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1、中國汽車工程學會技術規(guī)范SAE-China J07032013轎車白車身輕量化設計方法Car Body-in-white Lightweight Design Method2014-09-22發(fā)布 2014-09-22實施中國汽車工程學會 發(fā)布SAE-China J07032013I目目 錄錄前前 言言.III轎車白車身輕量化設計方法轎車白車身輕量化設計方法.11 范圍.12 規(guī)范引用文件.13 術語和定義.14 技術要求.25 設計方法.26 輕量化白車身性能驗證.67 車身輕量化效果評價.9SAE-China J07032013III前前 言言本技術規(guī)范按照 GB/T1.1-2010標準化
2、工作導則 第一部分：標準的結構和編寫規(guī)則要求起草。本技術規(guī)范針對白車身輕量化設計要求，對普通乘用車白車身的輕量化設計方法進行了規(guī)范性的規(guī)定和說明，對普通乘用車白車身輕量化設計起引導作用，為不同車型的普通乘用車白車身的輕量化設計提供一種通用的方法，類似車型也可參照執(zhí)行。本規(guī)范由汽車輕量化技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟提出。本規(guī)范由中國汽車工程學會批準。本規(guī)范由中國汽車工程學會歸口。本規(guī)范起草單位：吉林大學、長安汽車、一汽集團、中國汽研等本規(guī)范主要起草人：王登峰、陳鑫、張君媛、陳書明、劉波、季楓、王傳青、曲興等本規(guī)范于 2014 年 9 月首次發(fā)布。SAE-China J07032013 1 轎車白車身輕量化設
3、計方法轎車白車身輕量化設計方法1 范圍本技術規(guī)范規(guī)定了轎車承載式白車身輕量化設計方法。本技術規(guī)范適用于轎車承載式白車身，類似車型（整車整備質量小于3.5 t的其他乘用車）可參照執(zhí)行。2 規(guī)范引用文件下列標準對于本文件的應用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，其隨后所有的修改（不包括勘誤內容）或修訂版均不適用于本規(guī)范，但鼓勵根據本規(guī)范達成協(xié)議的各方研究使用這些文件最新版本的可能性。GB/T1.1-2010 標準化工作導則 第1部分：標準的結構和編寫；GB/T 4780-2000汽車車身術語；GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護；GB20071-2006乘用車側面碰撞的乘員保護；GB
4、/T20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護；SAE-China J07022013技術規(guī)范“普通乘用車白車身彎曲剛度測試方法”；SAE-China J07012013技術規(guī)范“普通乘用車白車身扭轉剛度測試方法”；3 術語和定義本規(guī)范所規(guī)定的術語和定義用于轎車白車身的輕量化設計，考慮到它們對主管部門、制造廠商和用戶具有實用價值，特規(guī)定下列定義。3.1 白車身白車身 (Body in White)本規(guī)范所定義的白車身相當于國家標準GB/T 4780-2000中定義的車身本體、即由車身結構件與覆蓋件焊接或鉚接后不可拆卸的總成，不含四門兩蓋、門窗玻璃與可拆卸的副車架。3.2 白車身扭轉剛度白
5、車身扭轉剛度 （Tensional stiffness of BIW）白車身產生單位扭轉角所需要的外加扭矩，它表征了白車身抵抗扭轉彈性變形的能力。3.3 白車身彎曲剛度白車身彎曲剛度 （Bending stiffness of BIW）使白車身產生單位彎曲變形所需的彎矩，它表征了白車身抵抗彈性彎曲變形的能力。3.4 投影面積（投影面積（Projected area）指轎車前后輪距的平均值與軸距的乘積。3.5 一階靈敏度一階靈敏度（One-order sensitivity）指白車身的性能指標，如彎曲剛度、扭轉剛度、一階整體彎曲頻率、一階整體扭轉頻率等，相對白車身結構設計變量如板厚、梁截面面積和
6、形狀尺寸等的一階導數。SAE-China J07032013 2 3.6 一階相對靈敏度一階相對靈敏度(One-order relative sensitivity)指白車身的性能指標，如彎曲剛度、扭轉剛度、一階整體彎曲頻率、一階整體扭轉頻率等除以零件質量后，相對于白車身結構設計變量如板厚、梁截面面積和形狀尺寸等的一階導數；4 技術要求4.1 基于正碰的白車身結構輕量化設計基于正碰的白車身結構輕量化設計按照國家標準GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護，進行基于正面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入量和B柱加速度等，不
7、考慮車內假人的傷害指標。4.2 基于側碰的白車身結構輕量化設計基于側碰的白車身結構輕量化設計按照國家標準GB20071-2006乘用車側面碰撞的乘員保護，進行基于側面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如側面壓潰量、白車身吸能量、B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。4.3 基于偏置碰撞的白車身結構輕量化設計基于偏置碰撞的白車身結構輕量化設計按照國家標準GB/T20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護，進行基于正面偏置碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入量和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標
8、。5 設計方法5.1 白車身有限元建模白車身有限元建模5.1.1 網格劃分網格劃分輕量化設計時對白車身的網格劃分，主要用四邊形殼單元、三角形殼單元、焊點單元、剛性單元等單元來模擬，單元的平均尺寸不超過10mm。5.1.2 單元質量控制單元質量控制要求要求白車身有限元網格劃分時單元質量控制基本要求如表5-1所示。表 5-1 白車身單元質量控制要求控制量單元翹曲角單元長寬比雅可比四邊形最小內角四邊形最大內角三角形最小內角三角形最大內角三角形百分比要求20 度50.640 度135 度20 度140 度10%5.1.3 材料屬性材料屬性根據白車身各零件材料特性參數，輸入單元的材料屬性，包括密度、泊松
9、比、彈性模量、剪切模量、材料的本構關系等。5.1.4 白車身質量（白車身質量（m）白車身有限元建模后的結構質量與白車身三維實體模型相比其質量變化不應超過5%，整車碰撞有限元模型總質量變化不超過40kg。白車身的質量應在輕量化設計報告中注明。SAE-China J07032013 3 5.2 模型驗證模型驗證在進行整車被動安全性分析模型驗證時，考慮到車身的四門兩蓋和門窗玻璃對整車被動安全性仿真分析結果有重要影響，車身有限元模型中包含四門兩蓋和門窗玻璃模型。5.2.1 正碰模型驗證正碰模型驗證按照國家標準GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護，進行剛性壁障整車正面碰撞仿真分析，其假人傷害
10、指標應滿足標準規(guī)定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如前端最大壓潰量、B柱碰撞加速度曲線、防火墻最大侵入量、白車身吸能量曲線。5.2.2 側碰模型驗證側碰模型驗證按照GB20071-2006乘用車側面碰撞的乘員保護，進行整車側面碰撞仿真分析，其假人傷害指標應滿足標準規(guī)定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如側面最大侵入量和侵入速度、B柱碰撞加速度曲線、白車身吸能量曲線。5.2.3 正面偏置碰撞模型驗證正面偏置碰撞模型驗證按照GB/T20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護，進行整車正面偏置碰撞仿真分析，其假人傷害指標應滿足標準規(guī)定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如前端最大壓潰量、
11、B柱碰撞加速度曲線、防火墻最大侵入量、白車身吸能量曲線。5.3 白車身結構相對靈敏度分析白車身結構相對靈敏度分析通過對白車身結構進行相對靈敏度分析，找出對車身被動安全性、剛度、NVH 性能不敏感，但對減重較敏感的設計變量（如板厚、梁的斷面形狀、尺寸等）；但用傳統(tǒng)的靈敏度分析方法確定優(yōu)化設計變量（如車身上一些小零件設計參數）時，往往出現(xiàn)某些零件對車身性能不敏感但對減重也不敏感的情況，這會給白車身輕量化設計時設計變量的選取帶來困難，因此本規(guī)范提出一種相對靈敏度分析方法。這種相對靈敏度分析方法就是用白車身的性能指標，如彎曲剛度、扭轉剛度、一階整體彎曲頻率、一階整體扭轉頻率以及白車身被動安全性評價指標
12、除以零件質量后，相對于白車身結構設計變量如板厚、梁截面面積和形狀尺寸等的一階導數；利用相對靈敏度分析方法能快速、有效地確定出白車身輕量化設計變量，以便有效進行白車身輕量化多目標協(xié)同優(yōu)化設計。5.4 白車身輕量化多目標優(yōu)化設計白車身輕量化多目標優(yōu)化設計5.4.1 優(yōu)化目標函數優(yōu)化目標函數以白車身的質量最小及正、側和偏置碰撞時B柱最大加速度最小等性能指標為優(yōu)化目標。5.4.2 約束條件約束條件以白車身的彎曲和扭轉剛度，一彎和一扭頻率不低于要求的值，正碰和偏置碰撞的前端最大壓潰量、防火墻最大侵入量和白車身最大吸能量在某一范圍內，以及側碰車門最大侵入量等為約束條件。5.4.3 設計變量設計變量根據相對
13、靈敏度分析結果，以對白車身性能不敏感、但對質量較敏感的白車身結構零件板厚、梁截面面積、形狀（邊長和夾角）為備選設計變量，再根據白車身有限元模型的規(guī)模及計算機硬件SAE-China J07032013 4 條件，通過綜合權衡計算時間和輕量化效果，確定出對白車身減重最有效的設計變量個數進行多目標協(xié)同優(yōu)化設計。5.4.4 多目標優(yōu)化設計多目標優(yōu)化設計本技術規(guī)范推薦的白車身輕量化多目標優(yōu)化設計方法分為整體設計法和分段設計法兩種。5.4.4.1 整體設計方法整體設計方法整體設計方法是在白車身輕量化多目標優(yōu)化設計中，利用多目標優(yōu)化設計方法（或iSight、Optimus等軟件）和/或代理模型簡化分析方法，
14、通過綜合調用整車正、側和偏置碰撞仿真分析模型、白車身有限元模態(tài)分析模型和彎、扭剛度分析模型，進行白車身結構的輕量化多目標協(xié)同優(yōu)化設計，一次確定出滿足約束條件要求，使各目標函數最小的白車身結構設計變量。其多目標優(yōu)化模型如圖5-1所示。圖 5-1 白車身輕量化多目標協(xié)同優(yōu)化設計模型整體設計法的設計流程如圖5-2所示。SAE-China J07032013 5 白車身有限元建模模型性能驗證白車身結構相對靈敏度分析白車身板件結構厚度設計變量提取白車身梁類零件形狀變量DOE分析白車身梁結構形狀設計變量提取白車身輕量化多目標優(yōu)化設計或使用代理模型簡化優(yōu)化設計是否滿足設計要求？輕量化白車身性驗證白車身輕量化
15、設計方案否是圖 5-2 白車身整體式輕量化多目標優(yōu)化設計流程該方法的優(yōu)點是不需要進行重復多次的優(yōu)化設計計算，只需要一次收斂計算就可以得到使白車身同時滿足被動安全性，剛度和模態(tài)性能要求的一組輕量化優(yōu)化設計結果。其缺點是，計算工作量大、計算時間長，需要特殊的計算機硬件資源，同時需要有多目標優(yōu)化軟件、有限元結構分析軟件和被動安全性分析軟件條件。在圖5-2中需要說明的是，由于形狀變量的相對靈敏度不能夠通過求導快速計算出來，需要通過DOE分析得到其貢獻度，并根據貢獻度的大小來提取相應形狀設計變量。5.4.4.2 分段設計方法分段設計方法分段設計方法流程如圖5-3所示。它是把白車身結構輕量化設計分為兩個階
16、段，即板類非安全件的輕量化設計與安全件和梁類零件的輕量化設計。這樣可以避免同時進行過大的計算量和分析時間，對計算硬件資源要求也顯著降低。但由于白車身上的零件不是相互獨立的，一些零件不僅會影響白車身的剛度和模態(tài)，也會影響白車身的被動安全性。這種分段式設計方法，在完成白車身安全件輕量化多目標優(yōu)化設計后，安全件的結構改動可能會影響白車身的剛度、模態(tài)性能，需要多次反復修改白車身結構并進行性能驗證。也會大大增加白車身總的輕量化設計方案的計算分析時間。SAE-China J07032013 6 模型驗證白車身結構相對靈敏度分析非安全件設計變量提取非安全件輕量化多目標優(yōu)化設計安全件厚度設計變量提取非安全件輕
17、量化設計后模型用DOE進行形狀設計變量提取安全件輕量化多目標優(yōu)化設計輕量化白車身性能驗證是否是否滿足設計要求？白車身輕量化設計方案是否滿足設計要求？否是V1V2V3-V4白車身有限元建模圖 5-3 白車身分段式輕量化多目標優(yōu)化設計流程6 輕量化白車身性能驗證6.1 輕量化白車身有限元建模輕量化白車身有限元建模把經多目標協(xié)同優(yōu)化得到的白車身優(yōu)化設計變量參數（如板厚、梁斷面形狀等）按照鋼板厚度規(guī)格和制造工藝要求進行相應調整，得到白車身輕量化設計方案。根據該設計方案對白車身結構進行修改，如果所建白車身模型為全參數化模型，結構修改十分方便、快捷；如果為非參數化模型，結構修改較費時。結構修改后，按照5.
18、1的要求重新進行白車身有限元建模。6.2 白車身剛度驗證白車身剛度驗證6.2.1 彎曲剛度彎曲剛度按照中國汽車工程學會技術規(guī)范普通乘用車白車身彎曲剛度測試方法中規(guī)定的約束、加載方式和彎曲剛度計算方法進行白車身彎曲剛度仿真計算。6.2.1.1 白車身約束設置白車身約束設置在白車身與前后懸架減振器四個連接點處施加鉸接約束，相當于約束白車身上四個連接點處的XYZ三個方向的移動自由度如圖6-1所示。SAE-China J07032013 7 圖 6-1 計算白車身彎曲剛度時的約束方法6.2.1.2 白車身加載白車身加載在座椅安裝位置施加均布載荷的方式對白車身進行彎曲剛度計算加載，施加的最大載荷為該車型
19、最大載客量乘以750N，并向上圓整至1000N的整數倍。6.2.1.3 白車身最小彎曲剛度計算白車身最小彎曲剛度計算當在白車身上施加最大均布載荷時，提取白車身上的最大垂向位移值，并按(6-1)式計算出白車身的最小彎曲剛度。 KBmin=F/S (6-1)式中：KBmin白車身最小彎曲剛度，N/m；F施加到白車身上的最大載荷，N；S白車身的最大垂向位移值，m。6.2.1.4 白車身彎曲剛度評價白車身彎曲剛度評價計算得到輕量化白車身的最小彎曲剛度，應該滿足該車型白車身彎曲剛度設計要求，如果不滿足設計要求，應根據白車身彎曲剛度的相對靈敏度分析結果，減少對白車身彎曲剛度較敏感的輕量化設計變量的結構修改
20、，重新進行彎曲剛度計算，直至滿足設計要求。6.2.2 扭轉剛度扭轉剛度按照中國汽車工程學會技術規(guī)范普通乘用車白車身扭轉剛度測試方法中規(guī)定的約束、加載方式和扭轉剛度計算方法進行白車身扭轉剛度仿真計算。6.2.2.1 白車身約束設置白車身約束設置在白車身與后懸架減振器二個連接點處施加鉸接約束，相當于約束其二個連接點處的XYZ三個方向的移動自由度，對前懸架減振器與白車身二個連接點進行剛性連接，約束其中點處的XYZMyMz五個自由度，只保留其繞X軸轉動的自由度Mx，如圖6-2所示。圖 6-2 計算白車身扭轉剛度時的約束方法SAE-China J07032013 8 6.2.2.2 白車身加載白車身加載
21、采用在白車身與前懸架減振器連接點施加垂向集中反向載荷的方式對白車身進行扭轉剛度計算加載，載荷大小為該車型滿載時前軸荷的1/2，并向下圓整至1000N的整數倍，加載方式如圖6-3所示。圖 6-3 計算白車身扭轉剛度時的加載方式6.2.2.3 白車身最小扭轉剛度計算白車身最小扭轉剛度計算當在白車身上施加最大扭轉載荷時，提取白車身上二個加載點處的最大垂向位移值U1和U2，并按(6-2)式計算出白車身的最小扭轉剛度。 (6-2)TminFBK=式中：KTmin白車身最小扭轉剛度，Nm/deg） ；F施加在白車身上的垂直載荷，N；B兩加載點之間的距離，m； 白車身前后軸間相對扭轉角度，deg；如圖6-4
22、所示。圖 6-4 白車身前后軸間相對扭轉角示意圖角的計算如式（6-3）所示。 （6-3）|1|2|arcUUtgB式中：U1左側加載點處的垂向位移，m；U2右側加載點處的垂向位移,m；SAE-China J07032013 9 6.2.2.4 白車身扭轉剛度評價白車身扭轉剛度評價計算得到的輕量化白車身最小扭轉剛度，應該滿足該車型對白車身扭轉剛度的設計要求。如果不滿足設計要求，應根據白車身扭轉剛度的相對靈敏度分析結果，減少對白車身扭轉剛度較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新進行扭轉剛度計算，直至滿足設計要求。6.3 白車身一彎和一扭頻率驗證白車身一彎和一扭頻率驗證對輕量化后的白車身有限元模型進
23、行模態(tài)分析，計算其一彎、一扭固有振動頻率，該一彎、一扭頻率應該滿足對該車型白車身振動特性設計要求。如果不滿足設計要求，應根據白車身一彎、一扭頻率的相對靈敏度分析結果，減少對白車身一彎、一扭頻率較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新進行白車身的模態(tài)分析和比較，直至滿足設計要求。6.4 汽車被動安全性驗證汽車被動安全性驗證6.4.1 汽車正碰被動安全性驗證汽車正碰被動安全性驗證按照國家標準GB11551-2003乘用車正面碰撞的乘員保護規(guī)定的試驗方法，進行整車正面碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規(guī)定的要求；如果不滿足正碰被動安全性要求，應根據白車身正碰安全件（前保險杠防撞梁、吸能盒、前縱
24、梁等零部件）的相對靈敏度分析結果，減少對白車身正碰安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB11551-2003進行正碰仿真分析和比較，直至滿足正碰被動安全性要求。6.4.2 汽車側碰安全性驗證汽車側碰安全性驗證按照國家標準GB20071-2006乘用車側面碰撞的乘員保護規(guī)定的試驗方法，進行整車側面碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規(guī)定的要求；如果不滿足側碰被動安全性要求，應根據白車身側碰安全件（B柱、門檻梁、車門防撞橫梁等零部件）的相對靈敏度分析結果，減少對白車身側碰安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB20071-2006進行側碰仿真分析和比
25、較，直至滿足側碰被動安全性要求。6.4.3 汽車正面偏置碰撞安全性驗證汽車正面偏置碰撞安全性驗證按照國家標準GB/T20913-2007乘用車正面偏置碰撞的乘員保護規(guī)定的試驗方法，進行整車40%正面偏置碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規(guī)定的要求；如果不滿足正面偏置碰撞被動安全性要求，應根據白車身正面偏置碰撞安全件（前保險杠防撞梁、吸能盒、前縱梁等零部件）的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對白車身正面偏置碰撞安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB/T20913-2007進行整車40%正面偏置碰撞仿真分析和比較，直至滿足整車正面偏置碰撞被動安全性要求。7 車身輕量化
26、效果評價7.1 白車身輕量化評價方法白車身輕量化評價方法對于滿足第6部分性能驗證后的輕量化白車身，用白車身輕量化系數作為白車身輕量化效果的評價指標，對其輕量化設計效果進行評價，白車身輕量化系數LBIW的計算公式為：SAE-China J07032013 10 103 （7-1）BIWBIWTMLC A式中：MBIW白車身的結構質量，kg；CT白車身的靜態(tài)扭轉剛度，不含四門兩蓋、門窗玻璃與可拆卸的副車)/(m N架。A四輪間的垂向投影面積（即前、后輪平均輪距乘以軸距） ，m2；如圖 7-1 所示。圖 7-1 四輪間的垂向投影面積7.2 輕量化效果評價輕量化效果評價得到白車身的輕量化系數 LBIW
27、應該滿足對白車身輕量化目標的要求，如果不滿足要求，可以進一步用高強或輕質材料進行正、側碰安全件及其他零部件替代，然后按照第 5 和 6 部分規(guī)定的方法重新進行白車身結構的相對靈敏度分析與輕量化多目標協(xié)同優(yōu)化設計，直至滿足輕量化目標要求。書是我們時代的生命別林斯基書籍是巨大的力量列寧書是人類進步的階梯高爾基書籍是人類知識的總統(tǒng)莎士比亞書籍是人類思想的寶庫烏申斯基書籍舉世之寶梭羅好的書籍是最貴重的珍寶別林斯基書是唯一不死的東西丘特書籍使人們成為宇宙的主人巴甫連柯書中橫臥著整個過去的靈魂卡萊爾人的影響短暫而微弱，書的影響則廣泛而深遠普希金人離開了書，如同離開空氣一樣不能生活科洛廖夫書不僅是生活，而且是現(xiàn)在、過去和未來文化生活的源泉 庫法耶夫書籍把我們引入最美好的社會，使我們認識各個時代的偉大智者史美爾斯書籍便是這種改造靈魂的工具。人類所需要的，是富有啟發(fā)性的養(yǎng)料。而閱讀，則正是這種養(yǎng)料雨果
SAEChinaJ0703轎車白車身輕量化設計方法
