荣升格　周俊锋　施帆君　胡骏

摘 要：汽车行业是我国国民经济的重要支柱产业之一，同时也是一个国家安全的关键因素。随着经济的发展和人民生活水平的提高，汽车的保有量也在不断增加，人们对汽车的要求越来越高，因此，对车身的设计提出了更高的标准和更高的质量需求。而DOE及轻量化在质量控制的整个过程中扮演了非常重要的角色，它是产品质量提高，工艺流程改善的重要保证。

关键词：DOE 汽车 白车身 结构优化

1 引言

目前，国内大多数的汽车生产企业都在采用以HBS（SUV）为核心的技术来满足用户的不同需要，但由于车身的结构形式的多样性，以及其性能的差异性，使得其在实际使用过程中存在着许多的问题与缺陷。本文针对以上的现状进行研究，并结合国内外的相关理论，通过查阅大量的文献资料，分析出适合于白车身结构优化的方法。

2 研究综述

2.1 研究背景

随着汽车行业的发展和人们对汽车的需求量越来越大，汽车保有量的增长速度也在不断的加快中。由于汽车的普及和道路建设的完善，以及城市交通的日益拥挤，导致交通事故的发生频率也在增加。据有关部门的数据显示，我国每年因车祸造成的人员伤亡人数较多，并且死亡率高达30%。因此，如何提高公路的使用效率，降低事故的发生率成为了社会的热点问题。

2.2 研究意义

目前，国内大多数的汽车厂都采用的是传统的车身结构，即底盘的布置方式，这种设计的弊端就是容易使驾驶员产生疲劳感，从而影响到乘客的舒适度。为了解决这个弊端，国内外许多的厂家开始着手改善车身的外形、色彩、发动机的运行性能等方面的优化工作。对于白车身的改进，就需要对白车身进行优化，通过改变零部件的尺寸来达到减少碰撞的目的；同时，还可以根据不同的行驶环境来调整车型的大小与位置，以满足更多的人出行的要求；最后，还能够提升整车的安全系数，保证其具有良好的燃油经济性[1]。

2.3 研究内容和方法

本文以汽车白车身结构优化为研究对象，在阅读了大量文献资料的基础上，对汽车白车身进行了分析，并根据汽车结构的特点确定出合理的优化方案。

（1）首先，对汽车行业的发展现状以及历史数据等作简要介绍，并通过对比得出优缺点，从而提出本文的研究方向。

（2）其次，针对目前的汽车市场状况，对整车的零部件进行详细的设计计算，包括各部件的尺寸、形状和材料，最后再利用三维建模软件，将各部分的零件模型导入到UG中，完成车身的拓扑布局。

（3）再次，运用有限元方法，建立出一个新的白车身结构的优化框架，并将其与传统的LUG的车型结构相比较验证其可行性。

（4）最终，在综合考虑各种因素的情况下，选出最优的方案来解决实际问题。

3 白车身结构分析

3.1 白车身模态

白车身是汽车的主要结构件之一，它由车身骨架、前围板和后围板等组成，其作用是承受来自路面传来的各种载荷，并将力传递到车身的各个部位[2]。在白车身的设计中，要对各部件进行合理的布置和协调，以保证整车的性能得到充分的发挥与利用。在对汽车的结构分析中，必须考虑到以下几点：

（1）各零部件之间的相互关系。如前车的左右两个车门的安装孔的位置，以及它们的大小尺寸，都要严格按照白车身的要求来确定。

（2）各部分的连接方式。如前车的前后两门的安装孔的形状，及内外门的外径的选择等。

如果采用传统的方法来计算，不仅会导致工作量的增大，而且还浪费材料，并且由于不能准确的表达出实际的受力情况，所以这种方法也不适合此次的研究课题。而采用现代的计算机仿真技术，则可以很好的解决这个问题。同时还能提高数据的准确性与可靠性，从而使试验的结果更具有说服性。每一阶模态都会对应有一个模态频率，在对应的模态频率下会有对应的模态振型。在车身模态中，最值得我们去关注的就是车身一阶弯曲模态频率与一阶扭转模态频率，如下图所示。

3.2 灵敏度

灵敏度是指汽车的抗干扰能力，它是指汽车在行驶过程中，能够以较小的加速度保持零驶的程度大小[3]。当车身的抗干擾性能较差时，就需要通过增加车身的阻尼来提高其灵敏度。而当车身的抗干扰性能较好时，就可以采用优化后的LMCS-51进行优化。在实际的汽车生产中，由于各种因素的影响和限制，车辆运行速度和车速会受到很大的局限性，而导致了其无法保证汽车的安全性能。所以针对这一问题，要对车架的结构参数以及车架的材料选择等方面加以考虑。同时还应该对车架的各零部件的尺寸、形状、重量等予以分析，以便于确定最优的设计方案。为了使车身的响应特性得到改善，必须要对各部件的布局图谱及相关数据进行详细的计算与校准。

3.3 白车身结构的阻尼

对汽车的结构进行优化时，要考虑到白车身的阻尼问题。在汽车的结构中，主要是通过改变车身的高度、底盘的位置和以及车架的材料来实现的；而在白车身的结构中，则需要对车架的位置和形状加以控制，从而达到减小振动的目的。而在白车身的结构中，则可以利用缓冲器的作用来降低整车的质量。对于不同的车型而言，其采用的减速器的类型也是不相同的：低档、高功率的轿车，一般选用低转速的齿轮减速器，高档客车则多选择低速的减速箱。

所以，针对以上的分析，提出了以下的方案：

（1）根据前轮驱动的模型来确定出一个较为合理的减震器的安装形式，然后再将这个安装方式的具体尺寸定下来。

（2）依据前轮的传动系统的布置情况，再将这种改装的具体参数的大小与速度的快慢结合起来，最终设计出一种更为有效的轮胎减震装置。汽车的主要结构参数和性能参数：整车装备质量（kg）：汽车完全装备好的质量，包括润滑油、燃料、随车工具、备胎等所有装置的质量。最大总质量（kg）：汽车满载时的总质量。最大装载质量（kg）：汽车在道路上行驶时的最大装载质量。对于汽车不同条件下的载荷分子如表1。

4 车身结构设计

4.1 车身尺寸确定

对于汽车而言，车身是整车的主要部分，其尺寸大小直接决定了车辆的行驶性能和驾驶员的舒适程度。因此，在进行车身优化设计时，必须充分考虑到汽车的实际使用情况，并对其进行合理的调整和修改。由于汽车的车身结构具有一定的复杂性、多样性，所以在对车身结构的优化时，要根据不同的车型、用途以及驾驶条件来确定相应的车身尺寸。

例如：发动机的悬架系统，当发动机悬架的行程较短时，为了提高其乘坐的稳定性和安全性，可以将发动机的前悬挂的传动机构的长度设置的较长一些，这样一来，就会使轮胎的磨损加快，从而降低了客车的载重能力。当发动机的后桥的宽度较小时，则需要增加后轮的驱动装置，以此来保证车内的座椅等的布置空间。

4.2 车身模态分析与计算

由于汽车车身结构的复杂性和多样性，其固有的非线性特征也是影响汽车车身结构优化的重要因素之一。为了保证车辆的行驶平顺性和安全性，必须对车身的各零部件进行合理的设计与优化。因此，在对整车模型的建立过程中，需要考虑到以下几个方面的问题：

1）确定各部件的几何参数；

2）选择合适的装配方案；

3）计算出各个构件的数据结果。

本文主要针对汽车白车身的模态分析与研究，而在实际的工程应用中，可以以白车身的前五大前舱为例，结合汽车的底盘结构，利用UG软件，以车内的空间布置为依据，采用基于UG的三维建模方法，并运用MATLAB，完成车内的二维造型。

4.3 车身的强度

从车身的结构可以看出，车身主要承受来自于发动机、底盘、车身总成等零部件的载荷作用，而这些部件的强度和刚度直接影响着汽车的行驶安全。

（1）整车的质量轻，强度高，强度高，稳定性好，在实际的汽车上，由于汽车的重量较轻，所以在进行车辆的优化设计时，要考虑到不同的车型所需要的减重量也是不尽相同的；

（2）车身的刚度要好，刚度过大的时候，会有较大的振动和噪音，过大的话，会使驾驶员产生不舒适感，从而降低了乘坐的舒适性。

（3）在客车的内部空间内，要尽量保证各零件的相对位置，如果不能满足要求，就可能导致碰撞的发生；

（4）为了提高各部件的抗疲劳性能，对其的材料也提出了一定的标准：高温合金的构件，必须具有足够的抗弯能力，以防止出现裂纹，焊缝处容易形成应力集中，造成裂纹的扩展或者断裂。

5 基于DOE的白车身结构拓扑优化

5.1 车身结构拓扑优化前处理

前处理是车身结构设计中的重要环节，其主要目的是对整车的行驶工况进行分析，车身结构拓扑优化的过程中，需要对各部件的位置关系以及各部位的布置情况做详细的调查研究，并根据相关的数据确定出车身的基本尺寸。在汽车白车身的实际作业中，由于白车身的外形比较复杂，所以在加工的时候，会出现很多的问题：

（1）车架与底盘的连接处，存在着各种不同的变形；

（2）车架与转向的接缝处也有一定的应力集中现象，并且这种应力的分布也会随着温度变化而产生相应的改变；

（3）前梁的刚度较大，导致前后梁的刚度发生变化，从而影响了整个的造型。

5.2 白车身结构拓扑优化模型的简化

为了使汽车白车身结构优化后的效果达到最优，需要对汽车白车身结构进行拓扑优化。在这里，主要是对前悬架的三维模型和横梁的二维图的分析以及在不同的工况下的仿真结果的对比研究。

对于前悬架的拓扑优化，由于其本身的特点就是，它可以通过改变车桥的连接方式，来实现其与整车的匹配性，从而提高车辆的行驶平顺性。

5.3 白车身结构优化实验

1.白车身结构约束条件有：

（1）发动机功率。汽车在行驶过程中，由于曲柄连杆机构的运动形式不同，其曲柄连杆的转速也不相同，因此，在满足强度条件的同时，还应尽可能的提高曲轴的输出转矩。

（2）底盘的承载能力和稳定性。对于白车身来说，其质量越大，整车越容易发生故障。而当车身的重量增加时，车身结构的整体刚度就会变小，从而导致车身的振动加剧。所以，对汽车白车身进行优化设计，使地板的承受力保持稳定，是保证汽车白车身的重要环节。

（3）空气的流动速度和温度的调节性能。当车内的气流流速与外界的热交换频率一致时，车内会产生一定的舒适感，而当两者之间的距离达到一个合适的值时，则可以通过改变进风口的大小来控制。

2.针对以上白车身结构优化方案，通过对整车模型的模拟与试验，得到了优化结果。

（1）首先，在白车身的前轮进行了改进，改变了前轮的驱动方式，使其转向过程更加灵活，并且减少了后轮摆角的变化范围，从而提高汽车的行驶平顺性。

（2）其次，在白车身的后桥，由于采用的是电控单元式的布置形式，所以可以有效的降低地板的载荷量，同时也能减小车身的重量和质量。

（3）再次，在底盘的前后各部位，都增加了一个大梁，这样就能更好的减轻车身的承载力，而且还能够增强其稳定性。

5.4 汽车白车身结构拓扑优化数值仿真

1.本章主要是针对上文所提出的车身结构拓扑优化模型，进行了以下的计算分析：

（1）对整车的零部件进行建模，并对其尺寸、形状等参数进行了确定，最后将其与实际的车型行驶环境相结合，得到了白车身结构优化的结果；

（2）在前车板和后车架的连接处，通过改变车身的高度来实现车身的轻量化设计，然后将前车板和后轮的连接方式改为可拆卸的连接；

（3）在前轮的连接处，采用可拆卸的连接方法，即根据白车身的不同部位，来选择合理的过渡形式，从而达到减少白车身的重量以及提高汽车的安全性能的目的。

2.通过对车身结构的优化分析，可以得到汽车白车身的设计参数，从而对汽车的整车性能有一个全面的了解。

1）在白车身的前轮计的布置位置上，因為前轮计是直接影响着车辆行驶的方向、速度以及安全性的因素之一，所以要保证其的安装高度不能太高，否则会导致轮胎的磨损加剧，并且还会引起车轮的跳动。

2）前轮的车头角的设置要合理，这样会使车的操纵性、稳定性等都有所改善。而且在不同的区域内，都需要根据实际情况来调整，以达到最佳的效果。

6 结论

本次研究主要是通过对汽车白车身进行优化，以提高汽车的舒适性和安全性，从而提升经济效益。

参考文献：

[1]李祯平. 某低速电动汽车白车身轻量化研究[D].湖南大学，2021.

[2]李长玉，余莎丽，林子涵，张继华.自然激励下某电动汽车白车身模态参数识别[J].电子测量与仪器学报，2020，34（08）：167-173.

[3]杜建邦. 某电动汽车有限元分析与轻量化设计[D].山东理工大学，2020.