基于NVH性能的某平台化车身轻量化设计
摘要：平台化开发是汽车行业快速推出新车型的重要手段。在平台化车型开发的过程中，汽车的NVH性能以及汽车轻量化是重要的性能指标。本文提出了基于NVH性能的平台化车身轻量化设计方法，主要是通过对平台化的通用零部件进行筛选，同时在通用零部件中筛选出关键通用零部件，以零部件的厚度为自变量，以车身的刚度以及模态为约束目标，以车身质量为优化目标，得到优化后的通用零部件的最优组合，并进行验证，实现了白车身的刚度与模态满足开发要求，平台化车身达到轻量化的目的。
关键词：平台化车身NVH轻量化关键通用零部件
随着汽车行业的发展，为了更加快速地推出新的车型，形成消费群体的覆盖，各个车企在不断地进行开发策略的探索，力求可以有效地缩短开发周期，降低开发成本，其中平台化开发的理念成为车企的主要手段之一。平台化开发需要各车企结合本车企的自身特点，包括现有的设计开发流程、生产制造等特点，从而形成适合本车企的平台化设计开发流程，例如大众汽车以动力总成的位置不同而采用的模块化平台设计方法（MQB、MLB、MHB、MQB），雷诺以及日产以功能分布为设计出发点的CMF模块化设计，本田汽车以下车体的分布为基础的模块化设计，以及目前国内汽车企业中江淮汽车的和悦平台，奇瑞汽车的MIX平台，吉利汽车的MBA平台架构等平台化开发策略。虽然各车企有着不同的平台化开发策略，但是所追求的目标基本是一致的，主要为一方面保证零部件的通用率，另一方面是需要保证汽车的性能要求，其中NVH性能以及轻量化目标是其中的重要目标。
2汽车轻量化设计开发现状
汽车的轻量化设计一直受到许多学者的研究，其中崔新涛对多材料结构汽车车身轻量化设计方法进行了研究与阐述[1]；高大威等人通过对动力电池包进行结构优化，实现了纯电动车的轻量化设计[2]；丁明德等从性能与成本角度出发，在某纯电动汽车上运用复合材料，并进行了相关的CAE分析，实现了机舱支架的轻量化设计[3]；谢嘉悦等基于隐式参数化方法提出了电动汽车全参数化车身的平台化与模块化的设计开发建模策略，其中重点探究了轮距、轴距、车高、前段长度以及后端长度变化对汽车刚度与模态性能的影响，为实现性能驱动的电动汽车设计提供了参考[4]。同时为了推动绿色能源与可持续发展，提升市场竞争力，汽车轻量化设计越来越受到车企的重视。车企通常会采用多种方式进行轻量化设计，目前主要有进行采用高性能材料、结构优化等方式方法，在汽车平台化设计的开发的过程中，汽车轻量化设计也至关重要。
3基础理论
3.1模态理论
模态是结构系统的固有振动特性。在汽车的性能设计开发过程中，对车身进行模态分析，并使车身模态进行合理分布，可以有效地提高汽车的NVH性能。对结构系统进行模态分析时，振动微分方程为：
式中：为质量矩阵；为阻尼矩阵；为刚度矩阵；为车身系统的加速度向量，为车身系统的速度矩阵；为车身系统的位移向量，为激励。
对于无约束的自由状态下的车身系统，进行模态分析时，无需考虑外部激励与阻尼。
假设车身系统做简谐运动，位移可表示为：
式中：为振幅；为振动对应的圆频率；为时间，为初始相位角。
将式（2）代入式（1）可得如下方程：
令式（3）的系数行列式为0，即：
其非零解中，即为固有频率，代入式（3）所得特征向量即为对应的固有振型。
3.2多目标优化理论
多目标优化方法可以在保证约束目标满足设计要求的同时，实现目标优化，本文中是以刚度与模态为约束目标，白车身质量最小为优化目标，其中关键通用零部件厚度为变量，其数学模型为：
其中为白车身质量，为白车身的刚度，包括弯曲刚度与扭转刚度；为白车身的模态，包括弯曲模态与扭转模态，为关键通用零部件的厚度。
4.1有限元模型的建立
有限元分析技术可以对汽车的各种性能进行仿真分析，为了保证分析的精度，在平台化车身的设计开发过程中，有限元模型的建立是进行其他分析的基础。其中车身大部分由钣金件组成，大部分采用壳单元进行划分，网格主要采用四边形单元进行划分，其中会有少量三角形单元，本文所建立的白车身有限元模型材料参数如下表所示。
4.2关键通用零部件的筛选
汽车平台化设计的过程中，需要对汽车的通用零部件进行设计，这样可以有效地节省制造成本，但在平台化设计开发的过程中，通用零部件的设计需要满足汽车性能需要。为了更快捷地进行平台化车型的通用零部件设计，需要对通用零部件中影响汽车相关性能的零部件进行筛选，从而更加快捷地进行后续的设计开发，其中常用的方法包括经验法和灵敏度分析法等。本文中，对某平台车型的通用零部件进行了筛选，在通用零部件中主要是车身框架的零部件为影响白车身刚度与模态的关键通用零部件，通过工程经验以及相关分析，影响白车身NVH性能的关键通用零部件主要为车身的横梁与纵梁、门槛梁以及关键的接头部分。
同时为了进