摘 要：文章主要对乘用车身的轻量化结构进行了设计，并在一款SUV 车型的设计中进行了应用。采用灵活度分析和梯度法修正技术可以很好地进行车身结构轻量化研究，为了弥补材料厚度减少的不足，可以提高材料的屈服度，以提高碰撞后的安全性。
关键词：乘用车；车身结构轻量化；设计技术
现在驾车车身的主要形式是承载式车身，由于车身要承载汽车的大部分荷载，因此要提高车身的强度和刚度，但是这样会增加车身的重量。为了节能减排的需要，必须在汽车的设计中尽量降低车辆的自重，这样才能节约成本，降低汽车有害气体的排放。目前对车辆轻量化的测评工作还没有确定，然而国际上有一种采取轻量化系数L 进行轻量化测评的方法。轻量化系数L 的意义是车身单位体积所需要的质量，其公式如下：
式中：M 为车身质量，kg；A 为轴距、轮距之间的车身面积，m2；CT 为静态扭转刚度。
国外从二十世纪八十年代就开始了汽车减重的研究，采取轻型材料来替换钢铁材料可以明显减轻汽车的自重，现在很多车型都采用了这种设计，还有的设计师采取了有限元法对车身的截面积进行了优化设计，我国汽车轻量化的研究比较晚，主要进行高强度钢板的应用研究。现在关于车辆轻量化的理论研究已经初显成效，大都是对现有车型的改造设计，轻量化的效果一般。
1 车身轻量化设计流程
目前进行车身轻量化设计主要依靠经验和实验，设计较保守。国外二十世纪八十年代开发了结构修改灵敏度分析法，是对有限元法进行深入研究形成的一个方法，运用这个方法可以对车身的设计进行评估，对设计的不足之处进行修改[1]。
车身轻量化结构设计是在设计中应用灵敏度分析和梯度法进行修正，在确保车身结构性能的前提下，减轻材料的重量，达到减低车身自重的目的。设计流程如图1 所示。
2 车身轻量化结构设计实例
2.1 车身结构模型和结构模态刚度
采用HYP 处理软件对SUV 型车辆进行建立有限元模型，通过计算可以得到车身的总质量。
车身结构的弹性状态不会受到外界的影响，可以体现车身的整体刚度，也是NH 性能的体现，对其进行研究可以提供轻量化效果评价，和车身的特征研究。
车身的自重关系到车身的模态，强度和碰撞系数，是车身的基本指标，车身的静态刚度大车身就轻，静态刚度可以用扭矩和弯曲度来计算。这是车身承受的两个重要负载。
图1 面向设计的车身结构轻量化设计流程
2.2 车身结构轻量化分析
从轻量化系数来分析，为了减少轻量化系数，要降低车身的重量，还要提高车身的扭转刚度，这两个条件本身存在矛盾，因此要进行优化。可以采用乘除法，这是一种计算多目标评价的函数方法。对多元函数进行计算采取的是梯度修正法，利用目标函数和约束函数的梯度来确定方向，在空间内寻找最佳的解决方案，如二维空间，利用目标函数减少的方法进行搜索找到答案[2]。
实例首先用扭转分析的结果对应力大的单元进行保留，然后进行域分析，结合经验教训以后选出来100 个零件进行降低厚度设计，采用线性优化对钢板进行灵敏度分析，以行数最小值为目标进行优化设计。
经过灵敏度分析和处理以后，得到了经过归一化后的灵敏度，零件的扭转刚度比灵敏度高，因此零件的扭转性能比较好，可以对零件进行加厚处理，对扭转刚度低的零件要区别对待，对没有发挥作用的零件要采取措施以发挥实际作用，对于作用不大的零件要进行轻量化的处理。
变更的零件比较少，零件厚度要根据材料的牌号进行调整，要进行适度的调整，不要改动模具，需和其他部门密切配合，根据实际情况结合扭转参数，参考优化结果制定多种轻量化的设计方案，目标数学规划法每次运算都能得到一个数据，满足不了制定多套轻量化方案的需要。但是灵敏度的方法可以满足这个要求，因为灵敏度可以进行快速的比较计算。
经过讨论以后厂家采取了一套轻量方案，对轻量后的模型进行了整体状态扭转刚度和弯曲度的计算，计算了车身的结构质量和轻量化系数。
经过轻量化设计后车身的重量下降了，模态和刚度等性能指标都提高了，轻量化系数降低了很多，优化后的车身扭转减小，刚度提高，便于协调[3]。
3 碰撞性能验证
3.1 轻量化的材料替换
车身材料的轻量化可以提高车辆的动力，降低能源消耗节约成本，还可以影响车身的碰撞系数。怎样避免轻量化影响车辆的碰撞系数，是车辆轻量化设计的关键。
材料根据等强度原则进行替换，也就是替换以后材料的截面积和屈服强度不便，在实际应用中替换后的层级要略大一些，根据分析利用等强度原则对材料进行升级，升级后的材料屈服强度高，通过正面碰撞试验检验它的安全性。
3.2 正面重叠碰撞安全验证
根据ENG 的要求搭建了正面碰撞模型，驾驶员的伤害和车辆的变形有关，从后侧门槛的加速曲线可以看到，轻量化前后的速度变化基本一致，不会影响正面碰撞安全。轻量化后前挡板侵入量有所减小，刹车侵入量峰值略有增加稳定值减小，轻量化后评价指标也都减小了[4]。
3.3 侧面碰撞安全性检验
根据ENC 的要求建立侧面碰撞模型，侧面碰撞安全性以侵入量为标准。侧面碰撞对胸部的危害很大，为了保证安全要保证位置和假人位置一致，因此这样选择。
优化前后的峰值量略有增加，侵入量稳定值除了顶端增加，其他几点都有所减小，侵入速度没有变化，因此轻量化后指标没有明显变化，不会对安全造成影响。
3.4 轻量化模型的验证
白车身实验完成以后，要对其进行检验，用实验的结果建立评估模型，然后对它进行修正，为以后的研究提供经验。
试装的实验完成后，对样车进行了模态和刚度的实验，由实验结果可以得到扭转频率和扭转模态的计算值，因此验证了白车身的可靠性。
4 材料的应用
随着车身轻量化的发展，高强度钢在白车身上大量的应用。高强度钢在零部件的应用中，会出现断裂和回弹的问题，钢铁企业和汽车厂要对这个问题合作研究。为了解决先进钢的回弹问题，在冲压时采用优化的工艺进行加工，会加剧板材和模具的磨损，工件的表面损伤比以前更加突出，因此加重了模具的磨损，由于经常更换模具，增加了成本负担。
铝、镁合金和碳纤维成本过高，因此在白车身上应用很少。为了车身轻量化要进行材料的研发工作，进一步降低成本。在汽车使用中铝、镁合金零件损坏时更换的成本比较大，因此带来了经济损失。
汽车轻量化设计是结合设计、加工和材料开发几个环节的一种跨学科研究，要做到轻量化和成本的合理搭配，使材料发挥更大的作用。
5 结束语
乘用车的轻量化面临着很大的安全问题，通过对很多撞车的事故进行分析，车辆正面相撞导致驾驶员死亡和汽车的质量有很大的关系。通过研究发现，轻量化会降低车辆的安全，应用高屈服度的低碳钢可以提高车辆的安全系数。
整车的重量下降耗油量也会下降，尾气排放也会减少，工信部发布的新能源汽车技术指导中，轻量化是一个主要的技术，通过加强新型材料的应用，可以有效降低车辆的质量，但是有些材料成本过高，因此要研发低成本的新型材料。
通过结构轻量化和材料轻量化的运用，处理好轻量化和安全性之间的矛盾，提出了轻量化的车身设计流程，在汽车的生产中进行了应用。文章通过实践证明驱动设计的理念有很好的可操作性，可以改善车辆的结构，减轻质量。
参考文献：
[1]孙凌玉,STEPHEN B,姚迎宪.车身薄壁梁结构轻量化设计的理论研究[J].北京航空航天大学学报,2004,30(2):1163-1167.
[2]高云凯,杨欣,金哲峰.轿车车身刚度优化方法研究[J].同济大学学报(自然科学版),2005,33(8):1095-1097.
[3]高云凯,张海华,余海燕.轿车车身结构修改灵敏度分析[J].汽车工程,2007,29(6):511-514+536.
[4]吴波.汽车车身设计及制造工艺新技术研究[J].南方农机,2019,50(13):138.
