SAE-China J0703-2013 《轿车白车身轻量化设计方法》

1、中国汽车工程学会技术规范SAE-China J07032013轿车白车身轻量化设计方法Car Body-in-white Lightweight Design Method2014-09-22发布 2014-09-22实施中国汽车工程学会 发布SAE-China J07032013I目目 录录前前 言言.III轿车白车身轻量化设计方法轿车白车身轻量化设计方法.11 范围.12 规范引用文件.13 术语和定义.14 技术要求.25 设计方法.26 轻量化白车身性能验证.67 车身轻量化效果评价.9SAE-China J07032013III前前 言言本技术规范按照 GB/T1.1-2010标准化

2、工作导则 第一部分：标准的结构和编写规则要求起草。本技术规范针对白车身轻量化设计要求，对普通乘用车白车身的轻量化设计方法进行了规范性的规定和说明，对普通乘用车白车身轻量化设计起引导作用，为不同车型的普通乘用车白车身的轻量化设计提供一种通用的方法，类似车型也可参照执行。本规范由汽车轻量化技术创新战略联盟提出。本规范由中国汽车工程学会批准。本规范由中国汽车工程学会归口。本规范起草单位：吉林大学、长安汽车、一汽集团、中国汽研等本规范主要起草人：王登峰、陈鑫、张君媛、陈书明、刘波、季枫、王传青、曲兴等本规范于 2014 年 9 月首次发布。SAE-China J07032013 1 轿车白车身轻量化设

3、计方法轿车白车身轻量化设计方法1 范围本技术规范规定了轿车承载式白车身轻量化设计方法。本技术规范适用于轿车承载式白车身，类似车型（整车整备质量小于3.5 t的其他乘用车）可参照执行。2 规范引用文件下列标准对于本文件的应用是必不可少的。凡是注明日期的引用文件，其随后所有的修改（不包括勘误内容）或修订版均不适用于本规范，但鼓励根据本规范达成协议的各方研究使用这些文件最新版本的可能性。GB/T1.1-2010 标准化工作导则 第1部分：标准的结构和编写；GB/T 4780-2000汽车车身术语；GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护；GB20071-2006乘用车侧面碰撞的乘员保护；GB

4、/T20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护；SAE-China J07022013技术规范“普通乘用车白车身弯曲刚度测试方法”；SAE-China J07012013技术规范“普通乘用车白车身扭转刚度测试方法”；3 术语和定义本规范所规定的术语和定义用于轿车白车身的轻量化设计，考虑到它们对主管部门、制造厂商和用户具有实用价值，特规定下列定义。3.1 白车身白车身 (Body in White)本规范所定义的白车身相当于国家标准GB/T 4780-2000中定义的车身本体、即由车身结构件与覆盖件焊接或铆接后不可拆卸的总成，不含四门两盖、门窗玻璃与可拆卸的副车架。3.2 白车身扭转刚度白

5、车身扭转刚度 （Tensional stiffness of BIW）白车身产生单位扭转角所需要的外加扭矩，它表征了白车身抵抗扭转弹性变形的能力。3.3 白车身弯曲刚度白车身弯曲刚度 （Bending stiffness of BIW）使白车身产生单位弯曲变形所需的弯矩，它表征了白车身抵抗弹性弯曲变形的能力。3.4 投影面积（投影面积（Projected area）指轿车前后轮距的平均值与轴距的乘积。3.5 一阶灵敏度一阶灵敏度（One-order sensitivity）指白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率等，相对白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和

6、形状尺寸等的一阶导数。SAE-China J07032013 2 3.6 一阶相对灵敏度一阶相对灵敏度(One-order relative sensitivity)指白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率等除以零件质量后，相对于白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和形状尺寸等的一阶导数；4 技术要求4.1 基于正碰的白车身结构轻量化设计基于正碰的白车身结构轻量化设计按照国家标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护，进行基于正面碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如前端压溃量、白车身吸能量、防火墙侵入量和B柱加速度等，不

7、考虑车内假人的伤害指标。4.2 基于侧碰的白车身结构轻量化设计基于侧碰的白车身结构轻量化设计按照国家标准GB20071-2006乘用车侧面碰撞的乘员保护，进行基于侧面碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如侧面压溃量、白车身吸能量、B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。4.3 基于偏置碰撞的白车身结构轻量化设计基于偏置碰撞的白车身结构轻量化设计按照国家标准GB/T20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护，进行基于正面偏置碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如前端压溃量、白车身吸能量、防火墙侵入量和B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标

8、。5 设计方法5.1 白车身有限元建模白车身有限元建模5.1.1 网格划分网格划分轻量化设计时对白车身的网格划分，主要用四边形壳单元、三角形壳单元、焊点单元、刚性单元等单元来模拟，单元的平均尺寸不超过10mm。5.1.2 单元质量控制单元质量控制要求要求白车身有限元网格划分时单元质量控制基本要求如表5-1所示。表 5-1 白车身单元质量控制要求控制量单元翘曲角单元长宽比雅可比四边形最小内角四边形最大内角三角形最小内角三角形最大内角三角形百分比要求20 度50.640 度135 度20 度140 度10%5.1.3 材料属性材料属性根据白车身各零件材料特性参数，输入单元的材料属性，包括密度、泊松

9、比、弹性模量、剪切模量、材料的本构关系等。5.1.4 白车身质量（白车身质量（m）白车身有限元建模后的结构质量与白车身三维实体模型相比其质量变化不应超过5%，整车碰撞有限元模型总质量变化不超过40kg。白车身的质量应在轻量化设计报告中注明。SAE-China J07032013 3 5.2 模型验证模型验证在进行整车被动安全性分析模型验证时，考虑到车身的四门两盖和门窗玻璃对整车被动安全性仿真分析结果有重要影响，车身有限元模型中包含四门两盖和门窗玻璃模型。5.2.1 正碰模型验证正碰模型验证按照国家标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护，进行刚性壁障整车正面碰撞仿真分析，其假人伤害

10、指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如前端最大压溃量、B柱碰撞加速度曲线、防火墙最大侵入量、白车身吸能量曲线。5.2.2 侧碰模型验证侧碰模型验证按照GB20071-2006乘用车侧面碰撞的乘员保护，进行整车侧面碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如侧面最大侵入量和侵入速度、B柱碰撞加速度曲线、白车身吸能量曲线。5.2.3 正面偏置碰撞模型验证正面偏置碰撞模型验证按照GB/T20913-2007乘用车正面偏置碰撞的乘员保护，进行整车正面偏置碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如前端最大压溃量、

11、B柱碰撞加速度曲线、防火墙最大侵入量、白车身吸能量曲线。5.3 白车身结构相对灵敏度分析白车身结构相对灵敏度分析通过对白车身结构进行相对灵敏度分析，找出对车身被动安全性、刚度、NVH 性能不敏感，但对减重较敏感的设计变量（如板厚、梁的断面形状、尺寸等）；但用传统的灵敏度分析方法确定优化设计变量（如车身上一些小零件设计参数）时，往往出现某些零件对车身性能不敏感但对减重也不敏感的情况，这会给白车身轻量化设计时设计变量的选取带来困难，因此本规范提出一种相对灵敏度分析方法。这种相对灵敏度分析方法就是用白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率以及白车身被动安全性评价指标

12、除以零件质量后，相对于白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和形状尺寸等的一阶导数；利用相对灵敏度分析方法能快速、有效地确定出白车身轻量化设计变量，以便有效进行白车身轻量化多目标协同优化设计。5.4 白车身轻量化多目标优化设计白车身轻量化多目标优化设计5.4.1 优化目标函数优化目标函数以白车身的质量最小及正、侧和偏置碰撞时B柱最大加速度最小等性能指标为优化目标。5.4.2 约束条件约束条件以白车身的弯曲和扭转刚度，一弯和一扭频率不低于要求的值，正碰和偏置碰撞的前端最大压溃量、防火墙最大侵入量和白车身最大吸能量在某一范围内，以及侧碰车门最大侵入量等为约束条件。5.4.3 设计变量设计变量根据相对

13、灵敏度分析结果，以对白车身性能不敏感、但对质量较敏感的白车身结构零件板厚、梁截面面积、形状（边长和夹角）为备选设计变量，再根据白车身有限元模型的规模及计算机硬件SAE-China J07032013 4 条件，通过综合权衡计算时间和轻量化效果，确定出对白车身减重最有效的设计变量个数进行多目标协同优化设计。5.4.4 多目标优化设计多目标优化设计本技术规范推荐的白车身轻量化多目标优化设计方法分为整体设计法和分段设计法两种。5.4.4.1 整体设计方法整体设计方法整体设计方法是在白车身轻量化多目标优化设计中，利用多目标优化设计方法（或iSight、Optimus等软件）和/或代理模型简化分析方法，

14、通过综合调用整车正、侧和偏置碰撞仿真分析模型、白车身有限元模态分析模型和弯、扭刚度分析模型，进行白车身结构的轻量化多目标协同优化设计，一次确定出满足约束条件要求，使各目标函数最小的白车身结构设计变量。其多目标优化模型如图5-1所示。图 5-1 白车身轻量化多目标协同优化设计模型整体设计法的设计流程如图5-2所示。SAE-China J07032013 5 白车身有限元建模模型性能验证白车身结构相对灵敏度分析白车身板件结构厚度设计变量提取白车身梁类零件形状变量DOE分析白车身梁结构形状设计变量提取白车身轻量化多目标优化设计或使用代理模型简化优化设计是否满足设计要求？轻量化白车身性验证白车身轻量化

15、设计方案否是图 5-2 白车身整体式轻量化多目标优化设计流程该方法的优点是不需要进行重复多次的优化设计计算，只需要一次收敛计算就可以得到使白车身同时满足被动安全性，刚度和模态性能要求的一组轻量化优化设计结果。其缺点是，计算工作量大、计算时间长，需要特殊的计算机硬件资源，同时需要有多目标优化软件、有限元结构分析软件和被动安全性分析软件条件。在图5-2中需要说明的是，由于形状变量的相对灵敏度不能够通过求导快速计算出来，需要通过DOE分析得到其贡献度，并根据贡献度的大小来提取相应形状设计变量。5.4.4.2 分段设计方法分段设计方法分段设计方法流程如图5-3所示。它是把白车身结构轻量化设计分为两个阶

16、段，即板类非安全件的轻量化设计与安全件和梁类零件的轻量化设计。这样可以避免同时进行过大的计算量和分析时间，对计算硬件资源要求也显著降低。但由于白车身上的零件不是相互独立的，一些零件不仅会影响白车身的刚度和模态，也会影响白车身的被动安全性。这种分段式设计方法，在完成白车身安全件轻量化多目标优化设计后，安全件的结构改动可能会影响白车身的刚度、模态性能，需要多次反复修改白车身结构并进行性能验证。也会大大增加白车身总的轻量化设计方案的计算分析时间。SAE-China J07032013 6 模型验证白车身结构相对灵敏度分析非安全件设计变量提取非安全件轻量化多目标优化设计安全件厚度设计变量提取非安全件轻

17、量化设计后模型用DOE进行形状设计变量提取安全件轻量化多目标优化设计轻量化白车身性能验证是否是否满足设计要求？白车身轻量化设计方案是否满足设计要求？否是V1V2V3-V4白车身有限元建模图 5-3 白车身分段式轻量化多目标优化设计流程6 轻量化白车身性能验证6.1 轻量化白车身有限元建模轻量化白车身有限元建模把经多目标协同优化得到的白车身优化设计变量参数（如板厚、梁断面形状等）按照钢板厚度规格和制造工艺要求进行相应调整，得到白车身轻量化设计方案。根据该设计方案对白车身结构进行修改，如果所建白车身模型为全参数化模型，结构修改十分方便、快捷；如果为非参数化模型，结构修改较费时。结构修改后，按照5.

18、1的要求重新进行白车身有限元建模。6.2 白车身刚度验证白车身刚度验证6.2.1 弯曲刚度弯曲刚度按照中国汽车工程学会技术规范普通乘用车白车身弯曲刚度测试方法中规定的约束、加载方式和弯曲刚度计算方法进行白车身弯曲刚度仿真计算。6.2.1.1 白车身约束设置白车身约束设置在白车身与前后悬架减振器四个连接点处施加铰接约束，相当于约束白车身上四个连接点处的XYZ三个方向的移动自由度如图6-1所示。SAE-China J07032013 7 图 6-1 计算白车身弯曲刚度时的约束方法6.2.1.2 白车身加载白车身加载在座椅安装位置施加均布载荷的方式对白车身进行弯曲刚度计算加载，施加的最大载荷为该车型

19、最大载客量乘以750N，并向上圆整至1000N的整数倍。6.2.1.3 白车身最小弯曲刚度计算白车身最小弯曲刚度计算当在白车身上施加最大均布载荷时，提取白车身上的最大垂向位移值，并按(6-1)式计算出白车身的最小弯曲刚度。 KBmin=F/S (6-1)式中：KBmin白车身最小弯曲刚度，N/m；F施加到白车身上的最大载荷，N；S白车身的最大垂向位移值，m。6.2.1.4 白车身弯曲刚度评价白车身弯曲刚度评价计算得到轻量化白车身的最小弯曲刚度，应该满足该车型白车身弯曲刚度设计要求，如果不满足设计要求，应根据白车身弯曲刚度的相对灵敏度分析结果，减少对白车身弯曲刚度较敏感的轻量化设计变量的结构修改

20、，重新进行弯曲刚度计算，直至满足设计要求。6.2.2 扭转刚度扭转刚度按照中国汽车工程学会技术规范普通乘用车白车身扭转刚度测试方法中规定的约束、加载方式和扭转刚度计算方法进行白车身扭转刚度仿真计算。6.2.2.1 白车身约束设置白车身约束设置在白车身与后悬架减振器二个连接点处施加铰接约束，相当于约束其二个连接点处的XYZ三个方向的移动自由度，对前悬架减振器与白车身二个连接点进行刚性连接，约束其中点处的XYZMyMz五个自由度，只保留其绕X轴转动的自由度Mx，如图6-2所示。图 6-2 计算白车身扭转刚度时的约束方法SAE-China J07032013 8 6.2.2.2 白车身加载白车身加载

21、采用在白车身与前悬架减振器连接点施加垂向集中反向载荷的方式对白车身进行扭转刚度计算加载，载荷大小为该车型满载时前轴荷的1/2，并向下圆整至1000N的整数倍，加载方式如图6-3所示。图 6-3 计算白车身扭转刚度时的加载方式6.2.2.3 白车身最小扭转刚度计算白车身最小扭转刚度计算当在白车身上施加最大扭转载荷时，提取白车身上二个加载点处的最大垂向位移值U1和U2，并按(6-2)式计算出白车身的最小扭转刚度。 (6-2)TminFBK=式中：KTmin白车身最小扭转刚度，Nm/deg） ；F施加在白车身上的垂直载荷，N；B两加载点之间的距离，m； 白车身前后轴间相对扭转角度，deg；如图6-4

22、所示。图 6-4 白车身前后轴间相对扭转角示意图角的计算如式（6-3）所示。 （6-3）|1|2|arcUUtgB式中：U1左侧加载点处的垂向位移，m；U2右侧加载点处的垂向位移,m；SAE-China J07032013 9 6.2.2.4 白车身扭转刚度评价白车身扭转刚度评价计算得到的轻量化白车身最小扭转刚度，应该满足该车型对白车身扭转刚度的设计要求。如果不满足设计要求，应根据白车身扭转刚度的相对灵敏度分析结果，减少对白车身扭转刚度较敏感的轻量化设计变量的结构修改，重新进行扭转刚度计算，直至满足设计要求。6.3 白车身一弯和一扭频率验证白车身一弯和一扭频率验证对轻量化后的白车身有限元模型进

23、行模态分析，计算其一弯、一扭固有振动频率，该一弯、一扭频率应该满足对该车型白车身振动特性设计要求。如果不满足设计要求，应根据白车身一弯、一扭频率的相对灵敏度分析结果，减少对白车身一弯、一扭频率较敏感的轻量化设计变量的结构修改，重新进行白车身的模态分析和比较，直至满足设计要求。6.4 汽车被动安全性验证汽车被动安全性验证6.4.1 汽车正碰被动安全性验证汽车正碰被动安全性验证按照国家标准GB11551-2003乘用车正面碰撞的乘员保护规定的试验方法，进行整车正面碰撞仿真分析，车内假人的伤害指标应满足标准规定的要求；如果不满足正碰被动安全性要求，应根据白车身正碰安全件（前保险杠防撞梁、吸能盒、前纵梁等零部件）的相对灵敏度分析结果，减少对白车身正碰安全件较敏感的轻量化设计变量的结构修改，重新按照国家标准GB11551-2003进行正碰仿真分析和比较，直至满足正碰被动安全性要求。6.4.2 汽车侧碰安全性验证汽车侧碰安全性验证按照国家标准GB20071-2006乘用车侧面碰撞的乘员保护规定的试验方法，进行整车侧面碰撞仿真分析，车内假人的伤害指标应满足标准规定的要求；如果不满足侧碰被动安全性要求，应根据白车身侧碰安全件（B柱、门槛梁、车门防撞横梁等