汽车轻量化结构的优化设计分析

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汽车轻量化结构的优化设计分析

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https://www.auto-made.com/news/show-16668.html

汽车轻量化设计是现代汽车工业的重要发展方向之一，通过优化车身结构可以有效降低汽车重量，提高燃油经济性，同时保持或提升车辆的安全性能。本文将详细介绍基于灵敏度分析的汽车车身轻量化优化设计方法，包括设计变量的选择、约束条件的设定以及目标函数的优化过程。

汽车车身轻量化结构的优化设计

1.1 基于灵敏度的优化设计方法

优化设计是在满足一定约束和边界条件下，采用相关设计变量，获得最优解的设计过程。结构优化设计是结合优化方法和结构设计的一种工程设计方法。结构优化设计是通过将实际设计问题转化为理论数学模型，在满足所有约束条件下，寻找获得最优方案的过程。本文采用灵敏度分析法对车身进行优化设计。采用灵敏度分析法对车身进行轻量化设计，能有效地提高设计及分析效率，同时能有效地保证车身本身的刚度，模态频率等。

为了完成车身的结构优化设计，需要对车身的材料、板厚及截面惯量、车身的钣金厚度等作为设计变量。

对车身进行轻量化优化设计时，应遵循以下原则：

先将结构问题简化为一个数学模型，即将物理问题转换为数学问题。
然后采用优化理论方法，选取设计变量，明确约束及边界条件，采用优化函数完成各约束条件下的最优解。
将物理问题转为数学问题的求解过程中，车身本身的实际受力情况和刚度，固有频率应满足在一定的范围内，作为约束条件，在此约束条件下，求得车身关键位置钣金厚度。
在对车身进行轻量化设计过程中，应满足汽车车身的整体性能，同时满足车身的设计要求。

1.2 基于灵敏度的车身的结构轻量化设计

1.2.1 车身优化设计思路

基于灵敏度分析的车身优化设计三大要素为：设计变量、约束条件、目标函数。

设计变量

车身是一个大型复杂结构的综合体，主要有钣金件拼接而成。为了完成车身的结构优化设计，需要对车身的材料、板厚及截面惯量进行优化。本文中，在进行轻量化优化设计时，采用车身的钣金厚度作为设计变量。车身厚度对车身的重量最为敏感。减少部分钣金件的厚度，就能有效地减轻车身的重量。同时考虑到钣金件的加工及成型工艺，钣金件的厚度存在一定的范围值。

约束条件

在进行结构优化设计时，需要考虑车身本身受一定因素约束。约束条件过于复杂时，将影响整个计算效率。影响车身的约束条件主要包括车身的性能、刚度、固有频率、碰撞性能等参数。本文中以车身模态固有频率以及弯曲、扭转刚度作为约束条件。

目标函数

目标函数，即优化结果，本文以减少车身重量作为目标函数。

根据上述优化设计思路，对车身的主要构件进行灵敏度分析。

1.2.2 车身钣金厚度的优化设计

根据灵敏度的基本公式，结构性能参数对设计参数灵敏性，即线性结构的动力学方程为：

式中，分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；为位移、速度和加速度向量。

无阻尼结构自由振动，其特征方程为：

其中：和是结构第n阶固有频率和振型；【K】是结构刚度矩阵；【M】是结构质量矩阵。

对上述方程进行第i项设计变量，求偏导：

可得出：固有频率的灵敏度S为

刚度灵敏度为

在采用灵敏度方法，对车身进行优化设计时，应注意以下问题：

车身是整车性能的基础，车身的刚度是保证车身性能的最重要因素。因此，合理的布置车身关键部件的刚度，同时减少非关键位置的刚度，是在减少车身重量，而使车身性能提升的重要途径。在对车身进行优化时，应重点关注关键构件及非关键构件的刚度灵敏度值。
车身的模态频率与车身在不同环境及工况下的使用是息息相关的。车身的模态振型与车身刚度是相互影响的。提高了车身的模态频率，其刚度也将有一定的增加，其整体性能也将得到一定的优化。
车身轻量化的实现是多方面因素影响的，不能为了实现单一的约束条件而忽略了其他因素的影响。

根据上述灵敏度分析计算公式及原理，参考相关书籍及文献，可以得出车身主要构件的灵敏度，如下表所示。