劉善英　寧子允　陳祖興

摘 要：方法：本文通過構(gòu)建SFE參數(shù)化模型，并應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化手段對白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析。然后根據(jù)車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及車身截面靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計與分析驗證，以探討在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計前期應(yīng)用SFE及拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行車身性能初步分析的可行性。結(jié)論：SFE參數(shù)化模型與拓?fù)鋬?yōu)化可以作為車身設(shè)計前期可靠的性能分析手段，可提前對車身性能進(jìn)行評估，并可根據(jù)靈敏度提出具有針對性的優(yōu)化建議，為后續(xù)車身設(shè)計中性能、重量與成本的平衡具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：SFE 拓?fù)鋬?yōu)化 白車身 靈敏度 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Application of Sensitivity Analysis Based on SFE Parametric Model to Optimization of Body-in-White Torsion Performance

Liu Shanying，Ning Ziyun，Chen Zuxing

Abstract：Method： this paper constructs an SFE parameterized model and applies topology optimization methods to analyze the sensitivity of the body-in-white structure. Then， based on the body structure sensitivity analysis and the body section sensitivity analysis results， the program design and analysis verification are carried out to explore the feasibility of applying SFE and topology optimization to the preliminary analysis of body performance in the early stage of the body structure design. Conclusion： SFE parameterized model and topology optimization can be used as a reliable performance analysis method in the early stage of car body design. It can evaluate car body performance in advance， and can propose targeted optimization suggestions based on sensitivity to provide performance， weight and cost in subsequent car body design. The balance has a certain guiding significance.

Key words：SFE， topology optimization， body-in-white， sensitivity， structural optimization

對于白車身系統(tǒng)開發(fā)來說，性能、成本、重量是開發(fā)的核心目標(biāo)，但是三者關(guān)系復(fù)雜，即相互關(guān)聯(lián)又相互矛盾。日趨嚴(yán)苛的油耗要求是車身重量的主要訴求，重量減少能帶來油耗降低、成本降低的顯著效益。但消費者日益關(guān)注的性能及不斷嚴(yán)苛的安全法規(guī)則驅(qū)使著車身性能需不斷提高，安全、舒適度、操控耐久等則是車身性能的主要訴求[1]。性能的提升則意味著零件數(shù)量的增加、重量的增加、新技術(shù)的大量應(yīng)用等等，相應(yīng)的給成本與重量提出了較大的需求。因此車身開發(fā)面臨著高性能、輕量化、低成本的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的車身開發(fā)需要借助多輪CAE仿真分析及優(yōu)化來達(dá)到較為合理的車身結(jié)構(gòu)，整個過程會消耗較長周期。拓?fù)鋬?yōu)化可以實現(xiàn)多目標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計，并擬合出精度很高的性能曲線（或曲面）[2]。在車身設(shè)計前期通過SFE參數(shù)化模型來獲得不同性能要求、不同重量要求的白車身結(jié)構(gòu)，并可直接輸出工程化參考數(shù)據(jù)，指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，可使性能分析及優(yōu)化工作提前，并提供具有可塑性高的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。SFE及拓?fù)鋬?yōu)化近年來逐步被應(yīng)用在汽車車身設(shè)計領(lǐng)域，李鐵柱[3]等應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化手段識別到車身扭轉(zhuǎn)性能敏感區(qū)域，通過對敏感區(qū)域進(jìn)行針對性優(yōu)化，以最少代價獲得最高的性能要求。劉丹[4]等則通過拓?fù)鋬?yōu)化手段分析車身不同搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)膠的敏感度，從而在關(guān)鍵區(qū)域使用結(jié)構(gòu)膠來獲得高扭轉(zhuǎn)車身性能。本文則基于SFE軟件對白車身的結(jié)構(gòu)區(qū)域、車身截面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，識別不同敏感參數(shù)，以指導(dǎo)后續(xù)車身結(jié)構(gòu)開發(fā)扭轉(zhuǎn)性能開發(fā)。

1 參數(shù)化模型構(gòu)建

在設(shè)計初期，根據(jù)初版主斷面、CAS面等輸入信息，利用SFE Consept軟件構(gòu)建車型參數(shù)化模型，并設(shè)定參數(shù)可調(diào)的關(guān)鍵節(jié)點，便于后續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化分析時調(diào)節(jié)變量，同時，為了獲得精度較高的計算結(jié)果，本文參數(shù)化模型網(wǎng)格尺寸設(shè)定為6mm。SFE參數(shù)化模型構(gòu)建完成后輸出靈敏度分析所需的模型數(shù)據(jù)。

2 靈敏度分析

靈敏度分析采用optistruct軟件分析，導(dǎo)入SFE參數(shù)化模型后進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)、車身截面的靈敏度分析。

2.1 結(jié)構(gòu)靈敏度分析

結(jié)構(gòu)靈敏度分析主要通過對模型圖示梁、接頭等結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性化的方式計算結(jié)構(gòu)靈敏度，如圖1。針對車身某一區(qū)域進(jìn)行剛性處理，即剛度無限大，計算整車剛度模態(tài)的性能;通過與未剛性處理的整車剛度模態(tài)性能對比變化值，值越高，說明目前此區(qū)域剛度增大對整體剛度貢獻(xiàn)大，需要合適的方法進(jìn)行加強。計算方法為：

經(jīng)過分析可知：（1）B、C、D柱接頭靈敏度高，可以配合后續(xù)接頭剛度分析、結(jié)構(gòu)對標(biāo)進(jìn)行加強，以提高扭轉(zhuǎn)剛度性能;（2）后縱梁、后地板橫梁接頭作用明顯，可配合后續(xù)的截面分析進(jìn)行加強，以提高扭轉(zhuǎn)剛度性能;（3）影響最大的是D柱上下接頭，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的目標(biāo)達(dá)成依靠這兩個接頭。提示可以通過著重加強上述3點相關(guān)結(jié)構(gòu)來最大化的提高扭轉(zhuǎn)性能。

2.2 截面靈敏度

截面靈敏度是指增加模型中的截面尺寸或增加接頭搭接處的圓角尺寸，來分析對應(yīng)的白車身剛度、模態(tài)的變化趨勢，如圖2。

本文分析可知：

（1）扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度：正效應(yīng)（藍(lán)色圖示）：對扭轉(zhuǎn)剛度具有正效應(yīng)靈敏度高的主要是后大梁Z向截面尺寸、后大梁Y向截面尺寸、后地板上橫梁搭接接頭R角、D柱下接頭R角。提示可以通過著重增加上述尺寸來最大提高扭轉(zhuǎn)剛度;負(fù)效應(yīng)（紅色圖示）：對扭轉(zhuǎn)剛度具有負(fù)效應(yīng)靈敏度高的主要是門檻梁內(nèi)板Y向尺寸、后輪罩上加強板Z向尺寸。提示上述尺寸增加對扭轉(zhuǎn)剛度提高無顯著作用;如圖3。

（2）扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度：正效應(yīng)（藍(lán)色圖示）：D柱內(nèi)板截面尺寸、D柱下接頭R角（或者加強D柱下接頭）、后地板上橫梁接頭、后大梁截面Z向尺寸。提示可以通過著重增加上述尺寸來最大提高扭轉(zhuǎn)模態(tài);負(fù)效應(yīng)（紅色圖示）：后輪罩上加強板截面Z向尺寸、C柱上接頭加強板截面Y向尺寸。提示上述尺寸增加對扭轉(zhuǎn)模態(tài)提高無顯著作用;如圖4。

3 性能提升方案設(shè)計及分析驗證

為了驗證上述車身結(jié)構(gòu)靈敏度及車身截面靈敏度分析結(jié)果的可靠性，本文挑選靈敏度高的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計，并驗證優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)性能提升情況。

如圖5所示，挑選出結(jié)構(gòu)靈敏度高的D柱上接頭和C柱下接頭進(jìn)行方案優(yōu)化。針對D柱上接頭分析，改變D柱上內(nèi)板工藝過孔位置可明顯改善扭轉(zhuǎn)性能且?guī)缀鯚o重量增加，如圖5（方案1）;另外，增加D柱上接頭內(nèi)部撐板則可以最大化提升扭轉(zhuǎn)性能，但同時會較大增加重量，如圖6（方案2）。這兩種方案均可在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用，可以根據(jù)具體布置、成本考慮不同方案。

針對C柱下接頭，通過改變C柱內(nèi)板下部連接板的結(jié)構(gòu)形狀（增加截面尺寸）可以顯著提升扭轉(zhuǎn)性能，且增重不明顯，如圖7（方案1）;另外，可通過C柱下部腔體內(nèi)部增加支撐板來顯著提升扭轉(zhuǎn)性能，但會增加零件重量，如圖8（方案2）。兩種方案均可在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計中應(yīng)用，可以根據(jù)具體布置、成本考慮不同方案。

4 結(jié)語

本文基于SFE參數(shù)化模型，利用拓?fù)鋬?yōu)化分析手段識別車身結(jié)構(gòu)靈敏度及車身截面靈敏度，取得明確的靈敏度分析結(jié)果，并對靈敏度高的區(qū)域進(jìn)行方案設(shè)計與分析驗證，初步明確了該方法的可行性。總的來說，SFE參數(shù)化模型與拓?fù)鋬?yōu)化是車身前期設(shè)計時較可靠的分析手段，彌補了前期CAE分析無法介入的空窗期，可以更早對車身性能進(jìn)行仿真摸底，對車身前期性能評估以及性能所對應(yīng)的重量與成本評估具有重要的作用，并可根據(jù)靈敏度提出具有針對性的優(yōu)化建議，指導(dǎo)后續(xù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王磊，劉瑩，喬鑫.基于正向開發(fā)流程的車身輕量化設(shè)計[J].汽車工程學(xué)報.2015，5（6）：461-465.

[2] 張偉，侯文彬，胡平.基于拓?fù)鋬?yōu)化的電動汽車白車身優(yōu)化設(shè)計[J].湖南大學(xué)學(xué)報（自然科學(xué)版）.2014，41（10）：42-48.

[3] 李鐵柱，華睿，黃維.基于拓?fù)鋬?yōu)化的白車身扭轉(zhuǎn)剛度性能設(shè)計[J].汽車實用技術(shù).2019（17）：180-182.

[4] 劉丹，劉俊紅，朱忠華，等.基于白車身靜剛度的結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化分析[J].汽車工程師.2019（9）：26-27.