轿车车身结构轻量化设计技术

轿车车身结构轻量化设计技术概述吕毅宁清华大学汽车工程系汽车轻量化设计•轻量化设计模型•轻量化设计方法–拓扑优化–截面形状、尺寸优化–集总模型参数优化•轻量化设计基础–车身结构设计方法–车身结构性能分析–优化设计方法Min.Weights.t.SafeComfortableFuelEfficientEnvironmentCompatibleCostEffectiveetc.轿车车身结构轻量化设计的意义•有助于提高车辆的动力性和经济性•降低能源消耗和减少废气排放•改善制动性•车身结构与整车其他部分有较强的关联性，车身轻量化对整车轻量化具有较大的波及效果•可以提高我国的车身设计开发水平，同时增强我国整车自主研发能力，对行业发展具有重要的战略意义车身结构轻量化设计方法研究•更新设计思想•结构优化设计•采用轻质材料–铝合金的应用–镁合金的应用–高强度钢板和特种钢板的应用–塑料和复合材料的应用•革新制造工艺汽车轻量化设计•轻量化设计意义–节能、环保–提高动力性–降低制造成本，提高产品竞争力•轻量化设计方法–轻量化材料•高强度钢板和特种钢板•铝、镁轻金属合金•塑料、复合材料•泡沫材料–轻量化结构设计•车身结构轻量化设计•底盘部件轻量化设计•发动机动力总成轻量化设计轻量化设计的历史和发展方向•历史–车辆的小型化–部件的轻量化优化设计•发展方向–以轻量化为主要目标的整车综合性能的优化设计–多材料组合的车身结构的优化设计•当前热点–铝合金材料车身结构–高强度钢车身结构–车身结构的多学科综合优化设计车身结构轻量化材料应用实例•AudiA8和AudiA2全铝空间框架（SpaceFrame）结构车身•ELISE全铝合金车赛车•carbon-fibercompositebodystructureinHypercar,Inc.’sRevolutionconceptvehicle•JaguarCarbyTopologyOptimizationLight-weightingpart-by-partLight-weightingbyincrementsmoresuccessfulthanwholesalechange01,0002,0003,0004,0005,000NorthAmericaEuropeanUnionJapanAverageCurbWeight50%SUVsandPickupTrucks5%SUVsandPickupTrucks20%SUVsandPickupTrucks7.97%Aluminum318.7lb/v7.74%Aluminum259.28lb/v7.18%Aluminum251.33lb/v2006LightVehicleAluminumContent轻量化材料在汽车中的应用Source:DuckerreportDecember2005279.5225135050100150200250300199020002006PoundsPerVehicle5%CAGR3.6%CAGRWeightedAverageLightVehicleAluminumContent车身结构轻量化设计实例•AudiA8和AudiA2全铝空间框架（SpaceFrame）结构车身•ELISE全铝合金车赛车•carbon-fibercompositebodystructureinHypercar,Inc.’sRevolutionconceptvehicle•JaguarCarbyTopologyOptimizationAudiA8全铝空间框架结构车身ELISE全铝合金车赛车Hypercar,Inc.’sRevolutionconceptvehicleJaguar车身结构轻量化设计•车身整体结构的拓扑优化–定义车身结构设计空间–设计空间离散化•实体单元–定义车身性能评价指标•扭转刚度•最低固有振动模态–车身结构拓扑优化•基于密度的方法•复合材料均质化方法–结构识别车身结构轻量化设计•截面形状、尺寸优化方法–建立梁、板壳单元有限元模型–优化结构形状、尺寸•梁截面形状、尺寸•板的厚度–设计等效车身结构•用薄板焊接结构代替梁•建立车身设计明细车身结构轻量化设计•车身结构性能分析–刚度分析–NVH特性分析–碰撞安全性分析RankingLoadCaseAttributeWeighting%1TorsionNVH452FrontcrashCrash153SidecrashCrash104RearcrashCrash105VerticalbendNVH56RearendbendNVH57RoofcrushCrash58PropcentrebearingNVH5底盘部件的轻量化设计（FE-DESIGNGmbH，TOSCA）•底盘–悬架导向机构部件的拓扑优化设计–油箱的拓扑优化设计•动力传动系–壳体、支承结构件–传动部件–操纵部件油箱底面条纹的拓扑优化汽车变速器拨叉的拓扑优化下控制臂的优化设计（Altair，OptiStruct）油底壳加强筋优化设计（Altair）车身结构轻量化设计（Altair）发动机罩的优化设计焊点优化设计