工程）技术能够通过数字仿真，快速计算车身结构下的各种工况下的应力分布，以便进行优化设计。

拓扑优化则是一种基于数学模型和算法的方法，它可以自动生成最优的车身结构模型，以便实现轻量化和优化性能的目标。

二、汽车车身结构材料选择和应用汽车车身结构材料是决定其性能和质量的关键因素之一。

环保节能是当前材料选择要考虑的主要因素。

1. 钢材和铝材：钢材和铝材是目前汽车车身结构中使用最广泛的材料。

高强度钢材和铝材能够有效地压缩车身的重量，并保证强度。

2. 轻质材料：在轻量化方面，汽车车身结构中不锈钢、镁合金等轻质材料也被用于汽车车身结构中。

由于这些材料有着很好的强度和耐腐蚀性能，底盘和车身的质量能够得到减轻。

3. 复合材料：由于汽车车身结构要求同时满足强度和轻量化的目的，因此复合材料正在成为汽车车身结构中的新兴材料。

这些材料由于其良好的强度和轻重量，能够实现汽车车身的更好的强度和轻量化。

三、汽车车身结构优化设计的案例研究在实际汽车车身结构设计中，优化设计的应用已经产生了很好的效果，在汽车轻量化和节能方面都取得了一定的成果。

AUTOMOBILE DESIGN | 汽车设计时代汽车 汽车结构的轻量化设计措施分析贾朝贝郑州科技学院 河南省郑州市 450000摘 要： 汽车工业要发展，在目前必须要满足环保要求，汽车轻量化设计可实现节能减排，但轻量化设计不是单纯减重，而是要保证安全性能的前提下去减重，因而如何进行轻量化设计值得探索，本文中重点对此进行了分析讨论，探析了目前市面上主流的轻量化设计方法措施，仅供参考。

关键词：汽车　轻量化设计　方法措施轻量化在当前汽车设计制造产业当中是一个比较主流的方向，与新能源车具有相当的地位，在传统发动机技术发展陷入瓶颈，新能源汽车受限于电池的情况下，轻量化成为了一种非常关键的解决手段，通过轻量化来实现节能减排。

但汽车轻量化，不是单纯减轻汽车的重量，而是在减轻重量的同时提升性能，因此分析讨论如何去进行轻量化设计，具有非常典型的价值意义。

1　轻量化设计概述1.1　轻量化产生背景轻量化设计是目前国内外汽车设计制造技术中的主要发展方向之一，与环保和安全具有同等地位，随着人们环保意识增强，汽车工业要发展，必须要走可持续发展道路，而可持续发展显然必须要实现节约资源、减少消耗，对于汽车工业而言，要达到相关要求，已经得到公认的路径包括提高发动机效率、新能源和轻量化。

汽车的节能环保通常情况下是降低油耗或提高燃油效率，降低或者清洁排放尾气。

在提高发动机效率方面，由于传统发动机不管是柴油机还是汽油机，实际上都已经达到了一个相当高的水准，现阶段主要是通过对发动机进行微量调整并利用汽车电子技术来提高发动机的效率，但效果并不是很理想，仅仅只能说达标。

而新能源汽车在环保上的效果最佳，但是问题在于由于电池的限制，新能源车的发展还需要走很长的一段路，而轻量化技术，在保证汽车安全性的基础上去降低汽车的自重来实现能耗的下降，它可以作为提高发动机能效，甚至是新能源车能效的一种基础技术手段，在当前发动机技术、新能源车技术尚未出现巨大突破之前，轻量化将是节能减排的主流技术手段。

Value Engineering0引言随着快速增长的汽车保有量，一方面，汽车作为方便、快捷的交通工具改善了人们的生活和工作方式；另一方面，却加剧了能源消耗，带来尾气、噪声等环境污染以及交通安全危害。

汽车产业面临着节能、安全和环保的巨大压力。

针对上述问题，解决的重要途径是在对动力系统进行改进的同时积极开发和寻找替代能源及相关技术。

但受技术难度、开发周期和市场份额等问题制约，仅靠这一途径很难满足国家和市场的要求；另一个重要途径是整车轻量化。

有关研究数据表明，若车桥、变速器等机构的传动效率提高10%，燃油效率可提高7%；若汽车整车质量降低10%，燃油效率可提高6%～8%[1，2]。

车身占整个汽车制造成本60%，占汽车总重量的30~40%，空载情况下，70%的油耗将用于车身质量上[3]。

图1展现了日本统计的乘用车自重与油耗之间关系。

显而易见，当车辆的自重从1500kg 下降到1000kg 时，每升燃油平均行驶的里程由10km 上升到17.5km ，即每减重100kg ，每升油可多行驶1.5km ，也就是说在此区间内，燃油的经济性提高了5.7％－10％。

1车身结构轻量化设计的研究内容和方法车身结构轻量化设计研究，主要从三个方面进行：一是结构优化或创新，改进车身结构，使零部件薄壁化、中空化、小型化和复合化[6]，采用CAD/CAE/CAM/CAPP 数字化设计和制造技术提高零部件开发质量；二是采用先进的车身制造工艺，如激光拼焊、中高温成形、滚压或液压成形等；三是采用轻质高强度材料[7]。

宝马汽车轻量化设计方案就是综合运用各种技术在保证汽车性能前提下，最大限度的减轻汽车重量，如图2所示。

2轻量化材料在汽车结构轻量化中的应用2.1高强度钢板高强度钢板材料在强度、塑性、抗冲击能力、回收使用及低成本方面具有综合优势。

高强度钢板的明显优点是在车身结构设计上采用更薄的钢板，并获得相同的强度，在钢板厚度分别减小0.05、0.10和0.15mm 时可以使车身分别减重6%、12%和18%[8]。

结构轻量化设计结构轻量化设计导言：在现代社会中，无论是建筑、机械还是软件开发，轻量化设计都成为了一个关键的发展趋势。

随着科技的不断进步，人们对于可靠性、效率和灵活性的需求也越来越高。

结构轻量化设计应运而生。

本文将深入探讨结构轻量化设计的重要性、方法及其在不同领域的应用。

一、结构轻量化设计的重要性1.1 提高效率：轻量化设计可以减少结构的重量和质量，从而使得整体系统更加高效和灵敏。

通过降低重量，可以减少能量消耗和材料使用，提高有效载荷和效能。

1.2 增加可靠性：较轻的结构不仅可以减少系统的振动和压力，还可以降低疲劳和损伤的风险。

结构轻量化设计能够使系统更加坚固，减少故障和损坏的可能性，提高可靠性和安全性。

1.3 促进创新：轻量化设计迫使设计师遵循最低成本和最高性能的原则，激发了创新的潜力。

在轻量化的要求下，设计师被迫思考新的解决方案和方法，推动技术的进步和突破。

二、结构轻量化设计的方法2.1 材料选择：选择轻量、高强度和高刚性的材料是实现结构轻量化的关键。

碳纤维复合材料在航空航天领域的应用就是一个成功的例子。

2.2 结构优化：通过运用先进的结构优化算法和仿真技术，可以寻找到结构的最优设计方案。

这些算法能够考虑到力学、振动、疲劳等因素，使得结构轻量化和高效。

2.3 模块化设计：将结构划分为多个独立的模块，每个模块具有特定的功能和负载。

这种设计方法使得每个模块都可以按需制造和更换，提高了系统的灵活性和可维护性。

三、结构轻量化设计在不同领域的应用3.1 建筑领域：轻量化建筑材料（如空心玻璃钢）的使用可以减少建筑物的质量，并提高建筑的抗震和抗风能力。

结构轻量化还可以降低建筑物的能耗，提高生态环保性。

3.2 机械制造领域：轻量化设计在汽车、飞机、火箭等交通运输工具中具有广泛的应用。

通过减轻结构重量，可以提高燃油效率和运输能力，降低碳排放和物资成本。

3.3 软件开发领域：在软件开发中，轻量化设计可以使得软件更加灵活、高效和易于维护。

汽车轻量化技术的研究与设计第一章汽车轻量化技术的意义和需求随着环境保护和能源消耗问题的日益严重，汽车工业开始关注汽车轻量化技术的研究与设计。

汽车轻量化技术是指通过改变材料和结构来减轻汽车整备质量的技术手段。

这一技术可以显著降低汽车的燃油消耗和排放，提高能源效率，同时，对汽车的操控性、安全性和舒适性等方面也会产生积极影响。

因此，汽车轻量化技术的研究与设计具有重要的意义和需求。

第二章汽车轻量化技术的研究方法汽车轻量化技术的研究主要基于结构优化、材料选择和制造工艺改进等方面。

结构优化通过对汽车的整体布局和部件设计进行优化，以实现结构的最优化。

材料选择重点研究不同材料的特性和性能，以选择最适用的材料来减轻汽车的重量。

制造工艺改进则是优化汽车的制造工艺，以提高生产效率和降低成本。

第三章汽车轻量化技术的材料研究在汽车轻量化技术中，材料的选择起着至关重要的作用。

目前，轻量化汽车常用的材料主要包括高强度钢、铝合金、镁合金和碳纤维等。

这些材料相比传统的钢材具有更轻、更强和更耐磨等优点。

此外，材料的混合应用和多层复合技术也被广泛研究和应用，以满足不同部位对材料性能的不同需求。

第四章汽车轻量化技术的结构优化汽车轻量化技术的结构优化旨在通过改变汽车的结构和构造，使汽车在保证安全性的同时减轻重量。

其中，采用拓扑优化方法可以通过对汽车结构进行优化设计，去除冗余部分，使结构更加轻量化。

仿生设计也被广泛应用于汽车轻量化技术中，通过借鉴自然界的生物结构，实现汽车结构的优化设计。

第五章汽车轻量化技术的制造工艺改进汽车轻量化技术的制造工艺改进主要通过提高制造工艺的效率和改进工艺方法，实现汽车零部件和车身的轻量化。

例如，采用激光焊接和激光切割等先进制造技术可以降低材料的损耗和加工成本，提高制造精度和质量。

另外，3D打印技术也被广泛应用于汽车轻量化技术中，可以实现复杂形状的零部件制造，减少材料的浪费。

第六章汽车轻量化技术的挑战和前景汽车轻量化技术的研究与设计面临着许多挑战。

汽车行业轻量化设计方案第一章概述 (2)1.1 轻量化设计背景 (2)1.2 轻量化设计目标 (2)第二章轻量化设计原则 (2)2.1 材料选择原则 (2)2.2 结构优化原则 (3)2.3 制造成本控制 (3)第三章车身结构轻量化设计 (4)3.1 车身结构分析 (4)3.2 车身材料选择 (4)3.3 车身结构优化 (4)第四章动力系统轻量化设计 (5)4.1 动力系统部件分析 (5)4.2 动力系统材料选择 (5)4.3 动力系统结构优化 (6)第五章底盘轻量化设计 (6)5.1 底盘结构分析 (6)5.2 底盘材料选择 (7)5.3 底盘结构优化 (7)第六章悬挂系统轻量化设计 (7)6.1 悬挂系统结构分析 (7)6.2 悬挂系统材料选择 (8)6.3 悬挂系统结构优化 (8)第七章轮胎及轮毂轻量化设计 (8)7.1 轮胎及轮毂结构分析 (8)7.2 轮胎及轮毂材料选择 (9)7.3 轮胎及轮毂结构优化 (9)第八章附件轻量化设计 (10)8.1 附件分类及功能分析 (10)8.2 附件材料选择 (10)8.3 附件结构优化 (10)第九章轻量化设计验证与试验 (11)9.1 轻量化设计验证方法 (11)9.2 轻量化设计试验流程 (11)9.3 轻量化设计试验数据分析 (12)第十章轻量化设计实施与推广 (12)10.1 轻量化设计实施策略 (12)10.2 轻量化设计推广措施 (13)10.3 轻量化设计成本效益分析 (13)第一章概述1.1 轻量化设计背景全球能源危机和环境问题日益严重，汽车行业正面临着前所未有的挑战。

为了应对这些挑战，汽车制造商不断寻求创新技术，以降低能耗、减少排放和提高燃油效率。

轻量化设计作为一种有效的节能降耗手段，逐渐成为汽车行业关注的焦点。

汽车轻量化设计是指在不影响车辆安全、功能和舒适性的前提下，通过优化结构和材料，降低汽车整备质量的过程。

我国高度重视汽车产业的转型升级，积极推动轻量化技术的发展。