徐友良，袁一卿,

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804）

非承載式車身的車架輕量化設計方法

徐友良1，袁一卿1,2

（1.同濟大學汽車學院，上海 201804；2.同濟大學新能源汽車工程中心，上海 201804）

基于某新車型開發(fā)項目，提出了車架新產品輕量化開發(fā)流程和技術途徑；對車架架構設計、結構優(yōu)化中的主要工作做了簡要的論述；基于多學科優(yōu)化設計策略，對板件厚度進行重新合理匹配，在滿足車架結構性能的前提下，使車架總重量降低了11.2kg，輕量化率為5.37%，較好地達到了輕量化的目的；最后通過樣件試驗驗證了優(yōu)化結構車架的有效性。

車架；輕量化；設計方法；多學科優(yōu)化

CLC NO.: U463.9 Document Code: A Article ID: 1671-7988 (2017)07-62-04

前言

研究數據表明，如果降低10%的汽車整備質量，則可以提高6%～8%的燃油效率[1]。非承載式車身的車架是汽車上的一個重要承載部件，是整個汽車的裝配基體，其所占比重相對較大，所以針對車架開展輕量化設計工作的空間極為廣闊。車架設計在整車設計中占有非常重要的地位，一旦設計失誤將給汽車制造企業(yè)造成難以估量的后果[2]。本文基于某新車型開發(fā)項目，提出了車架新產品輕量化開發(fā)流程和技術途徑，對車架架構設計、結構優(yōu)化中的主要工作做了簡要的論述，最后通過試驗驗證了優(yōu)化結構車架的有效性。

1、車架的輕量化設計開發(fā)流程

本文基于整車開發(fā)流程GVDP（Global vehicle development process）和輕量化設計需求，建立了一個針對非承載式車身的車架輕量化設計方法?；贕VDP的車架輕量化開發(fā)流程見圖1。

車架設計工作主要包括從接到新車型設計任務書的正式指令開始到交出車架圖紙和文件，車架設計人員圍繞該車型車架進行的全部工作。車架架構開發(fā)主要是為項目的批準進行戰(zhàn)略準備，包括市場的定位、產品定位、車型系列化分析、生產規(guī)模及生產方式分析和競爭對手分析等，對項目邊界條件予以確定，最終構成可行性報告，在決策層批準后發(fā)布TG0數據，該數據主要用于整車總布置進行DMU分析靜態(tài)和動態(tài)干涉檢查測量運動分析，制造工廠進行制造工藝分析及生產線設計，也可以用于潛在供應商審核。在滿足車架的邊界條件后對車架架構數據進行細化，完成各系統接口的技術對接，完成車架材料選擇，完成車架縱梁、橫梁和連接支架的結構細化，發(fā)布TG1數據，該數據可以用于供應商開始同步工程工作?；诜浅休d式車身車架的技術要求，針對車架諸多性能進行分析，如安全性、強度等，并在滿足性能要求的基礎上進行輕量化優(yōu)化設計，完成車架結構優(yōu)化，在經過專家評審后，對TG2數據、凍結狀態(tài)等進行發(fā)布。驗證階段：制造工程樣車并開展試驗工作，對產品設計進行驗證：判斷其是否和相關規(guī)定相符；制造生產樣車并進行驗證，針對工藝以及零件等開展全方位驗證。最后根據試驗結果對產品進行定型生產上市。

圖1 基于GVDP的車架輕量化開發(fā)流程

2、車架的架構輕量化設計

根據車架設計任務書中的整車配置表，獲得車架總成關鍵輸入如表1所示。

表1 整車配置表（節(jié)選）

根據車架的輸入要求，我們對車架的材料和架構進行輕量化設計。

2.1 車架的材料選擇

選用綜合性能高的材料，使用高強度材料能帶來輕量化設計理念的實現，促進產品的結構優(yōu)化。在制造工藝和經濟效益許可的情況，通過選用高強度材料，利用材料自身更為突出的屈服以及抗拉強度，使得車架結構內的零件數量得到顯著減少，還可以有效降低材料板厚，因而有效減輕車架總成質量。同時，在車架總成中，要根據不同的零件受力情況，有針對性地對車架的不同零件選用不同的材料，從而可以節(jié)約材料成本。本文研究的車架的縱梁和橫梁都采用高性能鋼板，其所用材料如表2所示。

表2 車架材料使用情況

2.2 車架的模塊化設計

非承載式車身的車架總成是一個復雜而龐大的系統，根據設計要求，我們要盡量減少車架總成品種，實現車架總成的配置變化。模塊化設計正是為了解決這一問題而應運而生的。模塊化設計可以將多個零部件組成一個分總成零部件，然后多個分總成組成車架總成。模塊化設計可以有效地減少車架制造工廠進廠的零部件數量和裝配時間，減少零部件存放占用的空間；通過分供應商的控制，減少車架總成在整車裝配過程中的干涉，提升尺寸精度等優(yōu)點。

根據設計輸入和車架總成制造工藝需求，我們將車架劃分了三個等級，一級和二級零件由車架總成制造單位完成最后組裝，三級組件由分供應商來完成，通過這一策略，完成了16種車型車架總成需求的設計。部分車架分總成圖2、圖3所示。

圖3 車架后段二級分總成 示意圖

圖2 車架前段二級分總成示意圖

3、車架的結構優(yōu)化

通過有限元分析軟件hyperworks，對車架進行整體彎曲扭轉剛度以及一階模態(tài)分析。分析結果表明，原始車架設計滿足車架結構性能設計目標要求，余量較大，存在結構輕量化設計的空間。由于該車架的基本框架結構已經限定，外形尺寸根據總布置要求基本定型。為對其輕量化潛能進行深入研究，我們對車架上部分零件的材料厚度進行重新分配，由此針對車架開展了結構輕量化優(yōu)化設計工作。為了滿足汽車的承載性、可靠性和舒適性等要求，車架優(yōu)化設計工作需要優(yōu)化配置多個學科的設計目標，因此車架的輕量化優(yōu)化設計是一個系統性的大工程。本文基于“試驗設計-近似模型-全局優(yōu)化”的優(yōu)化設計策略[3]，通過應用最優(yōu)拉丁超立方試驗設計方法進行設計變量篩選采樣，進而利用徑向基函數的神經網絡建立了車架結構優(yōu)化的近似模型，最后運用全局優(yōu)化算法--多島遺傳算法直接驅動仿真程序進行尋優(yōu)，有效獲得系統的整體最優(yōu)解。

3.1 車架的優(yōu)化模型

本文主要是考慮車架的整體剛度（即車架的彎曲剛度和扭轉剛度）和一階模態(tài)約束。將車架整體模型當中，可對扭曲、彎曲剛度等進行描述的重點位置的位移設定為狀態(tài)變量。本文以車架的最大彎曲變形、最大扭轉變形和一階模態(tài)頻率作為約束條件。

車架優(yōu)化問題的數學描述如下[4,5]：

式中，W (ti)為車架質量關于設計變量t 的函數；ti分別表示第i個零件材料厚度；和分別是材料厚度的下限和上限；n表示獨立零件的數目。式(1a)定義了目標函數為車架的重量。式(1b, 1c, 1d)是約束函數，分別定義了車架彎曲剛度、扭轉剛度和一階模態(tài)的約束范圍。式(1e)定義了優(yōu)化問題的搜索空間。

3.2 基于最優(yōu)拉丁超立方試驗設計方法的設計變量采樣

表3 試驗設計矩陣（部分）

車架的有限元模型是采用全板殼單元構建的，板件構成了全部部件，由此選定的設計變量為部件板厚，通過重新合理匹配這一數值，達成減輕質量這一目標。依據該車架結構可以發(fā)現，需針對29個設計變量開展取值操作。因此處涉及到的設計變量偏多，所以選用的方法為最優(yōu)拉丁超立方試驗設計方式，構建出試驗設計矩陣，獲得90個樣本。如表3 所示為部分試驗設計矩陣。

3.3 基于徑向基函數神經網絡的近似模型建立

徑向基函數神經網絡屬于一種前饋式網絡，輸入矢量到隱層由徑向基函數映射，由隱層到輸出層是簡單的線性加權和，理論上可以無限地逼近任意非線性模型，RBF神經網絡的輸入輸出映射關系如下[6]：

其中：x表示輸入向量；ω表示加權系數；?表示基組函數；ck表示k個節(jié)點中心；σk表示第k個節(jié)點的基寬度參數。

徑向基函數神經網絡通過特定的方法進行初始化參數，從而有效避免了初始化的隨機性，有效提高了神經網絡的逼近、分類能力以及學習速度等，優(yōu)化了網絡結構，提高了收斂速度，對于非線性函數能夠任意逼近，進而使局部極小值的風險降低。且具有無須數學假設，適應復雜問題的優(yōu)點，應用徑向基函數神經網絡建立結構性能約束條件的近似模型，圖4為近似模型流程。

圖4 近似模型流程

3.4 基于多島遺傳算法的全局優(yōu)化

表4 設計變量優(yōu)化結果（部分）

通過多島遺傳算法對近似模型進行優(yōu)化。在運算過程中，我們設定子種群的規(guī)模為10，子種群的數量為10，進化次數為100，優(yōu)化過程經過10×10×100=10000次迭代，保證收斂于最優(yōu)解，得到29個設計變量的優(yōu)化結果?？紤]到實際生產過程中材料的料厚規(guī)格的限制，同時要保證車架零件原材料規(guī)格通用性，我們對優(yōu)化結果進行了微調，得到如表4所示結果。

3.5 車架優(yōu)化結果驗證

為對以近似模型為基礎開展的優(yōu)化設計方案準確性進行深入驗證，在有限元模型內代入優(yōu)化后的板件厚度，開展相應的仿真計算操作。由此得到優(yōu)化后的車架性能，并將其與車架的初始性能及目標值進行對比分析，具體參見下表5：

表5 優(yōu)化前后車架結構性能對比

通過初始以及優(yōu)化方案的數據對比，可見優(yōu)化方案獲得的車架剛度稍有下降，但卻提高了一階模態(tài)。對板件厚度進行重新、合理布置，在不犧牲車架結構性能的前提下，使車架結構經過尺寸優(yōu)化修訂后質量從208.7kg減少到197.5kg，降低了11.2kg，占車架總質量的5.37%，較好的達到了輕量化的目的。

4、試驗驗證

為了驗證車架總成輕量化優(yōu)化設計的準確性，某車型在完成車架總成試制時，對車架總成進行了車架整體彎曲扭轉剛度和模態(tài)進行了試驗分析，得到車架總成的實際結構性能參數，與結構優(yōu)化后的有限元分析結果吻合度較好，且滿足設計目標值，詳見表6?？芍摲治瞿Ｐ蜏蚀_度較高，本方法流程的研發(fā)指導意義較為突出，為此后工作的深入開展奠定了良好基礎。

表6 試驗結果對比分析表

5、總結

借助該設計方法，完成了車架新品的開發(fā)及其輕量化設計，得到了效果較好的產品。通過理論和實際的相結合，驗證了該設計方法合理且具有較高的實用價值，在滿足設計要求的同時可以有效降低車架質量，對非承載式車身的車架輕量化開發(fā)具有指導意義。

[1] 王宏雁,陳君毅.汽車車身輕量化結構與輕質材料[M].北京：北京大學出版社,2009.

[2] 劉惟信.汽車設計[M].北京：清華大學出版社,2001.

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[6] 白俊強,王丹,何小龍,李權等.改進的RBF神經網絡在翼梢小翼優(yōu)化設計中的應用[J].航空學報,2014（35）：1-10.

Method of the lightweight design for the frame in a body-on-frame vehicle

Xu Youliang1, Yuan Yiqing1,2
( 1.School of Automotive Studies, Tongji University, Shanghai 201804; 2. Clean Energy Automotive Engineering Center, Tongji University, Shanghai 201804 )

Based on a new frame development project, this paper provides a development process and technology approach of the new frame. The main work of frame structure design and structural optimization is briefly discussed. Based on multidisciplinary optimization design strategy, the thickness of the plate to re-reasonable match. The result shows that the optimized frame reduces the weight by 11.2kg and 5.37%, and the lightweight optimization is good. Finally, the effectiveness of the structural frame is verified by the sample test.

Frame; the lightweight design; Method; Multidisciplinary optimization

U463.9

：A

：：1671-7988 (2017)07-62-04

徐友良（1984年7月），男，在職工程碩士，工程師，主要從事汽車底盤設計。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2017.07.027