微型车技术与创新第二期

微型车技术与创新TechnologyandInnovation2012年度微型车部青年论文交流专辑第2期2013微型车部内部资料不得翻印写在前面经过一年多的准备和大家的努力，《微型车技术与创新》第二期即将于大家见面了。本期内容刊登是青年论文交流筛选出来的优秀论文，这表明了青年人在钻研技术方面积极性和主动性，也表明青年人是部门技术创新方面的昀活跃、昀重要的力量。产品开发的实践是设计师成长与技术发展的基础。在微型车部创建以来的四年多时间里，我们完成了佳宝品牌的V80和V60两大平台产品的开发，拥有了V80、V60的两个底盘平台和两个车身平台，为佳宝平台的未来打下了良好产品和技术基础。经过如此大量的研发工作实践，使我们的设计师逐步理解了整车商品力、总成竞争力和技术创新力的内涵；一步一步更加深刻地理解了技术与创新是成本、质量和产品魅力的基础，例如低成本的实现同样需要过硬技术和对用户需求的真正了解。创新要求具有开阔的专业视野和对用户需求的深刻理解。我们知道装备START-STOP系统的车辆有一个影响商品性的致命弱点：发动机不工作的时候，空调压缩机也不工作，这样在夏季时发动机不能停机，直接影响了SS系统的作用。如何解决这个问题？用电动压缩机成本很高，不合算。日本电装用了一个非常简单的解决方案：在空调致冷器的管带之间夹了一个充满致冷剂的腔体，空调正常工作的时候，致冷剂放热冷却；发动机停机的时候，致冷剂吸热。这个原理和我们家用的保温包一样，是一个低成本的、优秀的解决方案。因此不断扩大我们的专业视野，是提高创新能力的一个重要途径。以开放的心态学习不同专业领域的知识是开阔专业视野的基本途径。汽车本身与汽车开发都是多领域知识的集合体，是一个很好的学习平台，因此以自己的专业出发，逐步拓展到汽车和汽车开发所涉及每一个领域，这是一个很好的学习途径。当然，学习需要花时间，需要在工作之余看书、查资料，在工作之后总结、提炼。有一个著名的哈佛定律：人的差别在于业余时间，而一个人的命运决定于晚上8点到10点之间。亨利•福特也曾经说过：如果你想永远做个雇员，那么下班的汽笛吹响时，你就可以暂时忘掉手中的工作；如果你想继续前进，去开创一番事业，那么，汽笛仅仅是你开始思考的信号。昀后感谢所有作者所付出的努力，同时希望这一期的论文能够起到抛砖引玉的作用。2013年9月第2期(总第002期)微型车技术与创新2013年1月i目录基于刚度和模态灵敏度的V60白车身轻量化——张军.......................................1微型车三缸发动机机悬置系统匹配设计——王景蓉............................................7基于集中载荷计算方法求解微型车渐变刚度钢板弹簧实例——马一鸣.........17麦弗逊悬架减振器侧向力探究——鲁慧..............................................................17车门限位器设计探讨——傅海强..........................................................................25基于RAMSIS的人机设计方法研究——韩燕、汤小虎....................................25白车身力学性能控制探究——郭中一..................................................................31基于Matlab的钢板弹簧后悬架运动模型的建立及应用——崔文宾...............41OTS认证管理思考——孙国荣.............................................................................45知识工程概论及应用举例——王宣武..................................................................50汽车外后视镜布置及校核方法的研究——杜建伟、牟晓宇..............................55基于VBA的会议纪要模板设计——韦光...........................................................59装备有C-EPS系统的某微型车高速稳定性研究——李永荣............................65微型卡车纵梁结构分析——贾胜.......................................................................69某微型车液压感载比例阀布置形式与液压拐点特性分析——张海军.............25一种基于螺旋角的螺旋弹簧全新计算方法——王跃辉......................................78第2期(总第002期)微型车技术与创新2013年1月1基于刚度和模态灵敏度的V60白车身轻量化 张军骆永民杨兴龙(中国第一汽车股份有限公司技术中心)[摘要]本文基于白车身的刚度和模态性能，用灵敏度分析的方法，较全面的考察了白车身结构零件对性能的影响，找出了41个对白车身刚度、模态性能影响很小的零件，优化了这些零件的厚度，设计了轻量化方案，白车身减重5.5kg，同时保证了白车身的刚度性能，提高了白车身的一阶扭转模态，白车身轻量化效果明显，对工程实际意义重大。主题词：灵敏度分析白车身轻量化刚度模态中图分类号：U463.82文献标识码：A文章编号：1前言据统计，汽车每减轻其质量的10%，燃料消耗率可降低6%-8%[1]。减少的燃料可使汽车在其寿命期内降低排放20%。在全球环境日益恶化和能源危机持续升级的形势下，轻量化设计已经变成汽车研发过程中必不可少的环节。车身质量一般占到汽车整车质量的22%～25%，车身轻量化承担着整车轻量化的重要职责。国内很多研究人员通过优化方法进行结构轻量化设计[2-3]，车身结构的轻量化设计是在不降低或者相对很小的降低车身结构性能条件下，通过有限元分析，并结合优化设计方法、灵敏度方法，找出可减小的设计变量，如材料的减少、料厚的减薄等，达到减重的目的。王书亭等[4]用灵敏度分析的方法找出车架刚度和模态对车架关键板件厚度的灵敏度，将不灵敏的部件减薄对车架进行了轻量化。高云凯等[5]进行了轿车车身扭转挠度对主要结构零件厚度的灵敏度计算，为轿车车身刚度优化设计提供了依据。这些灵敏度分析往往只对某一部分零件进行灵敏度分析，然后直接根据灵敏度的数值大小指导零件的尺寸优化设计，缺乏对白车身零件灵敏度的整体评价。本文通过对V60白车身结构轻量化设计，较全面的分析了车身刚度、模态对车身结构零件厚度的灵敏度，提出了灵敏度评价标准，找出了能够轻量化的零件，对白车身进行轻量化方案研究，给车身设计人员以指导作用，对工程实际具有重大意义。2本文车身结构轻量化思路、方法车身的轻量化可通过对车身结构的优化来实现，在车身开发的前期阶段，结构优化的主要手段是拓扑优化技术，利用拓扑优化方法减少多余材料提高材料利用率来达到轻量化目的；在车身开发的详细阶段，结构优化的主要手段是形状优化和尺寸优化，保证在满足车身模态、刚度、强度及疲劳、碰撞安全等性能指标的条件下，合理设计零件的形状和尺寸来达到轻量化目的。2.1轻量化设计思路、方法轻量化的基本原则是不降低或者相对很小的降低车身结构性能，同时考虑车身设计达到的状态，尽量减小修改来实施轻量化，V60车身设计已经基本结束，为减少修改，采用减小零件厚度的方法进行轻量化设计。本文轻量化设计思路为：图1白车身轻量化设计思路白车身性能指标主要包括：模态、刚度、强度及疲劳、碰撞安全性能及NVH性能等，车身轻量化是在不降低这些性能指标的条件下，减轻车身的重量，本文将刚度、模态这两个车身昀基本的静态、动态性能指标选为约束条件，进行轻量化设计。2.2灵敏度方法及其优化模型结构灵敏度是指所关注的结构性能指标对某些结构参数的变化梯度[6]。车身结构中灵敏度分析是分析车身结构性能参数的变化对车身结构设计第2期(总第002期)微型车技术与创新2013年1月2参数的变化的敏感性[7]。结构的灵敏度分析是分析结构性能参数Tj对结构设计参数xi变化的敏感性。即（1）灵敏度的数值可以反映结构各设计变量对结构性能的影响[6]。在本文中，质量灵敏度表示零件厚度变化1mm，白车身重量的变化量；模态灵敏度表示零件厚度变化1mm，白车身一阶扭转模态频率的变化量；各刚度灵敏度表示零件厚度变化1mm，各刚度工况下对应的考察点Z方向位移的变化量。灵敏度分析属于优化设计的范畴[8]，本文基于灵敏度分析的优化模型为：目标函数：min()Wx（2）约束条件：（3）在优化模型中，白车身零件厚度作为设计变量，用it表示，零件厚度的变化范围为初始厚度的上下20%。白车身质量()Wx作为优化目标，是白车身零件厚度的函数，()jhx为表示白车身刚度、模态性能的约束函数。3V60白车身轻量化设计3.1白车身有限元分析模型白车身由多块薄板零件冲压焊接而成的多层大面积组合体，厚度基本不超过3mm，属于薄壁结构，本文采用板壳单元进行网格划分，建立起白车身分析模型，模型中包括壳单元509013个，焊点单元和刚性连接共有6339个。如图2所示。图2白车身分析有限元模型3.2基于白车身刚度的灵敏度分析3.2.1初始状态白车身扭转刚度的分析承受扭转载荷下白车身的抗变形能力用扭转刚度性能来评价。本文建立的扭转刚度工况是模拟白车身扭转的试验条件，边界条件如下所述，在前减震器上点安装试验框架结构，在框架结构的两端分别施加Z向方向相反的1000N的力，框架结构两端距离2000mm，相当于对车身施加了2000Nm的扭矩，约束框架结构的中点（车身的Y0平面）X、Y、Z三方向的移动自由度，约束后桥板簧吊耳处六个方向的自由度。如图3所示.图3白车身扭转刚度分析模型由于框架结构的刚度很大，近似的把前减震器对应的框架下点处的扭转角当成车身扭转角，即可得出车身的扭转刚度，即（4）式中：TS为扭转刚度值；M为扭矩；θ为前减震器对应的框架下点处的相对扭转角。把模型提交NASTARAN计算，得出前减震器对应的框架下点Z方向的位移为1.497mm，计算得出扭转刚度为12118Nm/°。3.2.2初始状态白车身弯曲刚度的分析承受弯曲载荷下白车身的抗变形能力用弯曲刚度性能来评价。弯曲刚度分析的边界条件如下所述，在中门大梁内侧地板处（左右对称位置）分别施加2000N的力，约束前减震器支座处X、Y、Z三个方向的移动自由度，约束大梁缓冲块支架中点Z方向的移动自由度。把距减震器安装支座X向1200mm的门槛梁处的Z向位移作为弯曲刚度的评价基准点。计算模型如图4所示。图4白车身弯曲刚度分析模型把模型提交NASTARAN计算，得出考察点1,2,...,1,2,...,jmin=⎫⎪⎬⎪=⎭[]12(),,...,jnLuiiihxxtttttt=≤≤TMSθ=jjiiTTsenxx∂⎛⎞=⎜⎟∂⎝⎠第2期(总第002期)微型车技术与创新2013年1月3Z向位移为0.3455mm，计算得出扭转刚度为11577N/mm。3.2.2白车身刚度的灵敏度分析建立灵敏度分析对应的优化计算模型，把白车身上162个板类零件的厚度作为设计变量，忽略了车身上一些小的安装支架和面积很小的加强板，忽略的这些结构件只是起到安装功能，而选取的162个板件占据了车身87.2%的重量，能够代表白车身的性能，所以本文选取的设计变量能很好的反应白车身性能指标对白车身零件厚度的灵敏度特性。在扭转工况下，选取与扭转刚度直接相关的前减震器对应的框架下点Z方向的位移作为优化计算的约束条件，刚度与这一位移成反比，所以设定该点Z向位移小于等于1.5mm。同样的道理，在弯曲工况下，选取与弯曲刚度评价基准点Z方向的位移作为优化计算