摘 要：本文以柔度最小化為目標(biāo)建立了汽車白車身拓?fù)鋬?yōu)化模型，采用的優(yōu)化工具為 OptiStruct， 分析工況包括彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、正面碰撞、后面碰撞和側(cè)面碰撞，目的是考察拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車 身架構(gòu)前期開發(fā)中應(yīng)用的可行性。

關(guān)鍵字：白車身 拓?fù)鋬?yōu)化 加權(quán)柔度 OptiStruct 載荷傳遞路徑

 

1 概述

中國汽車自主品牌經(jīng)過近十多年的發(fā)展，開發(fā)水平從早期的抄襲模仿，逐步轉(zhuǎn)向正向設(shè)計，車型 研發(fā)的領(lǐng)域逐步提前到前期開發(fā)階段。在車身架構(gòu)的前期開發(fā)階段，可以利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)探索載荷 傳遞路徑，從而為后期的工程開發(fā)提供合理的車身架構(gòu)[1-2]，避免出現(xiàn)重大的設(shè)計失誤，同時降低設(shè) 計成本，提高研發(fā)速度。本文根據(jù)某車型的上一代車身架構(gòu)，在 HyperMesh 中建立拓?fù)鋬?yōu)化模型， 利用拓?fù)鋬?yōu)技術(shù)獲取前期車身架構(gòu)，拓?fù)鋬?yōu)化工具采用 OptiStruct 求解器，目的是考察拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù) 在車身架構(gòu)前期開發(fā)中應(yīng)用的可行性。

 

2 模型描述

根據(jù)某車型的上一代白車身有限元模型（如圖 1 所示），建立白車身拓?fù)淠Ｐ停ㄈ鐖D 2 所示）， 由于水箱橫梁總成對本次拓?fù)鋬?yōu)化分析工況（剛度工況和碰撞工況）的影響較小，該部分總成沒有建 立拓?fù)淠Ｐ汀？紤]到整車在前后碰撞過程中需要縱向剛度比較好，因此將前后縱梁總成直接設(shè)定為非 設(shè)計空間，其余網(wǎng)格均作為設(shè)計空間。為了方便優(yōu)化過程控制，分為若干區(qū)域并分別賦予不同的屬性， 再施加約束和載荷，建立拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型，如圖 2 所示。

 

圖 1 白車身有限元模型                   圖 2 白車身拓?fù)淠Ｐ?/p>

3 拓?fù)鋬?yōu)化

3.1 優(yōu)化目標(biāo)與約束

本研究的優(yōu)化的目標(biāo)為各個工況下白車身的柔度最小化，設(shè)計變量為單元密度，約束分別是體積 分?jǐn)?shù)、單元最小尺寸約束、對稱約束和拔模約束。其中，體積分?jǐn)?shù)是指當(dāng)前迭代步設(shè)計空間體積與初 始設(shè)計空間體積的比值，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，車身地板、頂棚、 B 柱和防火墻部件的單元添加拔模約束。

白車身拓?fù)鋬?yōu)化工況包括剛度工況和碰撞工況。其中，剛度工況包括彎曲剛度工況和扭轉(zhuǎn)剛度工 況，碰撞安全工況包括正面碰撞工況、后面碰撞工況和側(cè)面碰撞工況。碰撞工況對車身的影響都是大 變形、非線性的，還有接觸力存在。目前拓?fù)鋬?yōu)化與有限元方法相結(jié)合的方法并不成熟，尤其針對白 車身拓?fù)鋬?yōu)化問題，因此必須將這類非線性工況等效為線性工況。本研究在 HyperMesh 前處理工具 中建立上述拓?fù)鋬?yōu)化工況，并采用 OptiStruct 求解器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，最后用 HyperView 后處理工具進(jìn) 行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析。

一般來說，不同的載荷工況將得到不同的結(jié)構(gòu)拓?fù)洹鹘y(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問題采用線性加權(quán)和法， 將多目標(biāo)問題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問題求解，但對于非凸優(yōu)化問題來說，該方法不能確保得到所有的 Pareto 最優(yōu)解。本研究多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化采用的方法是折衷規(guī)劃法(Compromise Programming Approach)[3]。 多工況拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)方程如下所示：

3.2 各個工況優(yōu)化結(jié)果分析

(1)彎曲剛度工況

彎曲剛度工況優(yōu)化結(jié)果如圖 3 所示。柔度經(jīng)過 34 迭代，最終優(yōu)化的最小柔度為 13.9N?mm，迭 代過程如圖 4 所示。由圖 5 可知，載荷傳遞路徑有 3 條，中央通道下橫梁①→前縱梁末端②，中央通 道下橫梁①→門檻梁③，備胎前橫梁④→后縱梁中部⑤。

圖3 彎曲剛度工況優(yōu)化結(jié)果              圖4 柔度迭代過程                     圖5 優(yōu)化結(jié)果解析

(2)扭轉(zhuǎn)剛度工況

 

扭轉(zhuǎn)剛度工況優(yōu)化結(jié)果如圖 6 所示。柔度經(jīng)過 80 迭代，最終優(yōu)化的最小柔度為 97.7N?mm，迭 代過程如圖 7 所示。由圖 8 可知，材料在備胎前橫梁①和后橫梁堆積②，可知該兩個結(jié)構(gòu)對扭轉(zhuǎn)剛度 作用大，同時后縱梁中段前橫梁①通過載荷傳遞路徑與門檻梁③前端相連。

圖6 扭轉(zhuǎn)剛度工況優(yōu)化結(jié)果            圖7 柔度迭代過程                   圖8 優(yōu)化結(jié)果解析

(3)正面碰撞工況

正面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖 9 所示。柔度經(jīng)過 25 迭代，最終優(yōu)化的最小柔度為 9KN?mm，迭代 過程如圖 10 所示。由圖 11 可知，載荷傳遞路徑由前縱梁中段①分叉，分別傳遞到上邊梁②和前縱梁 末端③，前縱梁末端③的載荷傳遞路徑又分為 3 條，分別是門檻梁④、前縱梁末端延伸段⑤和中央通 道下橫梁⑥。

(4)后面碰撞工況

后面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖 12 所示。柔度經(jīng)過 31 迭代，最終優(yōu)化的最 ih 柔度為 29.5KN?mm， 迭代過程如圖 13 所示。由圖 14 可知，載荷傳遞路徑由后縱梁末段①分叉，分別傳遞到門檻梁②、前 縱梁末端延伸段③和中央通道下橫梁④。

圖 12 后面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果 圖    13 柔度迭代過程     圖 14 優(yōu)化結(jié)果解析

(5)側(cè)面碰撞工況

側(cè)面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖15所示。柔度經(jīng)過18 迭代，最終優(yōu)化的最小柔度為9.5KN?mm，迭 代過程如圖 16 所示。由圖17 可知，載荷傳遞路徑有 3 條，分別是門檻梁前端橫梁①、門檻梁中部橫 梁②和門檻梁末端橫梁③。

 

圖 15 側(cè)面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果     圖 16 柔度迭代過程         圖 17 優(yōu)化結(jié)果解析

本研究通過對五個單獨(dú)分析工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，獲取各個工況的最佳材料分布和載荷傳遞路徑，載荷傳遞路徑上的零件，即為保證對應(yīng)工況性能要求的關(guān)鍵部件，為前期車身架構(gòu)設(shè)計提供指導(dǎo)意見， 將在后期的性能優(yōu)化中獲得重點(diǎn)關(guān)注。

3.3 綜合工況優(yōu)化結(jié)果分析

 

綜合優(yōu)化工況包括剛度工況（彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度）、碰撞工況(正面碰撞、后面碰撞和側(cè)面碰撞)。 對于每一種工況，都會有不同的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)與之對應(yīng)，為了找到滿足各主要工況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，本文采用折衷規(guī)劃法，參見公式（3.1），其中，。綜合工況優(yōu)化結(jié)果如圖 18 所示。柔度經(jīng) 過 53 迭代，最終優(yōu)化的最小加權(quán)柔度為 3.07 N·mm，迭代過程如圖 19 所示。

圖 18 綜合工況優(yōu)化結(jié)果      圖 19 加權(quán)柔度迭代過程

(1)地板優(yōu)化結(jié)果解析

由圖20 所示，橫向載荷傳遞路徑有4 條，分別是：前縱梁末端連接橫梁①、前座椅橫梁②、后縱梁前端連接橫梁④和后橫梁⑤；縱向載荷傳遞路徑有 1 條，即連接前縱梁末端連接橫梁①和后縱梁前端連接橫梁④的中央通道連接梁③，同時后橫梁⑤和后縱梁中段⑨通過斜梁⑥連接。

(2）頂棚優(yōu)化結(jié)果解析

由圖 21 所示，橫向載荷傳遞路徑有 3 條，分別是：頂棚前橫梁①、頂棚中橫梁②和頂棚后座椅 橫梁③，同時頂棚邊梁⑤通過 V 型梁④與頂棚后橫梁③連接。

(3）側(cè)圍優(yōu)化結(jié)果解析

由圖 22 所示，豎向載荷傳遞有 4 條件，分別通過上邊梁①、A 柱②、B 柱③和 C 柱④連接前后 縱梁/門檻梁⑤⑥⑦和頂棚邊梁⑧。

(4）防火墻優(yōu)化結(jié)果解析

由圖 23 所示，懸架支撐點(diǎn)④通過橫梁①連接，前縱梁后段⑤通過橫梁③連接，懸架支撐點(diǎn)④ 和 前縱梁后段⑤ 通過 V 型梁②連接。

 

通過折衷規(guī)劃法， 綜合優(yōu)化工況兼顧各個分析工況的性能要求，拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果在滿足剛度和碰撞多學(xué)科性能的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)最佳材料分布。設(shè)計人員可根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，改進(jìn)原始車型的車身架構(gòu)， 在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計早期獲取滿足多學(xué)科性能的設(shè)計方案，從而加速車身開發(fā)速度，提升產(chǎn)品的競爭力。

4 結(jié)論

（1）本研究在 HyperMesh前處理工具中建立上述拓?fù)鋬?yōu)化工況，并采用OptiStruct 求解器進(jìn)行 拓?fù)鋬?yōu)化，獲取較為清晰的找到各個分析工況的載荷傳遞路徑。通過拓?fù)鋬?yōu)化，將材料分布的到最需 要加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上，極大提高了結(jié)構(gòu)的材料利用率，從而為后期的輕量化優(yōu)化提供最優(yōu)的車架拓?fù)浼軜?gòu)。

（2）本研究采用折衷規(guī)劃法進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化，消除了各個優(yōu)化工況的單位量綱差異，從而 獲得清晰的載荷傳遞路徑，并實(shí)現(xiàn)各個性能之間的權(quán)衡；本研究采用線性工況等效的方法來處理碰撞 工況，其拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果仍需要進(jìn)一步的驗證，未來將開展非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法研究，例如靜載等效法（Equivalent Static Load）和混合細(xì)胞自動機(jī)法（Hybrid Cellular Automation）。