本文摘錄自期刊題目名為“快速網格變形技術在車身開發流程中的應用”，感謝作者：廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院的閆亮、姜葉潔、劉向征和袁煥泉

  車身是汽車的重要組成部分，是汽車所有總成及乘員的載體，其重量約占整車重量的 40%，對車身結構進行優 化設計能夠有效降低汽車自重。傳統的白車身開發流程以線框車身結構及截面設計為起點，設計出 CAD 數據后通過 CAE 校核反饋，再 優化設計，見圖 1。

圖 1

由于線框結構與詳細的車身結構性能差別較大，甚至 在某些時候反映的性能趨勢與詳細車身結構相反，因此工 程師借助線框結構設計出的車身詳細數模不可避免地存 在諸多缺陷；此外，從線框結構開始到建立完詳細的鈑金 結構數模，耗時較長，這一定程度上影響了后續開發的時間。綜上所述，現有的車身結構開發流程有諸多缺陷。

            

A   柱上接頭         A   柱下接頭         B   柱上接頭

圖 2 

1  車身開發流程起點的新思路—基于網格變 形的結構靈敏度多目標優化

本文作者在長期的研發實踐中，依托先進的 CAE 分 析工具，提出車身開發流程的全新思路：結合快速網格變 形工具及多目標靈敏度優化分析軟件，能對現有平臺快速 變形出貼合早期造型 CAS 面的目標車型，進而能獲得包 含詳細工藝特征的準確 CAE 分析模型，再聯合多目標靈 敏度分析軟件建立結構形狀參數及厚度參數作為設計變 量，進行結構優化及輕量化，可在整車開發流程的起點階 段較準確獲知并優化車身結構各項性能 、 車身質量，進而 為項目決策提供可靠的指導 。

1.1新流程的起點——MeshWorks 快速網格變形技術

新流程的起點，是借助Meshworks的morph 技術，高質量快速地獲得具有詳細工藝特征的有限元模型。將已有同級別對標車（或擴展平臺的原型車）的白車身有限元模型 導入MeshWorks 軟件，根據新的CAS 面對現有的白車身有限元網格模型進行網格變形，直到貼合CAS 面為止。

1.2   多目標參數化設計及靈敏度分析

    本文的車身開發流程的起點技術，與當前基于線框模 型車身分析技術的重要區別在于，可直接基于具備詳細工 藝特征的模型開展多目標參數設計，進而通過研究車身結 構性能（剛度 、 模態 、 輕量化 …… ）對目標參數的敏感程度，   從而可以確定哪些參數對系統或模型有較大的影響 。 以便 對癥下藥 ，在后期CAD建 模時可獲得可信的設計思路 。

1.2.1   多目標參數化設計

車身鈑金的結構形狀 、 厚度，構成了車身的最基本要 素，下面將詳細說明如何通過這兩個基本要素建立多目標 參數 。

白車身結構形狀由構件及其接頭（ Joint ，節點）和板殼 零件共同組成，是承受載荷和傳遞載荷的基本系統 。 所以， 結構參數需要考慮白車身接頭，如圖   2   所示 。

對于一般鋼結構車身，其構件是由成形鋼板制件焊接 組成的，截面為閉口或開口的薄壁桿件，在車身中起支承 和加強的作用 。 車身下部（底架總成）包括前 、 后縱梁，底架 各橫梁，地板及由其兩側邊與側圍外板組成的門檻，地板   中間通道，前圍板 、 后隔板 、 懸架支座及輪罩等；車身上部 包括側圍的   A 、 B 、 C    柱，頂蓋及其邊梁，風窗上 、 下橫梁等 。 所以，在進行結構參數設計時，頂蓋橫梁 、 后縱梁 、 門檻梁 、 地板中通道 、 上側圍縱梁等也是考慮參數之一 。 厚度參數 的設置可以涵蓋白車身上所有板殼的選取，以便白車身輕 量化 。

此處共取形狀變量 26 個，厚度變量 16 個 。 具體參數選取及范圍見表 1 和表 2 。

表 1   26 個形狀變量

表2   16 個厚度變量

1.2.2 靈敏度分析

為了優化結構，需要量化所有的設計變量，包括結構 參數和厚度參數，即構件截面特性和接頭剛度對材料幾何 尺寸變化的靈敏度，以及結構整體剛度對截面特性 、 接頭 剛度或板厚變化的靈敏度，以便選擇較靈敏的變量或部位 進行修改，引導結構優化的方向 。  

Isight 軟件的優化設計，是對試驗設計獲得樣本庫的 基礎上，運用近似模型方法，建立設計變量與響應變量之 間的數學表達式，對響應函數進行平滑處理，降低 “ 數值噪 聲 ” ，有利于更快的收斂到全局最優點 。 常用的近似模型方 法包括：響應面模型 、 克里格模型或神經網絡 。 本文中用到 的近似模型是響應面模型 。

根據已有的設計變量及設計變量的變化范圍，選取樣 本點，樣本的點的選取通過試驗設計 （ DOE ， Design of Experiment ）方法進行抽樣，用盡可能少的仿真獲取設計變 量與響應變量之間的規律和關系，通過方差分析方法，辨 識對輸出參數影響最關鍵的設計變量，從而有效縮小優化 中設計變量的數量，降低優化的難度和時間開銷 。 常用的 試驗設計方法包括正交數組和優化拉丁方，這里采用優化 拉丁方選取樣本點 。 42 個變量，選取 100 個樣本點 。 得到相應的 DOE 矩陣 。

由于車身結構的對稱性，為了減少設計變量的個數， 降低計算時間，以幾個接頭等結構和車身各板厚為設計變 量，將左右相同的部件的厚度設置為同一個設計變量，共 有 42 設計變量， 100 個樣本點，根據響應面得到各個設計 變量對性能影響的靈敏讀分析 。 各個變量對目標函數的影 響，一般只考慮影響程度在 5% 以上的變量 。

至此，已經獲得影響車身結構性能（剛度 、 模態 、 輕量 化 …… ）重要的結構部件 。 下面將重點以這些部件為結構 優化及輕量化的對象，開展 CAE 分析 。

1.3 結構優化及輕量化設計

白車身結構的輕量化設計是采用優化設計方法，在保證車身結構性能的前提下，通過對車身板件厚度的重新分 配，達到輕量化的目的。優化設計是一種尋找確定最優設 計方案的技術，通過對設計變量的合理選擇，在實際約束 狀態下，使系統性能指標最優。白車身結構的約束優化設計問題可表述為  

式中 ： x =[x 1 ， x 2 ， x 3 ， … ， x j ， … ， x n ] T ， x 為由 車身板件厚 度 組成的向量 。 x j    、 x j   分別為設計變量的上 、 下限；f（   x ）為白車 身結構質量函數 ； g （ k    x ） 為約束函數 。

1.3.1   優化工況和設計變量 

    考慮兩個學科對白車身性能的影響，包括彎曲剛度和 扭轉剛度，彎曲模態和扭轉模態的影響 。 選擇對上述工況 有較大影響且可以改進的白車身結構及板厚作為設計變 量，即   1.2.1  中提到的結構參數和厚度參數，根據制造的實 際情況，定義設計變量的取值范圍，共計4 2   個設計變量， 26   個結構變量， 16   個厚度變量 。

1.3.2   優化目標和約束 

    優化的目標和約束分為兩條路徑進行： ① 目標函數定 義為彎扭剛度 、 模態最大，定義的約束條件為質量能夠接受 的最大值，旨在尋找質量一定的情況下，性能的最大值； ②   目標函數定義為白車身質量最小，定義的約束條件如表 3 。

表   3

優化指標	彎曲剛度	扭轉剛度	彎曲模態	扭轉模態
約束條件	≥ [ A ]	≥ [ B ]	≥ [ C ]	≥ [ D ]

1.3.3   試驗設計 

    采 用優化拉丁超立方法對實際可取水平生成剛度 、 模 態的樣本矩陣，既可用于參數靈敏度分析，設計變量的 DOE   矩陣 。

1.3.4   近似   CAE   建模

  根據設計變量和優化工況的特點，剛度 、 模態近似模 型選取二階逐次替換的響應面模型 。 為確定近似模型的精 度，對其進行了隨機抽取樣本點的誤差分析方法，結果表 明所建立的近似模型滿足工程開發的精度要求，彎曲 、 扭   轉剛度 、 模態的誤差分析結構，剛度 、 模態近似模型的誤差 都小于 2% 。

表  4

1.3.5 優化結果

變形后的基礎模型，其扭轉剛度 21963N · m/ ° ，彎曲剛 度 15616N/mm ，扭轉模態 37.86Hz ，彎曲模態 37.86Hz ，質量 387.9kg ，經過剛度 、 模態優化后，其扭轉剛度 23849N · m/ ° ， 彎 曲 剛 度 16888N/mm ， 扭 轉 模 態 39.79Hz ， 彎 曲 模 態 40.37Hz ，質量 393.4kg ，可見，優化后，扭轉剛度提高 8.45% ，彎曲剛度提高 8.15% ，扭轉模態提升 2.95% ，彎曲 模態提升 6.63% ，質量增加 5.5kg ；輕量化后，其扭轉剛度 22529N · m/ ° ，彎曲剛度 16646N/mm ，扭轉模態 40.03Hz ，彎 曲模態 40.05Hz ，質量 381kg ，輕量化后，扭轉剛度提高 2.58% ，彎曲剛度提高 6.6% ，扭轉模態提升 5.73% ，彎曲模 態提升 5.78% ，質量減小 6.9kg 。

1.4 CAD 建模

    通過上述快速網格變形的多目標優化分析，最終得到 合理的有限元模型 。 將這些有限元模型導成 CAD 格式數 據，導入 CAD 設計軟件（如 CATIA ）中，即可獲得合理的整 車模型 。 由于此步得到的 CAD 數模已經事先進行了足夠 詳細的 CAE 分析，可以認為此版數模是足夠詳細準確的 。

2 結論與展望

本 文 根 據現有的白車身有限元模型，通過 MeshWorks軟件中的 MORPH 功能，在車身預研階段， 根據 CAS 面，建立了白車身在預研階段的有限元模型，并且在MeshWorks 軟件里建立了結構參數和厚度參數，作為所選取的設計變量，聯合 ISIGHT 優化軟件，對白車身性能以及質量進行了優化，在保證白車身結構靜、動 態特性的提升的前提下，使白車身質量減小 6.9kg，實現了輕量化的目的。事實上，此技術已有效地指導了 GS4、 GA8、GS8 等上市車型的車身結構設計，并在后續項目中繼續使用。展望下一步，將切實結合廣汽研究院整車開發 流程，繼續優化快速網格變化技術，提前介入分析，使車身 結構設計開發更為快速、準確；此方法已納入廣汽研究院 整車開發核心技術。

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