高超 （中智浩云科技有限公司，上海，200000）

摘 要：車身結構的外覆蓋件設計是車身設計中比較重要的部分。傳統設計方法是使用08f鋼板設計車身外形，在四門兩蓋內部加入相關加強梁增加其剛度。在現代設計方法中，仿生學設計越來越受到設計工程師的青睞，樹枝狀結構也更多的被用在建筑和工業領域。本文創新性的采用soildThinking Inspire有限元技術和計算機優化技術，對車身外覆蓋件進行了設計，并利用Evolve進行了車身造型設計渲染。

1 引言

車身外覆蓋設計一直是車身設計中十分重要的一部分，其設計性能的好壞直接與關系著整車安全性能、NVH性能和美觀性。傳統的車身結構是內部車身骨架和外覆蓋件組成。內部由沖壓后的鋼梁經焊接組成“籠式車身”，主要功能是承擔整車的外部載荷，是車身中起最大作用的結構件。外部由鋼板沖壓后的覆蓋板和支撐梁組成，其主要功能是提高覆蓋件剛度，減少噪音， 減輕日常濫用力造成的變形。

隨著新材料新科技的大量應用，傳統的鋼結構外覆蓋件已經不能滿足整車NVH和輕量化的性能，于是碳纖維復合材料等新技術已經大量應用在覆蓋板上。為了進一步提升外覆蓋件的性能，使用拓撲優化等計算機輔助設計成為十分必要的技術。本文利用拓撲優化的技術，在車身覆蓋件設計中選取了樹枝狀仿生設計方案，提出一個新的設計構想。

2 設計背景和思路

傳統沖壓的鋼結構車身零件數量多、裝配工藝復雜，造成產業龐大、供應鏈繁雜。一個車 身從設計到定型需要考慮上下游所有因素，最終的產品往往外形單一、造型平庸。3D打印和復合材料等新技術的出現使現代車身設計成為可能。

本文提出的新型車身設計結構分為三個部分： 

1. 內部鋼結構框架，采用傳統或者現代的鋼結構框架，強度大結構簡單互換性好；

2. 中部復合材料結構，采用3D打印等先進制造技術，強度中等，結構復雜； 

3. 外層蒙皮，其強度要求低，可采用輕薄材料，甚至薄膜張緊。

                                                  圖1 車身三部分構成圖

內部框架構成車身主體，中部結構和外層蒙皮構成概念車身的外覆蓋件結構，外層蒙皮不能承載外部載荷。所以對中部的復合材料結構進行優化仿生設計，使其滿足外覆蓋件的結構性 能要求就是本文的重點。

3 設計驗證

參考對標車型中的長寬高尺寸，在Evolve軟件中建立車身外形蒙皮曲面，考慮外覆蓋支撐梁的一般設計尺寸，將曲面加厚成實體曲面，作為設計空間整體導入Inspire中。

車身覆蓋件在結構設計中一般會考察頂壓、雪載、SLAM分析等，考慮車身覆蓋件的一般濫用力情況，建立整體的四種工況如下表。

                                                     表1 工況載荷表

在軟件中約束是紅色的小圓錐表示，而載荷是紅色的箭頭表示。由于結構是概念設計階段， 不考慮重力帶來的相關影響。加載好的模型見圖2.

                                                   圖2 車身外覆蓋件設計空間

軟件采用的是拓撲優化的經典理論，即優化三要素為：設計變量單元密度，設計目標柔度最小，設計約束體積分數小于某一個數值（一般為30%）。在Inspire中對模型的有限元處理是自動化的，即不需要手工進行網格劃分，只需要設計優化參數即可。這里通過設定不同的體積分數約束可以取得不同的方案。經過計算，結果如下圖3所示。

分析四種方案的結果，都出現了樹枝狀的仿生結構，說明在覆蓋件的結構設計中樹枝狀的結構可以為其提供更大的剛度，得到更好的性能。然而四種結構都沒有明顯的給出各個子面板的具體形狀結構，難以進行加工制造。如此，經過驗證，車身外覆蓋件可以進行基于優化的仿生設計。

                                                圖3 不同優化參數下的計算結果

4 設計流程 

根據設計驗證的思路，建立設計流程如下：

 1. 利用傳統設計思路建立框架式模型，導入evlve軟件中，這里采用圓形截面梁示意；   

                                                      圖4 內部框架梁結構 

2. 利用Evolve軟件在車身骨架梁的基礎上進行車身蒙皮造型設計；

                                                 圖5 外部蒙皮造型

3. 將蒙皮分區域導入Inspire中，拉伸出相應的設計空間，增加對稱拔模等制造化約束 

                                           圖6 Inspire中建立設計空間和工況

4. 根據各個子結構的特點重新規劃工況載荷，見表2所列，對各個子結構進行優化設計，選取最佳結果，并自適應除相關的結構形狀；

                                                  表2 子結構工況載荷表

                                                       圖7 子結構優化結果

                                                   圖7 子結構自適應結果

5. 利用軟件進行模型修改并渲染。

                                                   圖8 模型渲染并輸出

5 優化設計結果

經過solidThinking的優化設計，最終可以形成里中外三層的優化設計結構。其中，中間的樹枝狀結構形狀復雜，采用傳統制造工藝很難加工。采用3D打印等新型工藝制造可以有效的規避這個問題，同時復合材料的使用使整個結構更加輕量化，造型更加炫酷。

最終的設計結果如圖9所示，在引擎蓋上生成了三角形的加強梁，與目前的鋼制加強梁一般設計一致，在一定程度上相互印證其設計原理；頂蓋存在兩個縱梁承擔主要載荷，中部的一些橫梁提供頂壓剛度；側門網狀結構具有很大的剛度，可以在一定程度上減輕側撞造成的變形。

                                                   圖9 中部樹枝狀結構

 6 結論

車身外覆蓋件的仿生設計利用solidThinking仿真優化設計平臺，創新性的提出內中外三層結構車身，利用Evolve軟件實現了造型和渲染。設計工程師利用Inspire工具，免去了網格劃分等專業化工作，在概念設計中就可以采用CAE工具進行創新設計，極大了拓寬了設計工程師的 設計思路，同時設計出的產品也更具結構性能。

 7 參考文獻  

[1]solidThinking Inspire 設計工程師基礎教程.pdf  

[2]HyperWorks Help Version 14.0, Altair Engineering, Inc. 

[3]solidThinking Inspire User’s Manual

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