楊 蔚 ，胡朝輝 ，，陳 濤

（1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，上海 545000；2.湖南大學(xué) 汽車車身先進(jìn)設(shè)計制造國家重點實驗室 湖南 410012）

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車在給人們帶來方便與舒適的同時，也帶來了環(huán)境污染與能源短缺等一系列的問題。人們逐漸認(rèn)識到如果需要發(fā)展汽車工業(yè)，就必須解決當(dāng)前面臨的這些問題。因此，節(jié)能減排就成為了汽車工業(yè)發(fā)展的核心與熱點問題。研究表明，汽車油耗與汽車質(zhì)量成正比，減少汽車質(zhì)量可以有效的減少能源消耗與尾氣排放［1］。其中，車身是汽車三大總成之一，占汽車總重量的40%左右，車身輕量化對于整車的輕量化起著重要的作用。因此，車身的輕量化研究成為了國內(nèi)外汽車行業(yè)的熱點研究課題之一。

近20年來，隨著計算機(jī)軟硬件技術(shù)和有限元法的發(fā)展，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)得到飛速的發(fā)展，成為了解決復(fù)雜工程問題的關(guān)鍵方法，在航天航空、船舶制造、汽車工業(yè)以及建筑等領(lǐng)域都得到廣泛的應(yīng)用，從而避免了傳統(tǒng)的依靠經(jīng)驗或試驗的優(yōu)化方法的盲目性。通過拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)，企業(yè)能夠縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期，減少開發(fā)成本，提高產(chǎn)品性能，從而提高產(chǎn)品的市場競爭力。

基于以上優(yōu)點，拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在國內(nèi)外實際工程運用中得到了廣泛的運用。如：美國的密西根大學(xué)和通用汽車公司，以碰撞過程最大吸收能量為目標(biāo)，采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對零件進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，從而使零件在滿足吸收碰撞能量的條件達(dá)到減重的目標(biāo)，此技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用到某款轎車的后圍結(jié)構(gòu)上［2］。瑞典Linkoping University從安全的角度對轎車B柱進(jìn)行輕量化研究，以質(zhì)量最輕為優(yōu)化目標(biāo)，以B柱變形過程的最大速度為約束條件，以B柱各段的厚度為變量，從而實現(xiàn)了滿足安全性能條件下減重25%［3］?？罩锌蛙嚬镜腒rog和Tucker等人利用全局和局部拓?fù)鋬?yōu)化，對機(jī)翼的肋板進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計［4］，有效地減輕了機(jī)翼重量。在國內(nèi)，清華大學(xué)的范文杰等人研究了多工況下基于應(yīng)力的雙向漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法［5］，對裝載機(jī)工作裝置的動壁進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，得到了理想的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。

汽車的輕量化對節(jié)能減排具有重大的意義，因此輕量化技術(shù)已經(jīng)成為了汽車行業(yè)的熱點研究領(lǐng)域之一。在當(dāng)前不能明顯提高汽車制造成本的情況下，通過采用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)對整體車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以得到最優(yōu)的汽車承載骨架和汽車內(nèi)部傳力路徑，對汽車白車身的詳細(xì)設(shè)計提供指導(dǎo)，從而使整車在概念設(shè)計階段達(dá)到輕量化效果。

本文首先探討了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本理論，然后以某微車的A面模型為基礎(chǔ)建立整體車身拓?fù)鋬?yōu)化模型，通過拓?fù)鋬?yōu)化計算，最后分析拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，為車身的詳細(xì)設(shè)計提供指導(dǎo)。

1 拓?fù)鋬?yōu)化理論

1.1 拓?fù)鋬?yōu)化數(shù)學(xué)模型

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化就是尋求材料在空間的最佳分布。利用拓?fù)鋬?yōu)化解決實際工程問題時，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)模型把實際的工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)中求最優(yōu)解的問題，然后利用適當(dāng)?shù)膬?yōu)化算法求解來解決工程問題。對于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化這類優(yōu)化問題，我們需要考慮設(shè)計變量、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)等問題，其數(shù)學(xué)模型可以表示如下：

在式（1）中，X是設(shè)計變量，即在優(yōu)化設(shè)計中需要優(yōu)化的變量，如結(jié)構(gòu)的截面尺寸、長度、厚度等，也可以是結(jié)構(gòu)中所用材料的材料參數(shù)，如彈性模量、泊松比等。設(shè)計變量的選擇是優(yōu)化設(shè)計中的重要組成部分，一般的，設(shè)計變量越多，優(yōu)化設(shè)計的問題越復(fù)雜，需要求解所用的時間也就越長，工作量也越大，同時，設(shè)計變量越多，結(jié)構(gòu)可優(yōu)化的空間越大，優(yōu)化效果可能越好。結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計便是尋求在給定限制條件下求設(shè)計變量的最優(yōu)解問題。

式（2）為求解的約束條件，反映優(yōu)化設(shè)計中應(yīng)該遵循的規(guī)范與要求。約束條件一般分為約束方程和常量約束。約束方程指優(yōu)化設(shè)計中根據(jù)結(jié)構(gòu)剛度、強(qiáng)度以及模態(tài)頻率等性能要求而建立的方程式，一般采用部分或者全部的設(shè)計變量為方程自變量，如式（2）中第一項所示。而常量約束則是指設(shè)計變量的取值范圍，如式（2）中第二項顯示。常見的約束條件一般是如下幾種：

（1）幾何約束。通過對模型幾何尺寸進(jìn)行約束，使其滿足材料規(guī)格、空間結(jié)構(gòu)以及工藝等方面的要求。

（2）位移約束。通過對結(jié)構(gòu)位移進(jìn)行約束，使結(jié)構(gòu)的剛度性能滿足要求。

另外還有應(yīng)力約束與頻率約束，主要是對結(jié)構(gòu)內(nèi)部應(yīng)力以及避免結(jié)構(gòu)與共振源之間耦合共振進(jìn)行約束，以滿足強(qiáng)度和NVH方面的要求。

式（3）是優(yōu)化設(shè)計的目標(biāo)，代表優(yōu)化設(shè)計中最被關(guān)注的指標(biāo)。根據(jù)不同的優(yōu)化設(shè)計，我們可以將目標(biāo)設(shè)置成不同的參數(shù)。對于本次整體拓?fù)鋬?yōu)化下白車身輕量化研究，目標(biāo)函數(shù)便是求結(jié)構(gòu)的總質(zhì)量最輕。

1.2 變密度方法基本理論

在當(dāng)前的實際工程問題中，拓?fù)鋬?yōu)化一般都采用變密度法求解。對比以前采用的均勻法［6］，因其采用大量的微單元，并需要求解大量復(fù)雜的偏微分方程，變密度法是基于連續(xù)變量的密度函數(shù)來表達(dá)單元的相應(yīng)密度與材料性能之間的對應(yīng)關(guān)系，假定使用的材料都為各項同性材料，而不引入微單元與均勻化過程［7］，并且假定材料是由很多密度為0到1的單元組成，而彈性模量與密度之間則呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系。該方法基本原理簡單，涉及的變量較少，已經(jīng)成為當(dāng)前拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計中的主要方法，被眾多商業(yè)優(yōu)化軟件所采用，本文所采用的拓?fù)鋬?yōu)化方法就是變密度法。

變密度法拓?fù)鋬?yōu)化經(jīng)常采用的密度插值模型是固體各項異性材料罰值模型 （SIMP，Solid Isotropic Material with Penalization），具體可以表示為：

在式中，V是材料的允許使用量，表示設(shè)計過程中的設(shè)計空間；P為罰因子，P＞1，增大P值可以抑制中間密度材料的產(chǎn)生，而當(dāng)P≥3時，拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果接近于黑白形態(tài)；材料的密度函數(shù)0≤ρ（x）≤1；設(shè)計變量x∈Ω，則表示材料的偽彈性模量。根據(jù)公式可見，材料的偽彈性模量與密度之間呈現(xiàn)指數(shù)關(guān)系，而材料偽彈性模量在0與原始彈性模量之間。圖1表示材料的偽彈性模量與真實彈性模量的比值隨著材料密度以及罰因子變化而變化?？梢钥吹?，加大罰因子p，材料偽彈性模量等特性參數(shù)向0和E0靠近，表明中間密度的材料得到了抑制［8］。而罰因子一般根據(jù)以下規(guī)律取值：

其中，v0為泊松比。

除了SIMP法外，變密度法拓?fù)鋬?yōu)化常用的另一種密度插值模型是材料屬性合理近似模型（RAMP，Rational Approximation of Material Proper ties），具體可表示為：

式（7）中，E0和Emin分別為實體材料和空洞材料的彈性模量，在一般情況下，我們都假定Emin=E0/1000。

圖2表示材料的是偽彈性模量與真實彈性模量的比值隨材料密度以及罰因子的變化。在圖中可以看出，SIMP法和RAMP法的材料插值模型具有一定的相似性。因此，如果輸入條件相同，SIMP法與RAMP法得到的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果應(yīng)該也比較相似，但是從其他方面來看，RAMP法在拓?fù)鋬?yōu)化過程中具有更好的穩(wěn)定性。

1.3 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化基本流程

在實際工程問題中，拓?fù)鋬?yōu)化都需要遵循一定的流程，從而使設(shè)計空間、目標(biāo)以及約束都能夠更加清晰的定義，以科學(xué)地評價拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果?；旧希Y(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的基本流程見圖3。

（1）開始拓?fù)鋬?yōu)化。對結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化問題形成清晰的思路，來選擇合適的前后處理軟件以及求解器。

（2）建立基本模型。建立拓?fù)鋬?yōu)化需要的幾何模型和有限元模型，并對模型作相應(yīng)的簡化處理。

（3）設(shè)置工況。根據(jù)分析需求以及分析標(biāo)準(zhǔn)設(shè)置相應(yīng)的工況，計算結(jié)構(gòu)在初始狀態(tài)下的力學(xué)性能等。

（4）定義設(shè)計空間，設(shè)計目標(biāo)以及約束條件。其中設(shè)計空間的每個單元的密度為設(shè)計變量，并且設(shè)置合理的拓?fù)鋬?yōu)化控制參數(shù)。

（5）拓?fù)鋬?yōu)化計算。在拓?fù)鋬?yōu)化過程中進(jìn)行監(jiān)控，監(jiān)控目標(biāo)可以是應(yīng)變能的大小，約束函數(shù)以及目標(biāo)函數(shù)的大小等參數(shù)。

（6）輸出并分析拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。對于拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果進(jìn)行分析，如果優(yōu)化結(jié)果不理想，則需要分析優(yōu)化失敗的原因，若是模型的原因，則應(yīng)該重新建立拓?fù)鋬?yōu)化模型；如果是設(shè)置的原因，則應(yīng)該對拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計空間、設(shè)計目標(biāo)、約束條件等相關(guān)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)置。

假若得到了理想的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，則可以輸出優(yōu)化后的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)模型，并對其進(jìn)行分析，以指導(dǎo)后續(xù)的車身結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計。

2 某微車整體拓?fù)鋬?yōu)化實例

2.1 幾何模型的建立

建立幾何模型是拓?fù)鋬?yōu)化的第一步，本文試用美國EDS公司的UG（Unigraphics）軟件建立某微車整體車身幾何模型。另外，基于UG軟件的優(yōu)點以及與有限元前處理軟件Hypermesh較好的接口能力，本文在UG軟件上完成整體車身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型的建立。

以某微車的A面模型為基礎(chǔ)，進(jìn)行適當(dāng)?shù)暮喕?，以完成整體車身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型的建立（如圖4所示），在建模過程中有以下要點：

（1）根據(jù)所需乘員艙的基本尺寸，需預(yù)留出乘員艙的基本空間。

（2）預(yù)留前風(fēng)窗、后側(cè)窗、前后側(cè)門、尾門的基本空間。

（3）預(yù)留發(fā)動機(jī)艙（發(fā)動機(jī)中置，位于前座椅框下）、散熱水箱艙以及前后輪罩的基本空間。

（4）根據(jù)大梁的基本尺寸與位置，預(yù)留大梁的基本設(shè)計空間。

（5）頂蓋與后側(cè)圍都采用片體建模，并在之后的有限元建模中賦予其一定的厚度。

2.2 有限元模型的建立

在完成整體車身拓?fù)鋬?yōu)化幾何模型后，使用有限元前處理軟件Hypermesh進(jìn)行網(wǎng)格的自動劃分，檢查單元質(zhì)量并調(diào)整提高。車身網(wǎng)格尺寸采用40 mm，頂蓋和側(cè)圍部分采用三角形單元（CTRIA3），其余的部分則采用四面體單元（CTETRA），頂蓋、側(cè)圍以及其余部分的連接采用節(jié)點合并的方法。最后建立的有限元模型一共包含136 609個四面體單元和10 184個三角形單元（如圖5所示）。

另外，對于本次整體拓?fù)鋬?yōu)化研究，所涉及到的分析工況只是靜力小變形分析，只需輸入材料線性階段的屬性，包括彈性模量、泊松比和密度。因此為車身部件賦予普通碳鋼的線性材料屬性。對采用的單元類型，四面體單元集合賦予實體屬性，而頂蓋的三角形單元集合則賦予2 mm殼體屬性，后側(cè)圍的三角形單元集合賦予0.8 mm殼體屬性。

2.3 基于白車身剛度的拓?fù)鋬?yōu)化

汽車在使用過程中，車身承受多種載荷的共同作用，其中主要有在不平的路面上行駛時的扭轉(zhuǎn)載荷和承載乘客和貨物時的彎曲載荷。車身剛度性能直接反映車身結(jié)構(gòu)承受這些載荷的能力。當(dāng)車身的剛度不足時會產(chǎn)生很多問題，如焊點脫落，車身開口變形太大導(dǎo)致車門卡死等。這些問題都直接影響汽車的整體品質(zhì)，所以必須在車身概念設(shè)計階段就對車身剛度進(jìn)行嚴(yán)格的控制。

對于整體車身的拓?fù)鋬?yōu)化過程采用的工況，可以直接套用白車身整體剛度分析的工況，主要分扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度工況兩種。以下將進(jìn)行兩種剛度工況下的拓?fù)鋬?yōu)化。

2.3.1 基于扭轉(zhuǎn)剛度工況的拓?fù)鋬?yōu)化

（1）扭轉(zhuǎn)剛度工況

扭轉(zhuǎn)剛度性能主要用來評價汽車在不平路面行駛過程中承受復(fù)雜的扭轉(zhuǎn)載荷下抗變形能力。整車扭轉(zhuǎn)剛度工況設(shè)置如圖6所示。

約束：前保險桿中心X、Y、Z方向平動自由度，右后懸支座X、Y、Z方向平動自由度，左后懸支座X、Z方向平動自由度。

載荷：左前懸支座施加10 000 N正Z向力，左前懸支座施加10 000 N負(fù)Z向力，這兩個力對車身共同形成力矩作用。

車身扭轉(zhuǎn)剛度值的計算公式如下：

式中：ST為扭轉(zhuǎn)剛度值；M為扭矩（10 000 N乘左右前懸支座距離）；θ為前懸支座對應(yīng)的左右大梁的相對扭轉(zhuǎn)角，可根據(jù)測出的位移求得，具體見式（9）：

式中：δ為前懸支座對應(yīng)的大梁處Z向位移；L為左右大梁在前懸支座位置的間距。

（2）初始狀態(tài)下扭轉(zhuǎn)剛度分析

在進(jìn)行拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化之前，需要分析整體車身初始狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)剛度性能，通過測試并根據(jù)式（8）可計算出前懸支座對應(yīng)的左右大梁的相對扭轉(zhuǎn)角為0.1026°。左右前懸支座間距為1 060 mm，則扭矩為10 600 N·m，則初始狀態(tài)的扭轉(zhuǎn)剛度為103 314 N·m/°。

（3）扭轉(zhuǎn)剛度工況下的拓?fù)鋬?yōu)化

根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化理論，建立拓?fù)鋬?yōu)化分析需要設(shè)置優(yōu)化空間、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。

根據(jù)優(yōu)化要求，本次拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計空間則是頂蓋、后側(cè)圍和剩余部分三部分，其中頂蓋和后側(cè)圍設(shè)計空間類型為殼體，剩余的部分則為實體。另外由于該車大致為左右對稱的結(jié)構(gòu)，因此設(shè)置三個設(shè)計空間相對于XZ平面對稱。而約束條件而言，扭轉(zhuǎn)剛度大小取決相對扭轉(zhuǎn)角大小，扭轉(zhuǎn)角越小，扭轉(zhuǎn)剛度越好，而扭轉(zhuǎn)角與對應(yīng)大梁處Z向位移δ有關(guān)，因此可以設(shè)置位移δ為約束條件，使δ≤2 mm。最后，本次拓?fù)鋬?yōu)化的目的是對整體車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計，則目標(biāo)函數(shù)為整體車身重量最小。

完成拓?fù)鋬?yōu)化模型的前處理后，便能夠進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化計算了，在計算過程中，監(jiān)控結(jié)構(gòu)應(yīng)變能、約束函數(shù)和目標(biāo)函數(shù)的變化保證拓?fù)鋬?yōu)化的順利進(jìn)行。

經(jīng)過多次迭代，位移無限接近2 mm（如圖7所示），而應(yīng)變能與總重量趨于穩(wěn)定 （圖8與圖9所示）。

觀察結(jié)構(gòu)應(yīng)變能、約束條件和目標(biāo)函數(shù)在迭代過程中的變化，可初步判定，拓?fù)鋬?yōu)化正在順利進(jìn)行。在迭代結(jié)束后，用后處理軟件打開拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果文件，就可以查看拓?fù)鋬?yōu)化的密度分布云圖（見圖10）。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化理論，密度越大的單元，則對整體車身抗扭作用的貢獻(xiàn)越大，相應(yīng)的區(qū)域需要得到加強(qiáng)；而密度較小的單元，對于整體車身抗扭作用的貢獻(xiàn)則較小，相應(yīng)的區(qū)域可以考慮減弱。依據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度工況拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖，加強(qiáng)單元密度大的區(qū)域，減弱單元密度小的區(qū)域，在車身概念設(shè)計階段，即考慮對整體車身進(jìn)行輕量化的同時，保證車身的抗扭轉(zhuǎn)變形能力基本不變。

觀察圖10的密度分布云圖可以看出，大多數(shù)單元的密度都在0.15以下，當(dāng)只顯示密度高于0.15的單元，可以得到整體車身的抗扭承載骨架，即扭轉(zhuǎn)剛度工況的傳力路徑，如圖11所示。

2.3.2 基于彎曲剛度工況的拓?fù)鋬?yōu)化

（1）彎曲剛度工況

彎曲剛度性能主要用來評價汽車承受乘員重量或貨物重量時抵抗變形的能力。彎曲剛度工況包括前彎剛度工況和后彎剛度工況兩種，如圖12和圖13所示。其中，前彎與后彎剛度工況都需要約束前懸支座X、Y、Z方向平動自由度，后懸Z方向平動自由度。計算前彎時在前排座椅框分別施加2 000 N載荷，計算后彎則在中排座椅框分別施加2 000 N載荷。

車身彎曲剛度值可用以下計算公式算出：

式中：SB為彎曲剛度值，F(xiàn)為車身承受彎曲載荷，共4 000 N，δ為加載點對應(yīng)大梁Z向的位移量。

（2）初始狀態(tài)彎曲剛度分析

在進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化之前，同樣需要分析初始彎曲剛度性能，通過有限元求解器計算與測量，利用式（9）計算，最后測出前彎剛度為363 636 N/mm，后彎剛度為229 885 N/mm。

（3）彎曲剛度工況下拓?fù)鋬?yōu)化

對于彎曲剛度工況下優(yōu)化空間、約束條件以及目標(biāo)函數(shù)的設(shè)置，與扭轉(zhuǎn)剛度工況的拓?fù)鋬?yōu)化類似。只是在設(shè)置約束條件時，是設(shè)置前后彎曲工況Z向位移量 d1≤0.2 mm，d2≤0.2 mm。

通過迭代運算，監(jiān)控計算過程中的應(yīng)變能、位移與重量，最后都趨于穩(wěn)定值（如圖14、圖15、圖16所示）。

與扭轉(zhuǎn)工況下一樣，在拓?fù)鋬?yōu)化迭代順利完成后，查看拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果文件，得到拓?fù)鋬?yōu)化密度分布云圖（圖17）。在車身概念設(shè)計中，就可以加強(qiáng)單元密度區(qū)域，減弱單元密度小的區(qū)域，保證車身抗彎變形能力基本不變的同時優(yōu)化車身結(jié)構(gòu)。最后可以得到彎曲剛度工況的傳力路徑，如圖18所示。

2.4 整體車身拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

在拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)束以后，就可以根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果來指導(dǎo)車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計 （主要依據(jù)扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度工況的承載骨架）。在車身概念設(shè)計階段考慮材料在車身結(jié)構(gòu)上面的最優(yōu)化分布，從而達(dá)到輕量化的目的。

2.4.1 基于扭轉(zhuǎn)剛度工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

通過觀察圖18的整車抗扭承載骨架，可以看到整車扭轉(zhuǎn)載荷主要是由一個骨架來承受，在概念設(shè)計階段加強(qiáng)骨架部分，減弱骨架結(jié)構(gòu)以外的部分，達(dá)到在不減弱車身扭轉(zhuǎn)剛度的條件下減重的目的。

通過分析圖18的整車抗扭承載骨架，可以將骨架分為五個框架：前圍框架、頂蓋框架、尾門框架、側(cè)圍框架和車架，如圖19所示，現(xiàn)在選取其中一部分進(jìn)行詳細(xì)說明。

（1）前圍框架

如圖20所示，前圍框架由前風(fēng)窗和前隔板（A、B、C區(qū)域）組成，根據(jù)骨架的尺寸，可看出前圍框架對車身的抗扭貢獻(xiàn)很大，需要得到加強(qiáng)。其中，A區(qū)域需要布置前風(fēng)窗下橫梁，C區(qū)域需布置前地板橫梁，對前隔板的B區(qū)域需布置加強(qiáng)板。

（2）車架

如圖21所示，車架主要由大梁和橫梁構(gòu)成，該框架對車身的抗扭作用很大，需重點加強(qiáng)I區(qū)域（前地板）、J區(qū)域（前門和中門的門檻）、K（后大梁處的橫梁）、L區(qū)域（尾端梁）和中后大梁。另外，中后大梁的抗扭作用高于前大梁。地板橫梁應(yīng)多布置在中前地板（即AC區(qū)域之間）。

2.4.2 基于彎曲剛度工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

觀察圖18整體車身抗彎承載骨架，可以看出整車扭轉(zhuǎn)載荷也是由一個骨架來承受，因此在概念設(shè)計階段也可以通過加強(qiáng)骨架部分，減弱骨架以外的車身部分，達(dá)到在不減弱彎曲剛度的條件下實現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計。

圖18的承載骨架基本可以分為兩部分：大梁框架與側(cè)圍骨架，如圖22所示，以下對兩部分詳細(xì)說明。

（1）側(cè)圍框架

可以看到，側(cè)圍框架是由四個立柱、上邊梁和大梁構(gòu)成。因為側(cè)圍框架所在的平面平行于彎曲載荷，所以抵抗彎曲變形的作用是比較大的，需要重點加強(qiáng)剛度。另外，可以考慮設(shè)計幾個連接塊將各個立柱與大梁連接起來，形成封閉的抗彎承載框架，達(dá)到增加剛度并減少重量的目的。

（2）大梁框架

大梁框架主要由左右大梁、前地板橫梁和尾端梁構(gòu)成。其中，大梁對抵抗彎曲的作用是非常明顯的，因此，在大梁的設(shè)計過程中，需要保證其有足夠的抗彎曲變形能力。

2.5 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果對設(shè)計的指導(dǎo)

根據(jù)上面拓?fù)鋬?yōu)化分析，依據(jù)該車身拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，在詳細(xì)設(shè)計中通過修改白車身對彎曲以及扭轉(zhuǎn)剛度影響較大的部位，加強(qiáng)其結(jié)構(gòu)，以及相應(yīng)減弱對剛度影響不大的零部件，以達(dá)到保證車身剛度的條件下實現(xiàn)輕量化的目的。

另外，通過加強(qiáng)車身乘員艙的結(jié)構(gòu)件，對提高車身剛度也有一定的影響作用，包括頂蓋、后地板、門檻外板等。對車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，可以根據(jù)上面的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，有針對性的優(yōu)化承載骨架結(jié)構(gòu)，從而可以減少設(shè)計過程中的盲目性，同時實現(xiàn)車身的輕量化。

3 結(jié)論

本文首先探討了結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型、基本理論以及分析流程，然后以某微車的A面模型為基礎(chǔ)建立整體車身拓?fù)鋬?yōu)化模型，在Altair/Hyper Mesh中完成拓?fù)鋬?yōu)化模型的前處理，利用Altair/RADIOSS完成白車身剛度工況的初始狀態(tài)計算，用Altair/OptiStruct完成整體車身結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化，最后在后處理軟件Altair/HyperView分析整體拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)，得到整體車身的抗扭和抗彎承載骨架，利用承載骨架為車身的詳細(xì)設(shè)計提出了很多重要的指導(dǎo)意見，從而實現(xiàn)了車身概念設(shè)計階段的輕量化設(shè)計，具有較大的工程指導(dǎo)意義。

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