1.前言

本技術規范按照GB/T1.1-2010《標準化工作導則 第一部分：標準的結構和編寫規則》要求起草。本技術規范針對白車身輕量化設計要求，對普通乘用車白車身的輕量化設計方法進行了規范性的規定和說明，對普通乘用車白車身輕量化設計起引導作用，為不同車型的普通乘用車白車身的輕量化設計提供一種通用的方法，類似車型也可參照執行。

2.要求

2.1 一般要求

2.1.1 基于正碰的白車身結構輕量化設計

按照國家標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，進行基于正面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入梁和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。

2.1.2 基于側碰的白車身結構輕量化設計

按照國家標準GB20071-2006《乘用車側面碰撞的乘員保護》，進行基于側面碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如側面壓潰量、白車身吸能量、B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。

2.1.3 基于偏置碰撞的白車身結構輕量化設計

按照國家標準GB/T20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》，進行基于正面偏置碰撞的白車身結構輕量化設計時，只考慮白車身結構的抗撞性評價指標如前端壓潰量、白車身吸能量、防火墻侵入量和B柱加速度等，不考慮車內假人的傷害指標。

3.設計方法

3.1 白車身有限元建模

3.1.1 網格劃分

輕量化設計時對白車身的網格劃分，主要用四邊形殼單元、三角形殼單元、焊點單元、剛性單元來模擬，單元的平均尺寸不超過5mm。

3.1.2 單元質量控制

白車身有限元網格劃分時單元質量控制標準如表5-1所示。

根據白車身各零件材料特性參數，輸入單元的材料屬性，包括密度、泊松比、彈性模量、剪切模量、材料的本構關系。3.1.3 材料屬性

3.1.4 白車身質量（m）

白車身有限元建模后的結構質量與白車身三維實體模型相比其質量變化不應超過5%，整車碰撞有限元模型總質量變化不超過40kg。白車身的質量應在輕量化設計報告中注明。

3.2 模型驗證

3.2.1 正碰模型驗證

按照國家標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》，進行剛性壁障整車正面碰撞仿真分析，其假人傷害指標應滿足標準規定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如前端最大壓潰量、B柱碰撞加速度曲線、防火墻最大侵入量、白車身吸能量曲線。

3.2.2 側碰模型驗證

按照GB20071-2006《乘用車側面碰撞的乘員保護》，進行整車側面碰撞仿真分析，其假人傷害指標應滿足標準規定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如側面最大侵入量、B柱碰撞加速度曲線、白車身吸能量曲線。

3.2.3 正面偏置碰撞模型驗證

按照GB/T20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》，進行整車正面偏置碰撞仿真分析，其假人傷害指標應滿足標準規定要求；提取白車身結構抗撞性評價指標，如前端最大壓潰量、B柱碰撞加速度曲線、防火墻最大侵入量、白車身吸能量曲線。

3.3 白車身輕量化多目標優化設計

3.3.1 優化目標函數

以白車身的質量最小及正、側和偏置碰撞時B柱最大加速度最小為優化目標。

3.3.2 約束條件

以白車身的彎曲和扭轉剛度，一彎和一扭頻率不低于要求的值，正碰和偏置碰撞的前端最大壓潰量和白車身最大吸能量在某一范圍內，以及側碰車門最大侵入量、正碰和偏置碰撞防火墻最大侵入量為約束條件。

3.3.3 設計變量

根據靈敏度或相對靈敏度分析結果，以對白車身性能不敏感、但對白車身質量較敏感的白車身結構零件板厚、梁截面面積、形狀（邊長和夾角）為設計變量。

3.3.4 多目標優化設計

利用多目標優化設計軟件（如iSight、Optimus等），通過綜合調用整車正、側和偏置碰撞仿真分析模型、白車身有限元模態分析模型和剛度分析模型，進行白車身的輕量化多目標協同優化設計，確定出滿足約束條件要求，使各目標函數最小的白車身結構設計變量。其多目標優化模型如圖5-1所示。

圖5-1 白車身輕量化多目標優化設計模型

4．輕量化白車身性能驗證

4.1 輕量化白車身有限元建模

把經白車身輕量化多目標優化得到的優化設計變量參數（如板厚、梁斷面形狀等）按照鋼板厚度規格和制造工藝要求進行相應調整，得到白車身輕量化設計方案。根據該設計方案對白車身結構進行修改，如果所建白車身模型為全參數化模型，結構修改十分方便快捷；如果為非參數化模型，結構修改較費時。結構修改后，按照5.1的要求重新進行白車身有限元建模。

考慮到國內外對車身剛度和一彎、一扭頻率的分析評價習慣，并使車身剛度和一彎、一扭頻率的計算結果具有可比性，在下面車身剛度和一彎、一扭頻率的計算中，從白車身上去掉四門兩蓋，只計算車身本體的剛度和一彎、一扭頻率。

4.2 車身本體剛度驗證

4.2.1 彎曲剛度

按照中國汽車工程學會技術規范《普通乘用車白車身彎曲剛度試驗方法》中規定的約束、加載方式和彎曲剛度計算方法進行車身本體彎曲剛度仿真計算。

4.2.1.1 車身本體約束設置

在車身本體與前后懸架減振器四個連接點處施加鉸接約束，約束上述四個連接點處的XYZ三個方向的移動自由度如圖所示。

                                                        計算車身本體彎曲剛度時的約束方法

4.2.1.2 車身本體加載

用沙袋、水袋或重塊在座椅安裝位置施加均布載荷的方式對車身本體進行彎曲剛度計算加載，施加的最大載荷為該車型最大載客量乘以750N，并向上圓整至1000N的整數倍。

4.2.1.3 車身本體最小彎曲剛度計算

當在車身本體上施加最大均布載荷時，提取車身本體上的最大垂向位移值，計算出車身本體的最小彎曲剛度。

式中，K_Bmin為車身本體最小彎曲剛度，N/m；

F為施加到車身本體上的最大載荷，N；

△S為車身本體的最大垂向位移值，m。

4.2.1.4 車身本體彎曲剛度評價

計算得到車身本體的最小彎曲剛度，應該滿足該車型彎曲剛度設計要求，如果不滿足設計要求，應根據車身本體彎曲剛度的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對車身本體彎曲剛度較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新進行彎曲剛度計算，直至滿足設計要求。

4.2.2  扭轉剛度

按照中國汽車工程學會技術規范《普通乘用車白車身扭轉剛度試驗方法》中規定的約束、加載方式和扭轉剛度計算方法進行車身本體扭轉剛度仿真計算。

4.2.2.1 車身本體約束設置

在車身本體與后懸架減振器二個連接點處施加鉸接約束，約束其二個連接點處的XYZ三個方向的移動自由度，約束前懸架與減振器二個連接點連線中點處的XYZMyMz五個自由度，只保留其繞X軸轉動的自由度Mx，如圖所示。

                                                       計算車身本體扭轉剛度時的約束方法

4.2.2.2 車身本體加載

采用在車身本體與前懸架減振器連接點施加垂向集中反向載荷的方式對車身本體進行扭轉剛度計算加載，載荷大小為該車型滿載時前軸荷的1/2，并向下圓整至1000N的整數倍，加載方式如圖所示。

                                                         計算車身本體扭轉剛度時的加載方式

4.2.2.3 車身本體最小扭轉剛度計算

當在車身本體上施加最大扭轉載荷時，提取車身本體上二個加載點處的最大垂向位移值U1和U2，計算出車身本體的最小扭轉剛度。

式中，K_Tmin為車身本體最小扭轉剛度，Nm/deg）；

F為施加在車身本體上的垂直載荷，N；

B為兩加載點之間的距離，m；

q 為車身本體前后軸間相對扭轉角度，deg；如圖所示。

                                                      車身本體前后軸間相對扭轉角示意圖

扭轉角的計算如式所示。

式中，U1 為左側加載點處的垂向位移，m；

U2 為右側加載點處的垂向位移,m；

4.2.2.4 車身本體扭轉剛度評價

計算得到車身本體的最小扭轉剛度，應該滿足該車型扭轉剛度設計要求。如果不滿足設計要求，應根據車身本體扭轉剛度的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對車身本體扭轉剛度較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新進行扭轉剛度計算，直至滿足設計要求。

4.3 車身本體一彎和一扭頻率驗證

對輕量化后的車身本體有限元模型進行模態分析，計算其一彎、一扭固有振動頻率，該一彎、一扭頻率應該滿足對該車型振動特性設計要求。如果不滿足設計要求，應根據車身本體一彎、一扭頻率的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對車身本體一彎、一扭頻率較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新進行車身本體的模態分析和比較，直至滿足設計要求。

4.4 汽車被動安全性驗證

4.4.1 汽車正碰安全性驗證

按照國家標準GB11551-2003《乘用車正面碰撞的乘員保護》規定的試驗方法，進行剛性壁障整車100%正面碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規定的要求；如果不滿足正碰被動安全性要求，應根據白車身正碰安全件（前保險杠防撞梁、吸能盒、前縱梁等零部件）的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對白車身正碰安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB11551-2003進行正碰仿真分析和比較，直至滿足正碰被動安全性要求。

4.4.2 汽車側碰安全性驗證

按照國家標準GB20071-2006《乘用車側面碰撞的乘員保護》規定的試驗方法，進行整車側面碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規定的要求；如果不滿足側碰被動安全性要求，應根據白車身側碰安全件（B柱、門檻梁、車門防撞橫梁等零部件）的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對白車身側碰安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB20071-2006進行側碰仿真分析和比較，直至滿足側碰被動安全性要求。

4.4.3 汽車正面偏置碰撞安全性驗證

按照國家標準GB/T20913-2007《乘用車正面偏置碰撞的乘員保護》規定的試驗方法，進行剛性壁障整車40%正面偏置碰撞仿真分析，車內假人的傷害指標應滿足標準規定的要求；如果不滿足正面偏置碰撞被動安全性要求，應根據白車身正面偏置碰撞安全件（前保險杠防撞梁、吸能盒、前縱梁等零部件）的靈敏度或相對靈敏度分析結果，減少對白車身正面偏置碰撞安全件較敏感的輕量化設計變量的結構修改，重新按照國家標準GB/T20913-2007進行整車40%正面偏置碰撞仿真分析和比較，直至滿足整車正面偏置碰撞被動安全性要求。

5.車身輕量化效果評價

5.1 白車身輕量化評價方法

對于滿足性能驗證后的輕量化白車身，用白車身輕量化系數作為白車身輕量化效果的評價指標，對其輕量化設計效果進行評價，白車身輕量化系數的計算公式為：

                  

式中，M_BIW為白車身的結構質量，kg；

C_T為白車身的靜態扭轉剛度（不含玻璃），

A為四輪間的垂向投影面積（即前、后輪平均輪距乘以軸距），m²；如圖所示。

                                        四輪間的垂向投影面積

5.2 車身本體輕量化評價方法

為了使白車身輕量化系數評價指標與歐洲常用的評價方法一致，以便具有可比性，去掉輕量化白車身的四門兩蓋，用車身本體的輕量化系數作為其輕量化效果的評價指標，對其輕量化設計效果進行評價，車身本體輕量化系數的計算公式為：

式中，M_MB為車身本體的結構質量，kg；

C_T為車身本體的靜態扭轉剛度（不含玻璃），

A為四輪間的垂向投影面積（即前、后輪平均輪距乘以軸距），m²。

5.3 輕量化效果評價

得到白車身的輕量化系數L_BIW和車身本體的輕量化系數應該滿足對白車身和車身本體輕量化目標的要求，如果不滿足要求，可以進一步用高強或輕質材料進行正、側碰安全件替代，然后按照第5和6部分規定的方法重新進行白車身結構的輕量化多目標優化設計，直至滿足輕量化目標要求。

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