摘要：隨著CAE技術(shù)的發(fā)展，虛擬仿真技術(shù)在汽車開發(fā)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(gòu)，一直是個相對空白的地帶，也是整車正向開發(fā)過程中繞不過的坎。盡管研發(fā)工程師根據(jù)經(jīng)驗，參照現(xiàn)有車型的結(jié)構(gòu)特點，也能進行車身骨架架構(gòu)的設(shè)定，但總是缺乏有效手段直觀地反映不同車型結(jié)構(gòu)布置的特點。本文用拓撲優(yōu)化的方法，從結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)進行研究，獲得一些直觀性的結(jié)論。 

關(guān)鍵詞：車身,前期工程,拓撲優(yōu)化 

1 引言 

      隨著對整車研發(fā)過程認識的加深，以及對正向開發(fā)過程的探索，在車型開發(fā)前期，對車身結(jié)構(gòu)做出更合理的規(guī)劃顯得愈來愈重要。常規(guī)的研發(fā)思路之一是通過參考已有車型的結(jié)構(gòu)，經(jīng)過適當?shù)男薷模纬尚碌慕Y(jié)構(gòu)，并用于新車型中。但是對于原始車型的設(shè)計思路、結(jié)構(gòu)布置的原因等缺乏系統(tǒng)的理解，或者理解不深，往往在更改過程中產(chǎn)生新的問題。為了部分解決上述問題，本文從結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化的角度，對某SUV車型車身結(jié)構(gòu)的總體布置進行初步探討，以期加深對結(jié)構(gòu)布置的理解。 

2 研究方法概述 

      合理化的車身結(jié)構(gòu)，是滿足整車基本性能的重要保障。為了能夠?qū)崿F(xiàn)結(jié)構(gòu)的最優(yōu)布置，文獻[1]使用了拓撲優(yōu)化工具來布置車身結(jié)構(gòu)。其基本思路是從造型以及車內(nèi)空間布置出發(fā)，建立車身空間的基礎(chǔ)網(wǎng)格模型，然后根據(jù)一定的工況要求，對基礎(chǔ)網(wǎng)格進行拓撲分析，并根據(jù)拓撲結(jié)果建立梁、板殼模型，并進行多項性能的優(yōu)化，從而實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的正向開發(fā)。本文借助于該思想，建立研究對象的結(jié)構(gòu)空間包絡(luò)，并對該包絡(luò)進行拓撲分析，然后將仿真結(jié)果與原始結(jié)構(gòu)進行比較，尋找車身結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵點，推測初始結(jié)構(gòu)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：

            

3 某SUV車身結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)的研究，有利于了解其總體結(jié)構(gòu)的布置原理。本文采用上文提到的方法，對該車型結(jié)構(gòu)進行剖析。 

3.1 研究對象及結(jié)構(gòu)包絡(luò) 

      圖2顯示為該SUV車型的結(jié)構(gòu)模型，經(jīng)過適當處理，產(chǎn)生圖3的結(jié)構(gòu)包絡(luò)模型，可以用該結(jié)構(gòu)包絡(luò)進行后面的結(jié)構(gòu)拓撲分析。該結(jié)構(gòu)包絡(luò)模型完全包含了原結(jié)構(gòu)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(shè)定為非設(shè)計空間，其余網(wǎng)格均作為設(shè)計空間。

              

          

3.2 工況 

      車身在實際使用過程中承受非常復(fù)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(fā)過程中，不可能對所有可能的工況進行考察，而且，不同的設(shè)計階段，考察的指標也不相同。在概念設(shè)計階段，更重要的是保證車身的總體結(jié)構(gòu)剛度，避免后期產(chǎn)生較大變更，導(dǎo)致項目延期或者增加較多的開發(fā)成本。本文主要考察某SUV車型結(jié)構(gòu)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。

         

      對于NVH類的工況，其導(dǎo)致的車身變形都是非常小的，所以，在拓撲優(yōu)化過程中，不需要考慮結(jié)構(gòu)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(shè)計空間，可以看做是剛度很硬的結(jié)構(gòu)，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(nèi)。因此，在進行車身拓撲優(yōu)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(jié)構(gòu)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(quán)重比率一致，比如對第一種方案，表1中5-8號工況的權(quán)重比例為：15:10:10:5，具體權(quán)重根據(jù)上述比例分配來設(shè)定，其余類同。 

3.3 優(yōu)化目標與約束 

      對于一個優(yōu)化問題而言，設(shè)計變量、約束與優(yōu)化目標是其主要元素。對于本文的優(yōu)化問題而言，其設(shè)計變量為單元密度，約束分別是體積分數(shù)和對稱約束，而優(yōu)化的目標為考察工況下車身結(jié)構(gòu)的柔度最小化，其中，體積分數(shù)是指剔除初始非設(shè)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(jié)構(gòu)左右對稱。以上優(yōu)化問題可簡化描述成如下形式[2]： 

      目標：最小化

                   

      i表示設(shè)計變量數(shù)，j表示考察工況數(shù)，Cj為第j個工況下的柔度，Wj為第j個工況的權(quán)重；

      約束：體積分數(shù)，車身對稱約束；

      設(shè)計變量：，其中xi表示第i個單元的單元密度。 

3.4優(yōu)化結(jié)果與結(jié)構(gòu)分析 

      為了能夠獲取上述不同方案下的結(jié)構(gòu)拓撲布置，采用OPTISTRUCT軟件對上述結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化計算[3]，并將結(jié)果分別與該SUV的結(jié)構(gòu)布置進行比較。對于車身結(jié)構(gòu)而言，一般可分成前艙、頂蓋、地板、側(cè)圍、后圍等結(jié)構(gòu)部分。考慮到部分結(jié)構(gòu)模塊的復(fù)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(cè)圍、防火墻這四個部分。 

3.4.1 頂蓋 

      對于車頂蓋結(jié)構(gòu)而言，四種方案中，方案2-4涉及NVH工況，且扭轉(zhuǎn)工況所占比重較大，為了獲得較高的抗扭轉(zhuǎn)能力，主要結(jié)構(gòu)成斜網(wǎng)狀分布，結(jié)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(cè)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(wǎng)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(jié)構(gòu)，同時在B柱上部后側(cè)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(shè)定為非設(shè)計空間，然后進行NVH工況優(yōu)化，從結(jié)果看，頂蓋材料分布與方案3相近。從4個方案的結(jié)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(jié)構(gòu)的貢獻相對比較大，在結(jié)構(gòu)布置的時候，需要重點關(guān)注。其結(jié)果同原結(jié)構(gòu)比較來看，前后橫梁相互對應(yīng)，其他中間橫梁對整車剛度的作用比較小，其主要作用表現(xiàn)為對頂蓋外鈑金的支撐以及抗雪壓等。

     

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(xiàn)了①②④⑧⑨五個橫梁，橫梁⑤⑥較原始結(jié)構(gòu)有偏移，拆分成了3個橫梁。從SUV的地板縱梁布置看，其結(jié)構(gòu)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(jié)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(jié)果看，前地板材料以中通道為中心連接梁，呈網(wǎng)狀分布，說明該部位的Y向橫梁的作用相對弱化，只有如結(jié)果所示的布置才能最大化扭轉(zhuǎn)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(yīng)原型結(jié)構(gòu)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(shè)計重點關(guān)注部位之一，車身整體扭轉(zhuǎn)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。

  

      方案3綜合考慮的Safety與NVH工況，從結(jié)果可以看出，梁①-⑤、⑧⑨均可以較清晰地體現(xiàn)，梁⑥在方案中有所體現(xiàn)，不過位置較原型結(jié)構(gòu)而言，偏靠前一些。而梁⑦與縱梁搭接處形成了X型交叉結(jié)構(gòu)，與方案2相同，說明，該處位置主要體現(xiàn)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(jié)構(gòu)有利于提升整體的扭轉(zhuǎn)剛度，對比到原型結(jié)構(gòu)可以看出，原型結(jié)構(gòu)中前地板縱梁布置不同于一般的垂直布置，呈現(xiàn)一定角度的交錯分布結(jié)構(gòu)，同時兼顧了方案1中的前地板縱梁的分布，從拓撲結(jié)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(jié)構(gòu)設(shè)定為非設(shè)計空間，然后按照NVH工況進行優(yōu)化分析。從結(jié)果看，①和⑨是必要的整體結(jié)構(gòu)，②在該方案中也有一定體現(xiàn)，但是梁的長度相對較短，截止于梁④。方案中梁③較原結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)。 

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

3.4.3側(cè)圍 

      對于側(cè)圍結(jié)構(gòu)而言，從下圖6比較看，4種組合方案對側(cè)圍結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)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。

   

3.4.4 防火墻 

      對于防火墻結(jié)構(gòu)而言，主要承擔碰撞以及扭轉(zhuǎn)載荷。從圖7所示拓撲結(jié)果來看，防火墻的材料呈網(wǎng)狀分布，其中方案1能比較清晰地看到梁①-③的分布，其他方案中，只有梁②③比較清晰可見。

        

4 總結(jié) 

      通過材料布置的拓撲分析，可以看出，該SUV車身原結(jié)構(gòu)在布置上比較符合較佳的材料分布。初步獲得下列直觀性結(jié)論： 

     （1） 對車頂蓋結(jié)構(gòu)而言，前后頂部橫梁對車身具有比較重要的影響，尤其是后頂部橫梁；B柱上部頂橫梁對頂部Safety具有重要影響； 

     （2） 對于下部車身而言，除防火墻部位以及后圍橫梁外，駕乘艙下部的座椅橫梁以及后輪罩部位的橫梁，無論是Safety工況還是NVH工況，都比較重要； 

     （3） 地板縱梁的布置可以是非貫通式的，其走勢上也并非一定要與整車X向一致，可以與門檻梁的走向成一定角度；地板梁一定程度的網(wǎng)狀布置，對提升抗扭性能有正向作用； 

     （4） 后側(cè)圍三角窗部位結(jié)構(gòu)對安全和NVH都比較重要； 

     （5） 對于防火墻布置而言，網(wǎng)狀的結(jié)構(gòu)對NVH性能有正向作用。