李廣，閆躍奇，馬帥帥

(奇瑞汽車股份有限公司，安徽蕪湖 241009)

0 引言

汽車輕量化對汽車節(jié)油、降低排放、改善性能、能源戰(zhàn)略規(guī)劃以及汽車工業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義，是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向[1]。車身輕量化不僅僅是減輕質(zhì)量，要保證車身剛度、安全等方面的性能不變或者提高。其途徑有：輕量化材料如高強(qiáng)度鋼板、碳纖維、鋁的應(yīng)用，先進(jìn)制造工藝如激光拼焊板等的應(yīng)用，和車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化如隱式參數(shù)化優(yōu)化等。本文作者以某全新開發(fā)車型為例，運(yùn)用此工具實(shí)現(xiàn)了概念設(shè)計(jì)階段車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能的提升。

1 基于隱式參數(shù)化模型建立及分析優(yōu)化

前期概念設(shè)計(jì)階段在車身開發(fā)過程中非常重要，因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制邊界少、自由度大的特點(diǎn)，傳統(tǒng)的3D CAD模型和CAE分析工具及方法較復(fù)雜，不便于修改，多方案分析效率低。而隱式參數(shù)化軟件SFE CONCEPT可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)修改，克服了概念設(shè)計(jì)階段時(shí)間短而方案多的問題，實(shí)現(xiàn)了仿真分析對結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向性驅(qū)動(dòng)[2]。SFE CONCEPT采用無間斷全參數(shù)化描述進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步方案的設(shè)計(jì)，能夠同時(shí)對多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)洳季峙c優(yōu)化評估(見圖1)。

圖1 傳統(tǒng)建模與SFE建模方法對比

1.1 隱式參數(shù)化模型建立

模型建立首先符合坐標(biāo)系定義，白車身坐標(biāo)系取車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向，前進(jìn)方向左側(cè)為Y軸正向，垂直向上為Z軸正向，X、Y、Z坐標(biāo)符合右手定則。模型的連接方式也至關(guān)重要，在有限元模型中，連接方式包括點(diǎn)焊(見圖2)、焊縫(見圖3)、膠粘(見圖4)、螺栓連接等，故建模連接方法需要進(jìn)行擬合。其參數(shù)化模型包含連接方式、材料屬性、載荷等信息，可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的循環(huán)優(yōu)化。

圖2 點(diǎn)焊的連接

圖3 CO2焊縫的連接

圖4 膠的連接

其次，將參考車型沿用件的有限元模型以及設(shè)計(jì)部門提供的關(guān)鍵典型截面和造型輸入的外CAS導(dǎo)入到軟件SFE CONCEPT中，對各個(gè)分總成以及零部件建立參數(shù)化模型。接著對模型進(jìn)行組裝，并對連接方式進(jìn)行模擬，最后根據(jù)SFE CONCEP自帶的網(wǎng)格劃分功能，自動(dòng)生成新的有限元模型(見圖5)。

圖5 參數(shù)化模型建立

1.2 白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算方法和結(jié)果

白車身的扭轉(zhuǎn)剛度是將白車身結(jié)構(gòu)理想簡化為簡支梁結(jié)構(gòu)(見圖6)，考察其在靜態(tài)載荷作用下的扭轉(zhuǎn)變形[3]。

圖6 簡支梁結(jié)構(gòu)簡易圖

按照簡支梁的理論，白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為

式中：KT為白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度[N·m/(°)]；T為試驗(yàn)中加載的扭矩(N·m)；θF為白車身前減震器下方的扭轉(zhuǎn)角(°)；θR為白車身后減震器下方扭轉(zhuǎn)角(°)。

θF和θR區(qū)分正負(fù)，其中θF選取點(diǎn)要求保證其X向的坐標(biāo)值等于前輪中心的X坐標(biāo)值，θR的選取點(diǎn)位于后縱梁約束點(diǎn)附近(后減震器座的下方)且X向的坐標(biāo)值與后減震器座中心坐標(biāo)的X值一致。

對某車型參數(shù)化模型進(jìn)行分析，受力模型變化較明顯區(qū)域位移量較大(見圖7)。初版白車身扭轉(zhuǎn)剛度為12 920 N·m/(°)，質(zhì)量為412.53 kg。與選定的競品車型17 000 N·m/(°)、質(zhì)量390 kg相比，所設(shè)定的扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)還有很大的差距，且質(zhì)量超出目標(biāo)，故需對初版參數(shù)化模型進(jìn)行輕量化優(yōu)化提升。

圖7 某車型扭轉(zhuǎn)位移分布云圖

1.3 分析優(yōu)化

車身模型分析優(yōu)化的目標(biāo)是車身輕量化，在保證車身剛度性能等指標(biāo)達(dá)到要求的情況下盡可能降低白車身質(zhì)量。在保證參數(shù)化白車身模態(tài)頻率和剛度性能條件下的車身輕量化設(shè)計(jì)中，約束車身的一階扭轉(zhuǎn)降低小于5%。設(shè)計(jì)變量的數(shù)量和設(shè)計(jì)空間決定了優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)頻率和優(yōu)化結(jié)果。為了提高設(shè)計(jì)效率，縮短設(shè)計(jì)周期，將白車身分為發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成、頂蓋總成、側(cè)圍總成、地板總成，去除安全相關(guān)的關(guān)鍵件，然后從各總成中選取68個(gè)變量，其中包括了56個(gè)厚度變量和12個(gè)形狀、位置、截面等變量。

對關(guān)鍵提升位置選取部分進(jìn)行展示，構(gòu)建輪罩內(nèi)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)路徑，貫通到后地板橫梁，扭轉(zhuǎn)剛度提高1 112 N·m/(°)，質(zhì)量增加2.4 kg(見圖8); D柱上接頭和下接頭增加隔板后，扭轉(zhuǎn)剛度提高350 N·m/(°)(見圖9)。

圖8 輪罩加強(qiáng)板連續(xù)貫通

圖9 D柱下接頭增加隔板

分析設(shè)計(jì)中某個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的影響程度。基于隱式參數(shù)化的厚度優(yōu)化分析很有必要，且很有效。當(dāng)有多個(gè)設(shè)計(jì)變量時(shí)，優(yōu)化前可根據(jù)靈敏度大小進(jìn)行篩查和排序，剔除靈敏度較小的變量。靈敏度計(jì)算也是一階優(yōu)化算法所必須的。經(jīng)隱式參數(shù)化優(yōu)化分析厚度敏感度，得到車身構(gòu)件的質(zhì)量貢獻(xiàn)率(見圖10)以及扭轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)率(見圖11)：在車身剛度性能指標(biāo)達(dá)到要求的情況下盡可能降低白車身質(zhì)量。白車身部分料厚調(diào)整(見圖12)，扭轉(zhuǎn)剛度增加314 N·m/(°)，減重7.3 kg。

基于應(yīng)力分布云圖設(shè)計(jì)，考慮成本、工藝進(jìn)行優(yōu)化，焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化精簡(見圖13)，在關(guān)鍵接頭位置適當(dāng)調(diào)整增加，在非關(guān)鍵區(qū)域適當(dāng)減少；結(jié)構(gòu)膠長度優(yōu)化到15 m(見圖14)，提升扭轉(zhuǎn)剛度4%。

圖10 基于隱式參數(shù)化的質(zhì)量貢獻(xiàn)率分析

圖11 基于隱式參數(shù)化的扭轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)率分析

圖13 焊點(diǎn)模型

圖14 車身結(jié)構(gòu)膠分布圖

根據(jù)計(jì)算獲得優(yōu)化后參數(shù)化白車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布云圖(見圖15)，得到優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)剛度為21 000 N·m/(°)，質(zhì)量389.2 kg。優(yōu)化后的白車身質(zhì)量降低了23.33 kg，降重率達(dá)到了5.66%，扭轉(zhuǎn)剛度提升了8 080 N·m/(°)，提升率達(dá)到62%，并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)17 000 N·m/(°)，彎曲剛度提升了6 323 N/mm，提升率達(dá)到49.8%，輕量化系數(shù)為3.2，比競品輕量化系數(shù)還要低。

圖15 優(yōu)化后目標(biāo)車型白車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能分布圖

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

2.1 試驗(yàn)方法

試驗(yàn)加載點(diǎn)位于白車身的左、右前懸置點(diǎn)，在上述支撐或舉升器的支護(hù)下，將加載裝置通過夾緊器與白車身左、右前懸置點(diǎn)部位夾緊。利用加載裝置在左、右前懸置點(diǎn)部位施加大小相同、方向相反的力偶，為2 000 N·m，力的方向沿著鉛垂方向(見圖16)。加載時(shí)，兩個(gè)加載器從零緩慢增加且增幅相同。在力和位移的關(guān)系出現(xiàn)一段線性關(guān)系時(shí)，且線性關(guān)系段的位移達(dá)到相當(dāng)于白車身前端加載點(diǎn)處繞縱向軸線轉(zhuǎn)1°～3°加載器加載桿的位移時(shí)，停止加載。

試驗(yàn)測量點(diǎn)應(yīng)布置在能體現(xiàn)車架總體剛度的部位，全面反映白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度特性，同時(shí)要便于測量儀表的安裝與調(diào)試。該試驗(yàn)測點(diǎn)位置選在車身前后座底部、車身底部中央通道、底部主要承載縱梁和左右門檻梁下部及保險(xiǎn)杠處，共30個(gè)位移測點(diǎn)，利用百分表測量各測點(diǎn)的Z向位移。車身底部垂向位移測量點(diǎn)布置見圖17。

圖16 剛度試驗(yàn)狀態(tài)

圖17 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)千分表布置分布

2.2 試驗(yàn)結(jié)果

最終試驗(yàn)結(jié)果為扭轉(zhuǎn)剛度為21 445 N·m/(°)(見圖18)，實(shí)車測量白車身質(zhì)量為389.2 kg。

圖18 實(shí)車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)變形曲線(2 000 N·m)

3 結(jié)束語

通過隱式參數(shù)化模型的優(yōu)化技術(shù)，對參數(shù)化白車身進(jìn)行質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度的分析和對比，確定輕量化最佳方案，從而使質(zhì)量及性能目標(biāo)按期達(dá)成。對比傳統(tǒng)的CAE模型，實(shí)車扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)和CAE剛度結(jié)果的誤差在10%以內(nèi)，提高了優(yōu)化效率和

準(zhǔn)確度，對新開發(fā)車型有重大意義。