劉學范，吳鵬，蔡劍，王德遠

（浙江吉智新能源汽車科技有限公司，杭州 311228）

前言

乘用車白車身輕量化是各主機廠產品研發(fā)的現(xiàn)實要求。白車身一般為鈑金件，在整車開發(fā)流程的工藝設計階段，對白車身模態(tài)剛度的虛擬仿真結果進行白車身尺寸優(yōu)化，考慮模態(tài)性能并指導輕量化設計，為其在眾多部件中識別性能薄弱或過剩的部件或總成，指導優(yōu)化和設計的重點關注，計算最優(yōu)的結構尺寸。本文論述的尺寸優(yōu)化主要為厚度優(yōu)化，主要說明扭轉模態(tài)計算原則，優(yōu)化部件的選取原則，迭代計算后結果處理及虛擬驗證，為數(shù)據(jù)凍結和車型開發(fā)提供簡單、高效、實用及低成本的虛擬優(yōu)化方法。

1 白車身一階扭轉模態(tài)

模態(tài)介紹：特征值提取，無阻尼的有限元模型特征值提取公式

MMN—質量矩陣（對稱的確定的正值）；

KMN—剛度矩陣（如果基礎狀態(tài)包括幾何非線性的影響，則包括初始剛度）；

φN—特征向量（振動的模態(tài)）；

M & N —自由度。

搭建好的白車身有限元模型，采用NASTRAN軟件求解器計算。白車身求解一階扭轉模態(tài)的過程即，根據(jù)模型固有的質量矩陣和剛度矩陣，求解特征向量的過程?？芍?，對應不同的頻率區(qū)間，特征向量是一組值。圖1為2015年歐洲車身會議部分白車身扭轉模態(tài)的狀態(tài)水平。

2 尺寸優(yōu)化理論

2.1尺寸優(yōu)化作用

白車身鈑金件尺寸優(yōu)化，解決CAD(Computer Aided Design，計算機輔助設計)工程師白車身設計經(jīng)驗不足問題及白車身輕量化問題。

2.2尺寸優(yōu)化的設置參數(shù)

變量指：變化的物理量，比如材料的密度，殼單元的厚度，梁的截面，加強筋的寬度及高度的參數(shù)。尺寸優(yōu)化中尺寸包括，殼的厚度，梁截面的屬性，彈簧剛度以及質量等，本文的尺寸為殼的厚度。

響應指：變量的變化引起相關物理量的響應，常用的包括Fraction of Mass and Fraction of Design Volume（質量或體積分數(shù)）、Static Displacement（靜態(tài)位移）、Weighted Reciprocal Eigenvalue Frequency（頻率倒數(shù)）及Frequency（頻率）等。

2.3尺寸優(yōu)化函數(shù)

2.4尺寸優(yōu)化原理

通過設置鈑金件殼厚度優(yōu)化范圍，設置一階扭轉模態(tài)不低于目標值，可進行輕量化優(yōu)化，獲取輕量化性能最佳的厚度分布結構；

設置一階扭轉模態(tài)高于初始值，可進行一階扭轉模態(tài)優(yōu)化，獲取模態(tài)性能最佳的厚度分布結構。

3 白車身尺寸優(yōu)化設置

3.1有限元模型

采用的有限元模型，如圖2。計算初始狀態(tài)值，一階扭轉模態(tài)44.96 Hz，白車身質量354.7 kg。

圖2 白車身優(yōu)化模型

3.2優(yōu)化設置

3.2.1變量及響應設置

針對尺寸優(yōu)化而言，變量即殼單元厚度。選擇各部件厚度±20 %的變化范圍，比如某部件1.2 mm厚度，則厚度變量為0.96~1.44 mm。響應可用作約束和目標，約束響應為一階扭轉模態(tài)特征值，一階模態(tài)的下限值44.5 Hz，質量響應作為目標，目標為質量最小。

3.2.2結構耐久分析經(jīng)驗排除不需要優(yōu)化的部件

排除的方法如下：前后地板在地板強度中考察，車身外覆蓋件在各自凹陷剛度中考察，各個附件支架在各支架強度和耐久疲勞中考察，鉸鏈加強板及門鎖加強板在開閉件下垂剛度中考察，底盤安裝點加強板在底盤安裝點剛度和強度中考察，防撞梁總成在牽引裝置強度中考察。

經(jīng)驗排除前后地板，側圍外板、頂蓋外板、開閉件外板及翼子板，各類支架，機罩、側門及后背門鉸鏈及門鎖加強板，副車架安裝點加強板、減震器安裝點加強板、螺旋簧安裝點加強板或扭力梁安裝點加強板及前后防撞梁總成等結構耐久分析考察的部件。

3.2.3靈敏度輸出設置

計算結果輸出靈敏度表格，方便后處理及對不理想的優(yōu)化結果再次優(yōu)化。設置SENSITIVITY = ALL。SENSITIVITY = ALL OR STRESS 結果和靈敏度全部輸出，包括應力、應變和力響應。

3.3乘用車白車身尺寸優(yōu)化流程

優(yōu)化流程如圖3。

圖3 尺寸優(yōu)化流程

4 白車身尺寸優(yōu)化及結果處理

4.1變量篩選

根據(jù)篩選原則，經(jīng)驗排除各類部件。本文以白車身135個架構部件作為設計變量，進行尺寸優(yōu)化。

4.2采用靈敏度方法

4.2.1靈敏度篩選部件

根據(jù)靈敏度表格處理后處理結果，對性能高度敏感的部件，根據(jù)性能需求，提升部件的相關性能；對性能不敏感的部件，根據(jù)目標要求，進行輕量化驗證[1,2]。簡單來說即，識別關鍵部件優(yōu)化性能，識別非關鍵部件進行輕量化。對計算后的靈敏度分析結果，選取62個架構部件作為優(yōu)化結果。具體部件如圖4。

圖4 優(yōu)化部件

4.2.2采用麻點表

靈敏度分析結果，如表1。

根據(jù)表1可知，部件的分析結果存在較為嚴重的不規(guī)則的小數(shù)，故需更改變量設置，根據(jù)主機廠各材料麻點表，設置輕量化部件厚度相鄰的厚度離散值。

表1 靈敏度結果

此處存在一個小技巧，可對同一厚度的部件批量設置，提高變量賦值的效率。

變量設置變更后的靈敏度結果，如表2。

表2 靈敏度結果

4.2.3輕量化部件展示清單

可進行輕量化的部件，如表3。

表3 輕量化部件

4.2.4優(yōu)化結果

根據(jù)表4所示的結果可知：模態(tài)下降0.44 Hz，下降率1 %，但滿足要求，質量減少13.1 kg，相比優(yōu)化部件質量，輕量化率13.9 %，輕量化效果明顯。

表4 優(yōu)化結果

厚度增加部件展示清單，如表5。

表5 厚度增加部件結果

值得注意的是，與扭轉模態(tài)強相關的C住部件，料厚增加了，故考慮某一性能時，可通過優(yōu)化結果進行性能提升。

4.3考慮正碰及側碰關鍵部件

去除正碰和側碰分析相關部件，對剩余部件進行優(yōu)化，具體部件如圖5。

圖5 優(yōu)化部件

4.3.1輕量化部件展示清單

可進行輕量化的部件，如表6。

表6 輕量化部件

4.3.2優(yōu)化結果

根據(jù)表7輕量化結果可知，五十六個部件中，五個部件的厚度增加，其余部件厚度減小，結果表明，模態(tài)下降0.29 Hz，下降率0.6 %，但滿足要求，質量減少6.2 kg，相比優(yōu)化部件質量，輕量化率11.8 %，輕量化結果可取性更強，可推進項目進展。

表7 優(yōu)化結果

5 結束語

本文以厚度作為優(yōu)化變量，通過經(jīng)驗篩選部件，建立單學科優(yōu)化參數(shù)模型。通過采用靈敏度表格作為后處理手段，方便文件處理和優(yōu)化結果驗證。采用靈敏度分析結果作為優(yōu)化變量，模態(tài)下降0.44 Hz，下降率1 %，但滿足要求，質量減少13.1 kg，相比優(yōu)化部件質量，輕量化率13.9 %；考慮安全正碰和側碰部件，經(jīng)驗去除后，模態(tài)下降0.29 Hz，性能下降0.6 %，質量減少6.2 kg，相比優(yōu)化部件，減重率為11.8 %[1,2]。兩種優(yōu)化思路，兩種優(yōu)化結果，可結合使用，綜合考察，也可分開使用單獨考察，根據(jù)優(yōu)化結果中顯示的厚度提升部件，可進行單一性能優(yōu)化，簡單高效提升單學科性能。