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摘要：面对日益短缺的能源状况和日益恶化的环境状况，无论在传统的内燃机汽车还是新能源汽车领域，轻量化设计都已成为汽车业关注的焦点。轻量化技术必将成为汽车公司的核心竞争力之一。目前轻量化设计的主要方法有以下3种：结构轻量化，即采用优化设计方法对车身的拓扑结构、形状尺寸与厚度进行优化设计，实现轻量化；工艺轻量化，即采用特殊的加工工艺方法，如激光拼焊板、柔性轧制差厚板、液压成型技术等；材料轻量化，采用高强度钢板、轻金属材料（如铝、镁）、非金属材料（高强度塑料、碳纤维复合材料等）。
关键词：白车身；轻量化；优化设计
1、白车身轻量化研究
白车身结构轻量化能够达到理想状态，需要做到以下几点：
1.1在早期的设计阶段就确定可行的轻量化方案。通过运用虚拟分析与优化技术掌握各设计参数对各性能和重量的影响规律，做到重量和性能的平衡，不要到车辆开发的后期才考虑减重，这样减重效果并不明显。目前国内的研究大多集中在车辆研发后期或者小改型设计，仅针对现有车型车身钣金件进行材料强度和厚度的减重优化设计，并没有涉及到车身骨架的开发，鲜有前期就引入结构轻量化的研究。
1.2车身轻量化优化设计需要考虑车身各项性能，是一个多学科的集成优化设计过程，应找到系统整体的最优解。目前国内轻量化优化设计工况多为单学科，优化后再针对其他学科工况进行验算和结果修正，并没有直接进行多学科的集成优化。
1.3车身各零件的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度共同影响着车身各项性能。目前国内汽车企业主要集中对零件材料强度和厚度进行减重优化，没有综合考虑零件的拓扑关系、截面尺寸等导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。本文在车辆早期开发阶段，建立了整车参数化白车身模型。共定义了60多个设计变量，包括车身关键零件的形状、位置、尺寸、材料与厚度。根据整车布置空间与工程师经验，确立了设计变量的有效变化范围。采用试验设计方法产生计算样本点，经仿真计算后汇总结果建立优化近似模型，通过多学科的集成优化，找到满足不同学科不同工况条件下的最轻白车身。
2、白车身轻量优化设计
图1为全参数化白车身模型，为了方便研究，依据工程师的经验，将白车身划分为1、2、3三个区域，针对1、2、3三个区域进行针对性情况优化设计。
图1白车身参数分区优化
区域1：该区域主要为前撞性能，在具体设计过程中主要涉及到的变量内容有前纵梁的位置、厚度、形成等，上纵梁的厚度、形状，柱的厚度和形成等多项内容。在具体分析过程中，工况为48km/h、正面发生刚性碰撞（100%重叠）、可变形壁障碰撞（40%重叠）、扭转刚度。
区域2：该区域主要为侧撞性能，在具体设计过程中，涉及到的变量内容有槛梁的形状、厚度，柱厚度、形状等内容。在具体分析过程中，工况为60km/h、整车弯曲刚度、第一阶弯模态等，
区域3：该区域主要为后弯曲刚度和扭转。在具体设计过程中，涉及到的内容有后纵梁的厚度、形状、门槛梁、衣帽架的厚度等。分析工况的具体内容包括整车弯曲刚度、第一阶扭矩模态等内容。在针对白车身不同区域进行分析时，具体需要考虑的工况的内容也会有所差别，例如影响侧撞性能的因素，并不一定会对正面碰撞的设计造成影响，因此在具体分析过程中需要分开设计，设计内容具有要具有针对性，合理即可，并不需要依据一定的标准进行。此外，在对白车身进行优化过程中，要突出优化的重点内容，如果在优化过程中存在交集区域，在变量设计过程中需要对优化中所涉及到的内容进行综合考虑，从而确保优化的合理性。
2.1分析主效应图和灵敏度
所谓主效应图就是在针对某项变量设计过程中，特定性能对白车身所造成的影响。下面，针对区域1轻量化正面刚性墙碰撞（100%重叠）设计中的变量F1（即厚度m）对减速度所造成的影响，分析主效图与灵敏度的关系。通过分析主效应图与灵敏度，可以得到性能受设计变量的影响规律，从而提升汽车企业的开发能力，提高汽车企业在同行业内的竞争力。
2.2白车身轻量化优化设计
优化约束：区域1、防护墙不同位置的侵入量、有效加速度、前弯感度都能够满足设计要求。区域2：整车弯曲刚度、第一弯曲模态等设计参数都满足设计要求。区域3：后弯刚度、整车扭转刚度都能够满足设计要求。
优化目标：对白车身结构进行优化的最终目的是减少汽车自身的重量。
优化结果：通过对白车身结构的优化，白车身的所使用的零部件截面、厚度、尺寸三者的关系变得更加合理，在确保汽车性能满足使用需求的基础上，减少了白车身重量，达到了优化目的。在对三个不同区域进行优化过程中，会存在部分设计变量对三个区域的性能都会造成影响，在这对这一部分变量进行设计时，要进行综合考虑，如果设计变量对区域1和区域2的性能都会造成影响，应当考虑该因素对区域1和区域2的影响的程度上的差别，选择影响较小的作为约束指标，从而使设计更加合理，在保证汽车性能的基础上，最大程度减轻白车身重量。
3、结束语
通过多学科多目标轻量化优化设计，把轻量化设计的潛能发挥到最大；通过对试验设计结果的方差分析，得到各设计变量对白车身性能的影响规律，对于汽车企业知识的积累，自主研发能力的提高均有积极的意义；通过从试验设计到对近似模型的优化过程，以及先根据白车身性能对其分成不同的优化区域进行优化，从而合理的控制计算与优化时间，快速的对白车身开发提供指导，提高开发效率。
参考文献：
[1]如何优化设计汽车车身结构安全部件材料的探讨[J].吴忠来.科技展望.2016（09）.
[2]汽车车身轻量化管理要点与思考[J].骆建丽，陈晓锋，李程，李建华，高增辉.汽车实用技术.2017（19）.
（作者单位：大连辽机路航特种车制造有限公司）
关键词：白车身；轻量化；优化设计
1、白车身轻量化研究
白车身结构轻量化能够达到理想状态，需要做到以下几点：
1.1在早期的设计阶段就确定可行的轻量化方案。通过运用虚拟分析与优化技术掌握各设计参数对各性能和重量的影响规律，做到重量和性能的平衡，不要到车辆开发的后期才考虑减重，这样减重效果并不明显。目前国内的研究大多集中在车辆研发后期或者小改型设计，仅针对现有车型车身钣金件进行材料强度和厚度的减重优化设计，并没有涉及到车身骨架的开发，鲜有前期就引入结构轻量化的研究。
1.2车身轻量化优化设计需要考虑车身各项性能，是一个多学科的集成优化设计过程，应找到系统整体的最优解。目前国内轻量化优化设计工况多为单学科，优化后再针对其他学科工况进行验算和结果修正，并没有直接进行多学科的集成优化。
1.3车身各零件的拓扑关系、截面尺寸、位置、材料强度与厚度共同影响着车身各项性能。目前国内汽车企业主要集中对零件材料强度和厚度进行减重优化，没有综合考虑零件的拓扑关系、截面尺寸等导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。本文在车辆早期开发阶段，建立了整车参数化白车身模型。共定义了60多个设计变量，包括车身关键零件的形状、位置、尺寸、材料与厚度。根据整车布置空间与工程师经验，确立了设计变量的有效变化范围。采用试验设计方法产生计算样本点，经仿真计算后汇总结果建立优化近似模型，通过多学科的集成优化，找到满足不同学科不同工况条件下的最轻白车身。
2、白车身轻量优化设计
图1为全参数化白车身模型，为了方便研究，依据工程师的经验，将白车身划分为1、2、3三个区域，针对1、2、3三个区域进行针对性情况优化设计。
图1白车身参数分区优化
区域1：该区域主要为前撞性能，在具体设计过程中主要涉及到的变量内容有前纵梁的位置、厚度、形成等，上纵梁的厚度、形状，柱的厚度和形成等多项内容。在具体分析过程中，工况为48km/h、正面发生刚性碰撞（100%重叠）、可变形壁障碰撞（40%重叠）、扭转刚度。
区域2：该区域主要为侧撞性能，在具体设计过程中，涉及到的变量内容有槛梁的形状、厚度，柱厚度、形状等内容。在具体分析过程中，工况为60km/h、整车弯曲刚度、第一阶弯模态等，
区域3：该区域主要为后弯曲刚度和扭转。在具体设计过程中，涉及到的内容有后纵梁的厚度、形状、门槛梁、衣帽架的厚度等。分析工况的具体内容包括整车弯曲刚度、第一阶扭矩模态等内容。在针对白车身不同区域进行分析时，具体需要考虑的工况的内容也会有所差别，例如影响侧撞性能的因素，并不一定会对正面碰撞的设计造成影响，因此在具体分析过程中需要分开设计，设计内容具有要具有针对性，合理即可，并不需要依据一定的标准进行。此外，在对白车身进行优化过程中，要突出优化的重点内容，如果在优化过程中存在交集区域，在变量设计过程中需要对优化中所涉及到的内容进行综合考虑，从而确保优化的合理性。
2.1分析主效应图和灵敏度
所谓主效应图就是在针对某项变量设计过程中，特定性能对白车身所造成的影响。下面，针对区域1轻量化正面刚性墙碰撞（100%重叠）设计中的变量F1（即厚度m）对减速度所造成的影响，分析主效图与灵敏度的关系。通过分析主效应图与灵敏度，可以得到性能受设计变量的影响规律，从而提升汽车企业的开发能力，提高汽车企业在同行业内的竞争力。
2.2白车身轻量化优化设计
优化约束：区域1、防护墙不同位置的侵入量、有效加速度、前弯感度都能够满足设计要求。区域2：整车弯曲刚度、第一弯曲模态等设计参数都满足设计要求。区域3：后弯刚度、整车扭转刚度都能够满足设计要求。
优化目标：对白车身结构进行优化的最终目的是减少汽车自身的重量。
优化结果：通过对白车身结构的优化，白车身的所使用的零部件截面、厚度、尺寸三者的关系变得更加合理，在确保汽车性能满足使用需求的基础上，减少了白车身重量，达到了优化目的。在对三个不同区域进行优化过程中，会存在部分设计变量对三个区域的性能都会造成影响，在这对这一部分变量进行设计时，要进行综合考虑，如果设计变量对区域1和区域2的性能都会造成影响，应当考虑该因素对区域1和区域2的影响的程度上的差别，选择影响较小的作为约束指标，从而使设计更加合理，在保证汽车性能的基础上，最大程度减轻白车身重量。
3、结束语
通过多学科多目标轻量化优化设计，把轻量化设计的潛能发挥到最大；通过对试验设计结果的方差分析，得到各设计变量对白车身性能的影响规律，对于汽车企业知识的积累，自主研发能力的提高均有积极的意义；通过从试验设计到对近似模型的优化过程，以及先根据白车身性能对其分成不同的优化区域进行优化，从而合理的控制计算与优化时间，快速的对白车身开发提供指导，提高开发效率。
参考文献：
[1]如何优化设计汽车车身结构安全部件材料的探讨[J].吴忠来.科技展望.2016（09）.
[2]汽车车身轻量化管理要点与思考[J].骆建丽，陈晓锋，李程，李建华，高增辉.汽车实用技术.2017（19）.
（作者单位：大连辽机路航特种车制造有限公司）