常偉波，張維剛，崔 杰，謝倫杰

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

轎車車身結(jié)構概念設計是以車身造型設計為基礎進行的車身結(jié)構強度、碰撞安全和制造工藝等相結(jié)合的綜合優(yōu)化過程。車身結(jié)構概念設計質(zhì)量的優(yōu)劣關系到車身各種功能能否正常發(fā)揮，它是完成整個車身開發(fā)設計的關鍵環(huán)節(jié)［1］。

國外汽車企業(yè)對于車身概念設計的研究比較重視，其中福特轎車和沃爾沃轎車的概念設計都有相關文獻發(fā)表［2－3］。而國內(nèi)大部分的汽車企業(yè)尚未開展車身概念設計的工作，只有部分高校及研究院所進行了初步探索研究，如文獻［4］中利用梁單元建立了某客車的簡化模型，并進行了彎曲、扭轉(zhuǎn)和模態(tài)的仿真與優(yōu)化;文獻［5］中建立了某微型客車的正面碰撞(下簡稱‘正撞’)概念模型，并進行了正撞仿真和對比分析;文獻［6］中提出了車身概念模型的準確性受到剛度特性曲線提取好壞的影響;文獻［7］中應用神經(jīng)網(wǎng)絡提取前縱梁截面尺寸與碰撞特征參數(shù)之間的非線性關系，用于簡化模型的碰撞分析等。

本文中旨在探討車身正向概念設計的流程，為國內(nèi)汽車企業(yè)開展正向概念設計，真正做到自主研發(fā)提供參考。

1 轎車車身正向概念設計流程

傳統(tǒng)的車身概念設計，首先由參考車型的CAD模型或有限元模型提取車身結(jié)構數(shù)據(jù)，包括斷面數(shù)據(jù)和吸能部件的剛度特性，構造車身概念模型;通過與整車有限元模型對比驗證，得到可信的概念模型，用于耐撞性優(yōu)化;最終得到新車型初步尺寸。這是一種逆向概念設計，其流程如圖1所示。

從本質(zhì)上講，這種設計流程并沒有完全擺脫參考車型的束縛，其車身數(shù)據(jù)大部分沿用參考車型，不能從根本上提高整車性能。

本文中結(jié)合實際項目需求，提出了基于正撞的轎車車身正向概念設計流程，如圖2所示。

該流程沒有特定的參考車型，通過一系列的優(yōu)化方法，得到優(yōu)良的車身結(jié)構，可從根本上保證車身各項性能的實現(xiàn)。以下針對車身正向概念設計中的各階段，分別進行了車身結(jié)構拓撲優(yōu)化，靜態(tài)尺寸優(yōu)化和前縱梁的耐撞性優(yōu)化等研究。

2 轎車車身拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化應在概念設計階段首先進行，其優(yōu)化結(jié)果是一切后續(xù)設計的基礎。當結(jié)構的初始拓撲不是最優(yōu)時，尺寸和形狀優(yōu)化可能導致次優(yōu)結(jié)構的產(chǎn)生，因此，在初始概念設計階段確定結(jié)構的最佳拓撲形式非常重要［8］。

在一款新車型的設計過程中，最原始的數(shù)據(jù)為由造型確定的車身外表面，見圖3。要進行拓撲優(yōu)化設計，找到在車身可用空間上最優(yōu)的材料分布，就須要創(chuàng)建實體網(wǎng)格，作為拓撲優(yōu)化的設計空間［9］。此設計空間為車身外載荷和邊界條件施加的區(qū)域。在概念設計階段，動力總成、底盤和乘員空間等還沒有具體的定義，因此要根據(jù)現(xiàn)有的車型設定這些部件位置和總體尺寸，去掉車門、風窗、發(fā)動機艙和行李箱等處的材料，得到的設計空間見圖4。

對于每一種工況，都會有不同的拓撲優(yōu)化結(jié)構與之對應，為了找到滿足各主要工況的拓撲結(jié)構，須將各工況加權組合。本文中綜合考慮彎曲、扭轉(zhuǎn)和前后碰撞工況，各工況權重分配如表1所示。

表1 工況權重分配

這是一個多目標優(yōu)化問題，通過多工況加權將其轉(zhuǎn)化為單目標優(yōu)化問題。優(yōu)化參數(shù)設定如下。

設計變量:定義設計域內(nèi)所有體單元密度。

目標函數(shù):加權變形最小。

約束條件:體積比上限為0.3。

應用變密度法進行拓撲優(yōu)化計算，得到的拓撲優(yōu)化結(jié)構如圖5所示。

3 梁單元簡化模型的建立

得到優(yōu)化的車身拓撲結(jié)構后，經(jīng)過一定的修改和完善，再利用梁單元簡化模型快速驗證拓撲結(jié)構的可行性，梁單元簡化模型如圖6所示。梁單元簡化模型由于建模簡便，計算耗時短等優(yōu)點，已廣泛應用于車身概念設計階段，進行車身性能分析。

梁單元簡化模型的建模思路和流程如下［10］。

建模思路:薄壁梁構件用梁單元模擬，地板和頂蓋等大面積板件用殼單元模擬，梁單元與殼單元之間為剛性連接。

建模流程:由車身拓撲結(jié)構構造白車身特征線，劃分梁單元;由特征線構造特征面，劃分殼單元;梁單元與殼單元之間為剛性連接。

梁單元簡化模型建好后作為后續(xù)階段概念設計的研究對象。初期階段白車身首先要滿足一定的靜力要求，耐撞性設計要基于此靜態(tài)分析優(yōu)化的尺寸，一般處于概念設計的后期階段。因此，首先要進行基于靜態(tài)仿真分析的薄壁梁截面尺寸優(yōu)化，再以此為基礎，考慮正撞的耐撞性，探討前縱梁的概念設計方法。

4 基于靜力分析的梁截面尺寸優(yōu)化

通過拓撲優(yōu)化后，獲得白車身主要結(jié)構件的拓撲形狀，須進一步對車身模型進行尺寸優(yōu)化［8］，以下是考慮扭轉(zhuǎn)工況，對梁單元簡化模型進行尺寸優(yōu)化的實例。

4.1 問題描述

優(yōu)化梁截面參數(shù)，使梁單元簡化模型的扭轉(zhuǎn)剛度達到設定要求，模型及其加載狀況如圖7所示。1、2、3分別對應約束位置 x、y、z方向的平動自由度。

車身的扭轉(zhuǎn)剛度計算公式為

式中:GJ為扭轉(zhuǎn)剛度;M為扭轉(zhuǎn)力F與力臂L的乘積;L為前懸架左右筒形結(jié)構中心點連線的距離;ΔZ1、ΔZ2為左右加力點處的變形量。

從式(1)可以看出，扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化可以轉(zhuǎn)化為加力點位移的優(yōu)化。

4.2 優(yōu)化參數(shù)的設定

設計變量:梁單元截面尺寸(自定義為矩形截面，截面方向參考現(xiàn)有車型主慣性矩的方向)。

約束條件:加力點位移小于1mm。

目標函數(shù):質(zhì)量最輕。

4.3 優(yōu)化結(jié)果

應用改進的可行方向法進行尺寸優(yōu)化，經(jīng)15次迭代后，目標函數(shù)收斂，得到優(yōu)化的車身梁截面尺寸，其中A柱梁截面優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)如表2所示。

表2 優(yōu)化前后A柱截面數(shù)據(jù) mm

優(yōu)化后截面的尺寸可作為詳細設計階段的參考，再對梁截面進行形狀優(yōu)化等。

5 基于正撞的前縱梁概念設計優(yōu)化

國內(nèi)外對車輛耐撞性優(yōu)化的方法主要有拓撲優(yōu)化、參數(shù)優(yōu)化和近似模型與等效模型優(yōu)化。綜合考慮各方法的優(yōu)缺點和應用場合，認為等效模型比較適合于概念設計階段的優(yōu)化。

等效模型是一種與精細模型具有類似變形模式和剛度特性的模型，且能容易地還原為詳細的有限元模型。本研究結(jié)合 Karim Hamza等［11］提出的梁單元-非線性彈簧等效模型，提出了用梁單元等效模型進行碰撞優(yōu)化的新方法:即用賦予剛度曲線的梁單元等效地模擬精細的有限元模型，用軸向潰縮特性曲線模擬縱梁的軸向壓潰變形，鉸接處賦予彎曲特性曲線以模擬縱梁的彎曲變形。由于篇幅所限，文中只對薄壁梁的軸向潰縮特性進行介紹。

5.1 問題描述

梁單元等效模型以10m/s的初速度撞擊剛性墻，如圖8所示。末端施加集中質(zhì)量，以模擬車體的慣性屬性［12］。

定義單位質(zhì)量的薄壁梁吸收能量，即比吸能SEA(specific absorbed energy)為目標函數(shù)，使吸能最大，且質(zhì)量最?。?3］。

基于保護乘員的考慮，約束最大碰撞力小于特定值，以保證加速度值滿足法規(guī)要求。優(yōu)化問題描述為

目標函數(shù):SEA(h，w)最大

約束:最大碰撞力≤50kN

式中:h、w 為截面高和寬，如圖 9(a)所示;hL、hU、wL、wU分別為對應參數(shù)的下限和上限。

5.2 響應面近似模型建立

梁單元的潰縮變形通過定義潰縮特性曲線來模擬，傳統(tǒng)的簡化模型建模方法是根據(jù)經(jīng)驗公式，由截面參數(shù)直接求取梁單元潰縮特性曲線的平均碰撞力，這種模擬方法雖然能方便地構造剛度曲線，但峰值碰撞力的誤差較大。為減小模擬誤差，直接提取不同截面形狀的梁單元剛度特性曲線。利用響應面法，建立梁截面參數(shù)(以h、w為例)與剛度特性曲線特征點之間的響應面近似模型，作為設計變量與碰撞特征參數(shù)聯(lián)系的橋梁，以便進行優(yōu)化。剛度特性曲線提取初始模型如圖9(b)所示。

以h=24mm，w=16mm為初始截面尺寸提取的軸向潰縮特性曲線和簡化曲線如圖10所示。

以［10，30］作為參數(shù) h、w的取值范圍，通過4水平正交試驗，經(jīng)16次迭代，求得的h、w與簡化剛度特性曲線峰值Fmax及穩(wěn)定值Fmean關系的響應面近似模型如圖11所示，其表達式為

其中Fmax和Fmean的決定系數(shù)和調(diào)整的決定系數(shù)均達到了0.98，滿足精度要求。

5.3 梁單元等效模型耐撞性優(yōu)化

本優(yōu)化問題中有兩個連續(xù)型設計變量，因此選用序列二次規(guī)劃法進行直接優(yōu)化。這種算法假設目標函數(shù)連續(xù)可微。基本思想是將目標函數(shù)以二階拉氏方程展開，并把約束條件線性化，使轉(zhuǎn)化為一個二次規(guī)劃問題。二階方程通過quasi-Newton公式得到改進，而且加入了直線搜索以提高算法的穩(wěn)定性。

優(yōu)化流程如圖12所示。

得到的優(yōu)化結(jié)果為:h=24.501mm，w=25.500mm，對應的 SEA=13.472kJ/kg。

利用同樣的方法，可對車身前部吸能構件進行耐撞性概念優(yōu)化設計。經(jīng)過上述一系列優(yōu)化后，得到車身初步的幾何尺寸，經(jīng)過相應的試驗驗證，對梁單元概念模型進行相應的修改與完善，用于指導車身結(jié)構詳細設計。

6 結(jié)論

針對現(xiàn)有車身逆向概念設計流程存在的缺點與不足，提出了基于正撞的轎車車身正向概念設計流程，并結(jié)合某企業(yè)一款特定車型進行了流程應用實例研究，取得了滿意效果。結(jié)果表明，該設計流程切實可行，且易于實現(xiàn)。

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