1、第 19 卷 第 94 期 交 通 节 能 与 环 保 Vol.19 No.2 2023 年 04 月 Transport Energy Conservation Environmental Protection April.2023 doi:10.3969/j.issn.1673-6478.2023.02.006 白车身轻量化设计流程方法研究 尹 伟，黄 永（吉利汽车研究院（宁波）有限公司工程中心，浙江 宁波 315336）摘要：轻量化手段一般从三方面入手：材料轻量化、工艺轻量化、结构轻量化。通常，新材料、新工艺都或多或少会带来成本的上浮，在产品售价已定的情况下，成本目标及控制是开发的核心指
2、标。为此，本文研究基于料厚组合优化的轻量化，通过对某车型开发过程中的白车身料厚组合优化的经验总结，来实现基于传统钣金结构和工艺，在不增加成本前提下的轻量化设计方法的研究和提炼。关键词：轻量化系数；料厚优化；模态；刚度；试验对比 中图分类号：U462 文献标识码：A 文章编号：1673-6478（2023）02-0030-05 Study on Thickness Combination Optimization Lightweight Design Method of a BIW YIN Wei,HUANG Yong(Geely Automobile Institute(Ningbo)Co.,
3、Ltd.,Ningbo Zhejiang 315336,China)Abstract:Lightweight methods include three aspects:material lightweight,process lightweight,lightweight structure.In general,new material and new process will lead to cost rise,in the case of product price is fixed,cost goal is the core index.Therefore,the subject o
4、f this study is based on material thickness optimization of lightweight,new materials and technology is out of the discussion.This article summarizes the experience of the thickness combination optimization of white body in the development of a SUV to implement lightweight design method research and
5、 refining based on the traditional sheet metal structure and process,without any increase in cost.Key words:LWI;thickness combination optimization;mode;stiffness;test comparison 0 引言 随着国民收入的提高及汽车售价的降低，汽车逐渐走入平常百姓家庭，巨大的汽车保有量和增长率带来的环境污染和能源安全问题将更加突出，并逐渐成了社会所面临的主要问题。大力推进传统燃油车的节能减排，推广和普及新能源汽车，已经成为全汽车行业的普遍
6、共识。汽车的电动化离不开整车的轻量化，为此，2015年 G 主机厂制订了未来十年的轻量化发展规划：年轻量化率按 1.4%1.8%推进，与 2015 年相比，2025 年 收稿日期：2022-07-19 作者简介：尹伟（1987-），男，安徽宿州人，本科，中级工程师，从事工作为整车属性开发集成.（）单车计划实现 13%17%的减重。轻量化设计开发是多学科的系统性工作，狭义的轻量化是减重设计，广义的轻量化活动是围绕客户价值来开展、基于性能保证和提升的前提下的零件减重工作。所以，除了零件或系统减重之外，还应包含性能上的分析、新材料新工艺带来的成本上的评估、工艺设备调整改造分析，以及生产节拍与产能分析
7、等。企业作为盈利性机构，必须保证所采用的轻量化手段和策略满足整车成本及大批量生产的要求，以此保证企业的市场竞争力和可持续发展。本文涉及的某车型轻量化设计开发即基于此。第 2 期 尹伟等，白车身轻量化设计流程方法研究 31 1 白车身轻量化实现路径及流程 1.1 轻量化的路径 车身轻量化的三个路径是：新材料、新制造工艺、结构优化，如图 1 所示。严格意义上，框架轻量化属于结构轻量化范围的一个分支。而边界轻量化主要考虑的是整车配置和性能的调整优化，在绝大部分情况下不具有可操作性，开发目标已设定，性能达标和产品有竞争力是开发原则。图 1 车身轻量化路径 Fig.1 Path of body ligh
8、tweight 1.2 研究内容及研究路线 白车身轻量化目标设定与达成管控一般由整车属性模块负责，根据开发范围的大小，全新整车项目开发周期少则三年，多则四五年。庞大的工作内容和组织架构中，轻量化作为项目的其中一小环，如何嵌入到整车开发流程并与之相匹配，是轻量化目标能否顺利达成的关键。基于 G 公司的整车产品开发流程，结合多年的工作经验，对整车开发过程中的轻量化开发路径进行梳理归纳、确定了本文的研究路线。如图2 所示。图 2 轻量化研究路线 Fig.2 Lightweight research route 1.3 竞品分析与整车重量目标设定 1.3.1 市场定位与竞品分析 市场定位与竞品分析是整
9、车开发中极其重要的环节，是一款车型上市后能否成功的关键，其中就包含重量的对标。以 YY-1 车型为例，其定位以舒适性为主，兼顾运动性的高品质紧凑型 SUV，目前已上市，市场目标是成为细分市场的领导者，考虑到研发周期35 年后的市场格局变化和技术升级，在研发之初将开发指标设定为同类领先水平。图 3 竞品分析 Fig.3 Competitive product analysis 由图 3，我们将销量位居前十的四款自主品牌SUV：锐腾、哈弗 H6、GS4、CS75 作为核心竞品。考虑到三四年后的市场格局，整车属性目标须实现对竞品的全面超越。1.3.2 与轻量化相关的属性目标 轻量化开发必须和整车属性
10、开发同步开展、并与之相匹配。因此，应充分识别与重量相关的整车属性目标，评估各属性对重量的影响，为重量目标的设定提供评估依据。如表 1 所示，对有增重需求的因素应预留出重量，反之，有减重需求的因素应加大减重力度。表 1 整车参数对比 Tab.1 Comparison of vehicle parameters 项目 基础车型 YY-1 属性 变化 对重量 的影响 外形尺寸 4 530 1 830 1 690 4 580 1 860 1 650 提升 增加 轴距 2 680 2 720 提升 增加 动力总成 1.8T+6MT 1.5TD+6MT 提升 降低 安全星级 CNCAP 五星 CNCAP
11、五星（2018）提升 可能 增加 动力性 0100km/h 11 190 195km/h 提升 燃油 经济性 NEDC 8.1 700km 750km 提升 NVH（rating）7 7.5 提升 可能增加 32 交 通 节 能 与 环 保 第 19 卷 综上，YY-1 车型的轻量化先进水平区间应为1 4161 455kg，竞争力水平区间应为 1 4551 509kg。经讨论和分析，剔除设计变更的因素，考虑到平台架构的通用性及 NVH 的提升需求，最终定义整车重量目标为 1 450kg，其轻量化水平在同级别车型中处于先进水平区间 A，在核心及次核心竞品中均处于中上水平，较上一代车型也刚好提升一
12、个级别。1.3.3 重量目标分解 重量目标分解方法及原则（1）将设计统计多出的重量，按比例平均分配到各专业和系统；（2）基于项目开发范围，如基于平台化架构开发，则为保证平台的通用性，应适当减少下车体架构件的减重比例，反之则可以适当加大；（3）组织轻量化专题会议，听取设计、工艺等专业部门的减重目标达成可行性反馈。整车重量目标分解结果 YY-1 车型基于公司 P 平台化开发，为保证平台的通用性，适当减少下车体架构件的减重比例，设定非架构件（车身、内外饰、电器）的减重量约占总减重量的 70%，综合计算及多轮修正后，最后形成整车重量目标分解表（表 2），并发布至全项目组予以执行。表 2 轻量化目标分解
13、表 Tab.2 Breakdown table of lightweight objectives 系统 基础车型重量/kg 目标重量/kg 重量占比 减重额/kg PT 270.2 263 18.14%7.2 CHA 330.5 321.9 22.27%8.6 INT 189 176.9 12.17%12.1 Body 524.7 485.5 33.48%39.2 EXT 87.9 83.3 5.73%4.6 ELE 60.7 55.8 3.83%4.9 fuel&liquid&oil 67.1 63.7 4.40%3.4 Total 1 530 1 450 100%80.0 1.3.4 轻
14、量化路线初步规划 从最终的目标分解结果来看，上下车身的减重压力比较大，为此，可以对白车身的轻量化手段进行初步规划，作为后续详细结构设计的方向性指导。表 3 轻量化手段规划 Tab.3 Lightweight method scheme 轻量化手段 应用规划 减重效果 热成型技术 应用比例不低于 6%，前围下横梁，前地板左纵梁内加强板，B 柱加强板，侧围上边梁，门槛内板、A 柱下内板，中间通道等 10%30%波浪边/减重孔设计 顶盖横梁、B 柱内板等梁类零件 2%5%塑料模块化应用 前端框架模块、行人保护横梁、后防撞梁 30%40%结构优化 后地板 C 型环 C 柱 D 柱加强板及接头处 A 柱
15、上下接头、CD 柱接头、C 型环等 10%30%结构胶应用 前舱纵梁局部加强，顶盖与侧围连接处、侧围与后围连接处，侧围侧碰局部 1.3.5 CAE 模拟分析验证 首轮的轻量化提案一般都比较发散，在进入 CAE分析环节前，非常有必要先对轻量化方案进行研讨筛选。各个专业的轻量化提案汇总在一起后，先要从成本变化、重量变化、工艺可行性、大批量生产的一致性，以及产能配套等方面进行一轮筛选和分析，满足相应条件的再进入下一个建模与 CAE 分析环节。以本车型为例，在轻量化海选方案中，有一项发动机罩铝合金的提案，经分析：铝合金带来的生产线改造及设备投入多达 5 000 多万，单车成本增加 50 多元，且相应的
16、售后维修也有比较大的变化，综合评估后不予以采纳。借助 CAE 分析手段可提前梳理哪些部件对哪些性能相关性较高，针对关联性不高的可优先进行轻量化的验证，基于此方法能找准优化方向、减少验证的时间，轻量化的效率更高，效果更好。（1）三维方案数模设计 复杂的结构优化和工艺连接方案，原则上需先进行三维数模的方案设计，提交给虚拟分析部门进行网格划分与分析。简单的结构方案和料厚方案，可以直接在计算模型上更改模型特征或对属性做调整后进行分析验证。（2）网格划分及要求 将三维CAD数模转化成可用于CAE分析用的有限元模型，这样的转换处理软件很多，但直接转换后并不能直接使用，零件的特征特别是桥接部位的精度第 2 期 尹伟等，白车身轻量化设计流程方法研究 33 和质量并不能满足 CAE 分析的要求，这时候网格的划分和处理就显得尤为重要了。为了提高计算精度，减小计算规模缩短分析时间，网格处理划分要注意如下几方面：网格数目和计算精度正相关，和计算时间负相关，通常，增加网格数目，计算精度会更高，但同时计算效率也会下降。但当网格数目超过临界点后，计算精度的变化很小，计算时间却急速攀升。网格疏密和网格数目道理一致，在
