1.前言

本技术规范按照GB/T1.1-2010《标准化工作导则 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。

2.要求
2.1 一般要求

2.1.1 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、防火墙侵入梁和B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。

2.1.2 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。

2.1.3 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。

3.设计方法

3.1 白车身有限元建模

3.1.1 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、刚性单元来模拟，单元的平均尺寸不超过5mm。

3.1.2 单元质量控制

白车身有限元网格划分时单元质量控制标准如表5-1所示。

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、泊松比、弹性模量、剪切模量、材料的本构关系3.1.3 材料属性

3.1.4 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。

3.2 模型验证

3.2.1 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。

3.2.2 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、B柱碰撞加速度曲线、白车身吸能量曲线。

3.2.3 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、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。

3.3 白车身轻量化多目标优化设计

3.3.1 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柱最大加速度最小为优化目标。

3.3.2 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、正碰和偏置碰撞防火墙最大侵入量为约束条件。

3.3.3 设计变量

根据灵敏度或相对灵敏度分析结果，以对白车身性能不敏感、但对白车身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）为设计变量。

3.3.4 多目标优化设计

利用多目标优化设计软件（如iSight、Optimus等），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刚度分析模型，进行白车身的轻量化多目标协同优化设计，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优化设计模型

4．轻量化白车身性能验证

4.1 轻量化白车身有限元建模

把经白车身轻量化多目标优化得到的优化设计变量参数（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5.1的要求重新进行白车身有限元建模。

考虑到国内外对车身刚度和一弯、一扭频率的分析评价习惯，并使车身刚度和一弯、一扭频率的计算结果具有可比性，在下面车身刚度和一弯、一扭频率的计算中，从白车身上去掉四门两盖，只计算车身本体的刚度和一弯、一扭频率。

4.2 车身本体刚度验证

4.2.1 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试验方法》中规定的约束、加载方式和弯曲刚度计算方法进行车身本体弯曲刚度仿真计算。

4.2.1.1 车身本体约束设置

在车身本体与前后悬架减振器四个连接点处施加铰接约束，约束上述四个连接点处的XYZ三个方向的移动自由度如图所示。

计算车身本体弯曲刚度时的约束方法

4.2.1.2 车身本体加载

用沙袋、水袋或重块在座椅安装位置施加均布载荷的方式对车身本体进行弯曲刚度计算加载，施加的最大载荷为该车型最大载客量乘以750N，并向上圆整至1000N的整数倍。

4.2.1.3 车身本体最小弯曲刚度计算

当在车身本体上施加最大均布载荷时，提取车身本体上的最大垂向位移值，计算出车身本体的最小弯曲刚度。

式中，K_Bmin为车身本体最小弯曲刚度，N/m；

F为施加到车身本体上的最大载荷，N；

△S为车身本体的最大垂向位移值，m。

4.2.1.4 车身本体弯曲刚度评价

计算得到车身本体的最小弯曲刚度，应该满足该车型弯曲刚度设计要求，如果不满足设计要求，应根据车身本体弯曲刚度的灵敏度或相对灵敏度分析结果，减少对车身本体弯曲刚度较敏感的轻量化设计变量的结构修改，重新进行弯曲刚度计算，直至满足设计要求。

4.2.2  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试验方法》中规定的约束、加载方式和扭转刚度计算方法进行车身本体扭转刚度仿真计算。

4.2.2.1 车身本体约束设置

在车身本体与后悬架减振器二个连接点处施加铰接约束，约束其二个连接点处的XYZ三个方向的移动自由度，约束前悬架与减振器二个连接点连线中点处的XYZMyMz五个自由度，只保留其绕X轴转动的自由度Mx，如图所示。

计算车身本体扭转刚度时的约束方法

4.2.2.2 车身本体加载

采用在车身本体与前悬架减振器连接点施加垂向集中反向载荷的方式对车身本体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，加载方式如图所示。

计算车身本体扭转刚度时的加载方式

4.2.2.3 车身本体最小扭转刚度计算

当在车身本体上施加最大扭转载荷时，提取车身本体上二个加载点处的最大垂向位移值U1和U2，计算出车身本体的最小扭转刚度。

_{式中，KTmin为车身本体最小扭转刚度，Nm/deg）；}

F为施加在车身本体上的垂直载荷，N；

B为两加载点之间的距离，m；

q 为车身本体前后轴间相对扭转角度，deg；如图所示。

                                                     车身本体前后轴间相对扭转角示意图

扭转角的计算如式所示。

式中，U1 为左侧加载点处的垂向位移，m；

U2 为右侧加载点处的垂向位移,m；

4.2.2.4 车身本体扭转刚度评价

计算得到车身本体的最小扭转刚度，应该满足该车型扭转刚度设计要求。如果不满足设计要求，应根据车身本体扭转刚度的灵敏度或相对灵敏度分析结果，减少对车身本体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。

4.3 车身本体一弯和一扭频率验证

对轻量化后的车身本体有限元模型进行模态分析，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振动特性设计要求。如果不满足设计要求，应根据车身本体一弯、一扭频率的灵敏度或相对灵敏度分析结果，减少对车身本体一弯、一扭频率较敏感的轻量化设计变量的结构修改，重新进行车身本体的模态分析和比较，直至满足设计要求。

4.4 汽车被动安全性验证

4.4.1 汽车正碰安全性验证

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，进行刚性壁障整车100%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）的灵敏度或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。

4.4.2 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、车门防撞横梁等零部件）的灵敏度或相对灵敏度分析结果，减少对白车身侧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GB20071-2006进行侧碰仿真分析和比较，直至满足侧碰被动安全性要求。

4.4.3 汽车正面偏置碰撞安全性验证

按照国家标准GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》规定的试验方法，进行刚性壁障整车40%正面偏置碰撞仿真分析，车内假人的伤害指标应满足标准规定的要求；如果不满足正面偏置碰撞被动安全性要求，应根据白车身正面偏置碰撞安全件（前保险杠防撞梁、吸能盒、前纵梁等零部件）的灵敏度或相对灵敏度分析结果，减少对白车身正面偏置碰撞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GB/T20913-2007进行整车40%正面偏置碰撞仿真分析和比较，直至满足整车正面偏置碰撞被动安全性要求。

5.车身轻量化效果评价

5.1 白车身轻量化评价方法

对于满足性能验证后的轻量化白车身，用白车身轻量化系数作为白车身轻量化效果的评价指标，对其轻量化设计效果进行评价，白车身轻量化系数的计算公式为：

式中，_MBIW为白车身的结构质量，kg；

_CT为白车身的静态扭转刚度（不含玻璃），

A^{为四轮间的垂向投影面积（即前、后轮平均轮距乘以轴距），m2；如图所示。}

四轮间的垂向投影面积

5.2 车身本体轻量化评价方法

为了使白车身轻量化系数评价指标与欧洲常用的评价方法一致，以便具有可比性，去掉轻量化白车身的四门两盖，用车身本体的轻量化系数作为其轻量化效果的评价指标，对其轻量化设计效果进行评价，车身本体轻量化系数的计算公式为：

式中，_MMB为车身本体的结构质量，kg；

_CT为车身本体的静态扭转刚度（不含玻璃），

A^{为四轮间的垂向投影面积（即前、后轮平均轮距乘以轴距），m2。}

5.3 轻量化效果评价

_{得到白车身的轻量化系数LBIW和车身本体的轻量化系数应该满足对白车身和车身本体轻量化目标的要求，如果不满足要求，可以进一步用高强或轻质材料进行正、侧碰安全件替代，然后按照第5和6部分规定的方法重新进行白车身结构的轻量化多目标优化设计，直至满足轻量化目标要求。}

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