基于拓撲優化的車身結構研究

沈羽

2015年8月10日 16:38

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摘要：隨著CAE技術的發展，虛擬仿真技術在汽車開發中的作用也愈來愈顯著。而前期工程階段，如何布置出合理的車身骨架架構，一直是個相對空白的地帶，也是整車正向開發過程中繞不過的坎。盡管研發工程師根據經驗，參照現有車型的結構特點，也能進行車身骨架架構的設定，但總是缺乏有效手段直觀地反映不同車型結構布置的特點。本文用拓撲優化的方法，從結構基本特征的角度來審視這一問題，并運用該方法對某SUV車身結構進行研究，獲得一些直觀性的結論。

關鍵詞：車身,前期工程,拓撲優化

1 引言

隨著對整車研發過程認識的加深，以及對正向開發過程的探索，在車型開發前期，對車身結構做出更合理的規劃顯得愈來愈重要。常規的研發思路之一是通過參考已有車型的結構，經過適當的修改，形成新的結構，并用于新車型中。但是對于原始車型的設計思路、結構布置的原因等缺乏系統的理解，或者理解不深，往往在更改過程中產生新的問題。為了部分解決上述問題，本文從結構拓撲優化的角度，對某SUV車型車身結構的總體布置進行初步探討，以期加深對結構布置的理解。

2 研究方法概述

合理化的車身結構，是滿足整車基本性能的重要保障。為了能夠實現結構的最優布置，文獻[1]使用了拓撲優化工具來布置車身結構。其基本思路是從造型以及車內空間布置出發，建立車身空間的基礎網格模型，然后根據一定的工況要求，對基礎網格進行拓撲分析，并根據拓撲結果建立梁、板殼模型，并進行多項性能的優化，從而實現車身結構的正向開發。本文借助于該思想，建立研究對象的結構空間包絡，并對該包絡進行拓撲分析，然后將仿真結果與原始結構進行比較，尋找車身結構中的關鍵點，推測初始結構可能的布置思想，從而加深對該研究思路的理解。其基本過程如下圖所示：

QQ截圖20150810162816.png

3 某SUV車身結構研究

本文選取的研究對象是某比較受歡迎的城市SUV，通過對其結構的研究，有利于了解其總體結構的布置原理。本文采用上文提到的方法，對該車型結構進行剖析。

3.1 研究對象及結構包絡

圖2顯示為該SUV車型的結構模型，經過適當處理，產生圖3的結構包絡模型，可以用該結構包絡進行后面的結構拓撲分析。該結構包絡模型完全包含了原結構的布置空間，材料為普通鋼材。考慮到整車在前后碰撞過程中需要縱向剛度比較好，將前后縱梁以及后輪罩直接設定為非設計空間，其余網格均作為設計空間。

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3.2 工況

車身在實際使用過程中承受非常復雜的載荷，這些載荷對車身的影響各不相同，有的影響局部，有的影響整個車身。在實際研發過程中，不可能對所有可能的工況進行考察，而且，不同的設計階段，考察的指標也不相同。在概念設計階段，更重要的是保證車身的總體結構剛度，避免后期產生較大變更，導致項目延期或者增加較多的開發成本。本文主要考察某SUV車型結構布置特點，因此，主要考慮NVH以及碰撞兩個方面的工況。其具體考察工況如下表1所示，4個NVH工況，主要考察整體剛度以及前后端的彎曲性能；4個碰撞方面的工況，主要考察車身承受不同方向的撞擊。

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對于NVH類的工況，其導致的車身變形都是非常小的，所以，在拓撲優化過程中，不需要考慮結構失效問題。而Safety工況對車身的影響都是大變形、非線性的，還有接觸力存在。考慮到前后縱梁作為非設計空間，可以看做是剛度很硬的結構，這樣對車身其他部位而言，Safety工況的影響將限定在線性范圍內。因此，在進行車身拓撲優化的時候，上述工況均作為小變形來處理。

為了更好地反映不同工況對車身結構布置的影響，對以上8種工況組合成4種研究方案，分別為（1）Safety工況單獨考察；（2）NVH工況單獨考察；（3）NVH和Safety同時考察；（4）先Safety工況然后NVH工況。如表1所示，8種工況中，每個工況在不同考察方案中的權重比率一致，比如對第一種方案，表1中5-8號工況的權重比例為：15:10:10:5，具體權重根據上述比例分配來設定，其余類同。

3.3 優化目標與約束

對于一個優化問題而言，設計變量、約束與優化目標是其主要元素。對于本文的優化問題而言，其設計變量為單元密度，約束分別是體積分數和對稱約束，而優化的目標為考察工況下車身結構的柔度最小化，其中，體積分數是指剔除初始非設計體積的當前總體積與初始總體積的比值，而對稱約束是指相對于車身XZ平面，車身結構左右對稱。以上優化問題可簡化描述成如下形式[2]：

目標：最小化

QQ截圖20150810162952.png

i表示設計變量數，j表示考察工況數，Cj為第j個工況下的柔度，Wj為第j個工況的權重；

約束：體積分數 QQ截圖20150810163021.png ，車身對稱約束；

設計變量： QQ截圖20150810163038.png ，其中xi表示第i個單元的單元密度。

3.4優化結果與結構分析

為了能夠獲取上述不同方案下的結構拓撲布置，采用OPTISTRUCT軟件對上述結構進行優化計算[3]，并將結果分別與該SUV的結構布置進行比較。對于車身結構而言，一般可分成前艙、頂蓋、地板、側圍、后圍等結構部分。考慮到部分結構模塊的復雜性以及碰撞分析的非線性，所以在下面對比過程中，主要考察對象為頂蓋、下部車身、側圍、防火墻這四個部分。

3.4.1 頂蓋

對于車頂蓋結構而言，四種方案中，方案2-4涉及NVH工況，且扭轉工況所占比重較大，為了獲得較高的抗扭轉能力，主要結構成斜網狀分布，結果如圖4所示。方案1為安全工況，載荷以縱、橫分布為主，所以頂蓋材料主要呈橫向（Y向）分布，頂部橫梁分布于B柱后側③以及后背門上部②。方案2為完全NVH工況，除了前頂橫梁①以及后部橫梁外②，中間梁均為網狀，而前后頂橫梁①②對于車身抗扭能力具有重要作用。方案3中同時考慮了安全性能與NVH要求，前后橫梁依然是重要結構，同時在B柱上部后側同方案1一樣，存在一根橫向布置梁③。方案4中，將方案1（安全工況）中的主要橫梁設定為非設計空間，然后進行NVH工況優化，從結果看，頂蓋材料分布與方案3相近。從4個方案的結果可以看出，對于車身頂蓋而言，前后橫梁①②以及B柱上部橫梁③對車身主要結構的貢獻相對比較大，在結構布置的時候，需要重點關注。其結果同原結構比較來看，前后橫梁相互對應，其他中間橫梁對整車剛度的作用比較小，其主要作用表現為對頂蓋外鈑金的支撐以及抗雪壓等。

QQ截圖20150810163224.png

3.4.2 下部車身

下部車身共考察9個部位梁的分布，如下圖5所示。方案1主要體現了①②④⑧⑨五個橫梁，橫梁⑤⑥較原始結構有偏移，拆分成了3個橫梁。從SUV的地板縱梁布置看，其結構形式明顯不同于一般貫通式布置，其縱梁②與整車X向呈一定角度，且中止于前地板中橫梁⑤，該縱梁的布置在方案1中得到較顯著提示，其拓撲材料的分布與SUV的該縱梁分布相同，同樣止于前地板中橫梁⑤附近。后地板前橫梁⑦對碰撞安全的影響不明顯，拓撲結果中在該位置沒有材料布置，而橫梁⑧與⑨的作用顯著。

方案2中主要考察NVH性能，從結果看，前地板材料以中通道為中心連接梁，呈網狀分布，說明該部位的Y向橫梁的作用相對弱化，只有如結果所示的布置才能最大化扭轉剛度；在后地板部位，橫梁⑧⑨位置清晰，其中橫梁⑧前部材料呈X狀分布，前點部位對應原型結構的橫梁⑦，后點部位連接橫梁⑧，說明這兩個橫梁對剛度的貢獻比較大，盡管橫梁⑦與所給的拓撲材料分布有差別。該布置方式也符合一般的認知，從車身實際情況看，該部位也是設計重點關注部位之一，車身整體扭轉剛度的提升、路試開裂問題的解決，都需要在這里開展更多的工作。

QQ截圖20150810163255.png

方案3綜合考慮的Safety與NVH工況，從結果可以看出，梁①-⑤、⑧⑨均可以較清晰地體現，梁⑥在方案中有所體現，不過位置較原型結構而言，偏靠前一些。而梁⑦與縱梁搭接處形成了X型交叉結構，與方案2相同，說明，該處位置主要體現了剛度方面的要求。對于前排駕乘艙地板部位而言，交叉型的梁布置結構有利于提升整體的扭轉剛度，對比到原型結構可以看出，原型結構中前地板縱梁布置不同于一般的垂直布置，呈現一定角度的交錯分布結構，同時兼顧了方案1中的前地板縱梁的分布，從拓撲結果來看，該SUV的前地板梁的布置考慮比較綜合，兼顧多個性能。

方案4將方案1中部分梁結構設定為非設計空間，然后按照NVH工況進行優化分析。從結果看，①和⑨是必要的整體結構，②在該方案中也有一定體現，但是梁的長度相對較短，截止于梁④。方案中梁③較原結構有變化，斜向連接于①④之間。后地板部位梁的布置同方案2和3，均會形成X結構。

從上述方案來看，SUV的地板結構布置考慮性能比較綜合，對于該尺寸的車身結構布置而言，前后縱梁的不貫通設計也符合拓撲結構的布置。梁④和⑦、⑧是地板橫梁中非常重要的結構，梁②-③、⑤-⑥的具體布置，需要根據實際需要，進行適當的調整，保證車身Safety和NVH的性能綜合平衡。

3.4.3側圍

對于側圍結構而言，從下圖6比較看，4種組合方案對側圍結構的影響主要體現在車身后部三角窗處，方案1（安全工況）的布置與其他三種方案略有差別，材料分布上只有三角窗前、后梁①②以及與輪罩的連接件④。其他方案中，除了原型中的梁①-④的布置比較清晰，梁③下部的材料也有所布置，從而可以提供比較好的NVH性能，這在方案1中沒有得到反映，說明這些材料分布對NVH性能而言，具有更多正向作用。

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