張 峰，段文立，劉楊勝，石蕩赫，陳渝祺

(重慶金康賽力斯新能源汽車設(shè)計院有限公司，重慶 401135)

隨著消費水平的升級，各大車企加快了推出新車的節(jié)奏，單一車型的開發(fā)流程已經(jīng)不能滿足快速出車的要求，平臺架構(gòu)概念開始廣泛出現(xiàn)在車企設(shè)計生產(chǎn)的過程中。目前，借助傳統(tǒng)汽車的設(shè)計和制造經(jīng)驗，各大車企已陸續(xù)推出了自己的平臺架構(gòu)。

楊宏等[1]對某純電動專屬車身平臺架構(gòu)的開發(fā)進行了介紹，采用拓撲優(yōu)化定義了全新的載荷傳遞路徑，并對車身進行了碰撞性能的分析和優(yōu)化，但使用的是單位載荷模擬碰撞工況，并非實際的碰撞載荷；趙永宏等[2]利用拓撲優(yōu)化技術(shù)，在剛度和碰撞綜合工況下對某平臺車身進行了傳力路徑優(yōu)化，并探討了逐級施加約束控制后車身結(jié)構(gòu)內(nèi)的最優(yōu)載荷傳遞路徑，但在兩種工況下，使用的是同一個拓撲優(yōu)化模型，造成優(yōu)化結(jié)果的工程可實施性不好；麻桂艷等[3]利用參數(shù)化建模軟件SFE CONCEPT，提出將車身進行模塊化分類，在項目開發(fā)早期，可快速實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的性能驗證及優(yōu)化，快速實現(xiàn)平臺不同車型的參數(shù)化車身模型搭建，進行平臺車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化，但其研究的是單一動力類型下的平臺車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，并未考慮多動力的平臺架構(gòu)車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化策略；王磊等[4]借助隱式參數(shù)化建模技術(shù)，建立了某平臺三廂車和兩廂車的SFE參數(shù)化車身模型，考慮車身剛度和模態(tài)性能，通過經(jīng)驗結(jié)構(gòu)優(yōu)化、形狀參數(shù)化優(yōu)化和料厚優(yōu)化3種手段，對平臺上的兩款車型進行了車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，但在車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化的過程中，沒有考慮碰撞工況，其優(yōu)化方案的實際應(yīng)用價值不高。

當前很多工程人員和研究學(xué)者，做了很多關(guān)于平臺架構(gòu)車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，提出了一些具體的方法和手段，但很少有系統(tǒng)研究在概念設(shè)計階段如何針對平臺架構(gòu)車身結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計的文章。為此提出了一種新的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計方法，考慮平臺架構(gòu)的不同車型和動力，使得平臺架構(gòu)上的車身結(jié)構(gòu)達到一個較為理想的性能帶寬水平。

1 全局拓撲優(yōu)化

該平臺架構(gòu)軸距范圍2 780～2 860 mm，涵蓋純電和增程兩種動力配置，車型包括高低兩種姿態(tài)。對于平臺架構(gòu)設(shè)計，帶寬越大，問題越復(fù)雜，不能按傳統(tǒng)單一車型的開發(fā)思維逐一設(shè)計，總體優(yōu)化策略為選取代表車型進行重點優(yōu)化的同時兼顧驗證其他車型。在綜合考慮了各方面因素后，選取了平臺架構(gòu)上軸距最大的7座SUV作為主優(yōu)對象，考慮車身剛度、模態(tài)以及碰撞工況作為優(yōu)化工況，對平臺架構(gòu)下的車體進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。同時通過將優(yōu)化方案代入不同車型不同動力下進行驗證及優(yōu)化，保證整個平臺架構(gòu)下的車身結(jié)構(gòu)處于目標性能帶寬下。

在平臺架構(gòu)概念設(shè)計階段的早期，通過全局拓撲優(yōu)化，嘗試尋找不同的車身傳力路徑。目前，行業(yè)內(nèi)關(guān)于拓撲優(yōu)化已經(jīng)有了很多的研究。在介紹拓撲優(yōu)化的文獻[5-7]中，對于碰撞工況的加載，采用的是簡化均布載荷，這種加載方法過于簡單，會導(dǎo)致拓撲優(yōu)化分析出來的結(jié)果工程可實施性不高。相較均布載荷法，非線性等效靜態(tài)載荷法具有以下優(yōu)點：

1)優(yōu)化結(jié)果離散性更好，更容易解讀路徑；

2)優(yōu)化結(jié)果更接近于實際情況，工程應(yīng)用程度較高；

3)材料分布更合理，解讀出來的結(jié)構(gòu)輕量化效果更好。

在全局拓撲優(yōu)化階段，綜合考慮了彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、正碰、25%小偏置碰和側(cè)碰工況，優(yōu)化過程如下所述。

1.1 模型設(shè)置

剛度工況采用的是白車身模型，同時考慮前圍板、風(fēng)擋玻璃、地板等對拓撲優(yōu)化結(jié)果的影響，拓撲優(yōu)化模型如圖1所示。碰撞工況采用的是整車模型，在白車身模型基礎(chǔ)之上，增加前副車架、車門、前罩、IP、座椅、動力總成、前后懸架等系統(tǒng)，這些子系統(tǒng)，在概念設(shè)計階段，如果沒有參考模型，可以用集中質(zhì)量單元代替，通過RBE2或RBE3單元與設(shè)計空間的實體單元連接起來，拓撲優(yōu)化模型如圖2所示。

圖1 白車身拓撲優(yōu)化模型Fig. 1 Topology optimization model of BIW

圖2 整車拓撲優(yōu)化模型Fig. 2 Topology optimization model of whole vehicle

1.2 工況設(shè)置

對彎曲剛度工況，在前排及后排4個乘員位置各施加z向500 N集中力，共2 000 N。約束前懸減震器支座y向和z向平動自由度以及后懸減震器全部方向平動自由度。

對扭轉(zhuǎn)剛度工況，在左右前懸減震器支座z向上建立MPC約束，約束后懸減震器支座全部方向的平動自由度。

對碰撞工況，整車承受的是高速非線性動態(tài)載荷，拓撲優(yōu)化需要將高速非線性動態(tài)載荷等效為線性靜態(tài)載荷。主要等效方法是根據(jù)車身碰撞形態(tài)，將關(guān)鍵時刻車身結(jié)構(gòu)壓潰處的最大載荷作為等效靜態(tài)載荷。對于正碰和25%小偏置碰工況，線性化等效為4個靜力工況，對應(yīng)工況的加載位置如圖3所示，分別是：

圖3 FRB及SOB工況線性化載荷Fig. 3 FRB and SOB condition linearized load

1)工況1：加載在吸能盒中部；

2)工況2：加載在前縱梁和SHOTGUN的前端；

3)工況3：加載在前縱梁和SHOTGUN中部；

4)工況4：加載在門檻梁、A柱、中央通道、前縱梁根部。

其中，對于正碰工況，整車左右對稱加載，對于25%小偏置碰工況，只在整車左側(cè)加載。

對于側(cè)碰工況，提取壁障與前后門、門檻梁以及B柱的接觸力，分別施加在前后門的質(zhì)心位置處，以及壁障與門檻和B柱的接觸面積內(nèi)抓取的RBE2單元上，如圖4所示。

1.3 MMO多模型拓撲優(yōu)化

多模型優(yōu)化(multi-model optimization，MMO)，可以在一次優(yōu)化計算中同時考慮多個計算模型，這些模型共享某些共同的設(shè)計變量，共享的設(shè)計變量會得到相同的優(yōu)化結(jié)果。其優(yōu)勢在于：

1)模型可以是完全不同，或者部分相同；

2)載荷可以不同，參數(shù)可以不同，目標函數(shù)、約束及響應(yīng)可以單獨定義，也可以組合定義；

3)多模型優(yōu)化主要考慮性能和擴展性，非常適合于平臺架構(gòu)開發(fā)上使用。

MMO優(yōu)化流程如圖5所示。

圖5 MMO優(yōu)化流程Fig. 5 MMO optimization process

本次平臺架構(gòu)的拓撲優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

(1)

式中：f(M)為設(shè)計空間的質(zhì)量，ρi為設(shè)計空間材料的相對密度，f(Cbend)、f(Ctorsion)、f(CFRB)、f(CSOB)、f(CMDB)分別為優(yōu)化模型的彎曲剛度工況、扭轉(zhuǎn)剛度工況、FRB工況、SOB工況和MDB工況對應(yīng)下的全局柔度，fo(Cbend)、fo(Ctorsion)、fo(CFRB)、fo(CSOB)、fo(CMDB)分別為彎曲剛度工況、扭轉(zhuǎn)剛度工況、FRB工況、SOB工況和MDB工況對應(yīng)下的全局柔度目標值。其中，碰撞工況全局柔度目標值是根據(jù)柔度與質(zhì)量的Pareto曲線來確定的。

通過MMO多模型拓撲優(yōu)化，聯(lián)合設(shè)計部門，共同對拓撲結(jié)果進行解讀，得到3種不同的傳力路徑形式，如圖6所示。

圖6 拓撲優(yōu)化方案解讀Fig. 6 Interpretation of topology optimization scheme

2 傳力路徑對比分析及優(yōu)化

2.1 不同傳力路徑模型搭建

利用隱式參數(shù)化建模軟件SFE CONCEPT，同時考慮到上車身通常不在平臺架構(gòu)的范圍內(nèi)，結(jié)合拓撲優(yōu)化解讀出來的3種不同傳力路徑，選取了高低兩款成熟的上車身與平臺架構(gòu)下車身進行模型耦合，搭建高低車分析模型共6個，如圖7所示。

圖7 不同傳力路徑的平臺架構(gòu)高低車分析模型Fig. 7 High and low vehicle analysis model of platform architecture with different transmission paths

2.2 不同傳力路徑碰撞分析及優(yōu)化

平臺架構(gòu)包含EVR和EV兩種動力類型，相較于EV動力，因增加了增程器以及排氣系統(tǒng)，EVR動力類型的前艙空間布置非常緊湊，占用了大部分的碰撞吸能空間，碰撞工況更為惡劣一些，故主優(yōu)車型的動力選擇EVR。對3種不同傳力路徑的車身結(jié)構(gòu)進行了FRB工況分析，各路徑結(jié)構(gòu)下的初始車身變形模式如圖8所示。

圖8 不同傳力路徑下的7座SUV初始FRB工況車身變形模式Fig. 8 Initial body deformation of 7-seat SUV under FRB condition with different force transmission paths

從初始結(jié)果可以看出，3種不同傳力路徑下都沒有產(chǎn)生正常的變形模式。為了確定平臺架構(gòu)的傳力路徑形式，需對3種不同傳力路徑進行優(yōu)化，其優(yōu)化策略主要為：對于3種傳力路徑的共有結(jié)構(gòu)，采用同一種優(yōu)化方案；對于不同傳力路徑的特有結(jié)構(gòu)，采用對應(yīng)路徑下的特有優(yōu)化方案。

通過對初始分析結(jié)果的解讀，從料厚、材料牌號、結(jié)構(gòu)3個方向?qū)?種不同傳力路徑的共有結(jié)構(gòu)和特有結(jié)構(gòu)進行了優(yōu)化，3種不同傳力路徑的優(yōu)化方案如圖9～11所示。

圖9 路徑A優(yōu)化方案Fig. 9 Path A optimization scheme

圖10 路徑B優(yōu)化方案Fig. 10 Path B optimization scheme

圖11 路徑C優(yōu)化方案Fig. 11 Path C optimization scheme

優(yōu)化后的3種不同傳力路徑下的FRB工況車身變形模式如圖12所示。從圖中可以看出：路徑B的前縱梁變形模式最好，吸能盒和縱梁前段潰縮變形，縱梁中段發(fā)生Z形的折彎變形，縱梁后段有些許的潰縮。

圖12 不同傳力路徑下的7座SUV優(yōu)化后FRB工況車身變形模式Fig. 12 Optimized FRB deformation mode of 7-seat SUV under different transmission paths

2.3 優(yōu)化方案在不同車型及動力上的驗證

對于平臺架構(gòu)傳力路徑的確定，需拉通考慮平臺架構(gòu)不同車型和不同動力。將2.2節(jié)中的優(yōu)化方案代入到三廂轎車的EVR和EV動力，以及7座SUV的EV動力下進行驗證，結(jié)果如圖13所示。從圖中可以看出：優(yōu)化方案在平臺架構(gòu)不同車型不同動力下進行驗證，得到的結(jié)論與主優(yōu)車型是一樣的。

圖13 優(yōu)化后的不同傳力路徑下的不同車型不同動力的FRB工況車身變形模式Fig. 13 Optimized FRB body deformation modes of different power and vehicle types under different transmission paths

高低車不同動力下FRB工況的重要指標對比情況如圖14所示。從圖中可以看出：優(yōu)化后的3種不同傳力路徑的FRB工況性能指標都有較大提升，且A、B路徑的性能情況要優(yōu)于路徑C?？紤]到平臺架構(gòu)要兼顧EV和EVR兩種動力類型，且路徑B下的車身質(zhì)量要減少9 kg，最終平臺架構(gòu)的車身傳力路徑確定為路徑B的形式。

圖14 不同車型不同動力下的3種傳力路徑FRB工況關(guān)鍵指標優(yōu)化前后對比Fig. 14 Comparison before and after optimization of key indexes of FRB condition of three force transmission paths under different vehicles and power types

3 車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在確定了平臺的傳力路徑形式后，接下來需要對具體傳力路徑下的車身截面以及車身料厚進行優(yōu)化，在保證性能最優(yōu)的前提下盡量實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

3.1 截面優(yōu)化

利用參數(shù)化優(yōu)化的手段，聯(lián)合SFE CONCEPT軟件，提取梁截面大小參數(shù)作為變量，考慮剛度工況進行參數(shù)化優(yōu)化，得到各個參數(shù)的最佳匹配效果。

在SFE CONCEPT軟件中錄制87個截面幾何變量，每個位置的局部形狀改變均可以由一個參數(shù)來控制，通過ISIGHT軟件調(diào)用變量表來驅(qū)動SFE對模型的幾何形狀進行更改，參數(shù)化優(yōu)化的流程如圖15所示：首先考慮彎曲扭轉(zhuǎn)剛度，對這些變量進行靈敏度分析(parameter study)篩選出敏感變量31個；以篩選出的變量為設(shè)計變量，選用合適的算法來生成樣本點進行DOE分析，構(gòu)建響應(yīng)面；以白車身的質(zhì)量最輕、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度性能最佳為目標，利用合適的算法進行優(yōu)化。

圖15 參數(shù)化優(yōu)化流程圖Fig.15 Parametric optimization flow chart

優(yōu)化后的部分參數(shù)變化情況如圖16所示，性能優(yōu)化情況如表1所示，從表中可以看出：通過優(yōu)化，雖然車身質(zhì)量略有增加，但車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度性能大幅增加，為后續(xù)通過料厚優(yōu)化進行減質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

圖16 部分設(shè)計變量優(yōu)化結(jié)果Fig. 16 Partial optimization results of design variables

表1 參數(shù)化優(yōu)化前后結(jié)果對比

3.2 料厚優(yōu)化

對于車身鈑金件的料厚優(yōu)化，目前主要有2種思路：第1種是文獻[8-9]中所述的基于Optistruct軟件，考慮剛度模態(tài)性能進行料厚優(yōu)化；第2種是文獻[10-12]中所述的以料厚為變量，通過DOE建立其近似模型，基于近似模型進行料厚優(yōu)化。上述兩種不同的車身鈑金件料厚優(yōu)化方法，都有其各自的不足：對于基于Optistruct的料厚靈敏度優(yōu)化，其不能考慮非線性工況，只能基于剛度模態(tài)等線性工況進行優(yōu)化，且只能進行單優(yōu)化目標設(shè)置，導(dǎo)致其優(yōu)化考慮工況較少，優(yōu)化結(jié)果工程可實施率不高；而對于車身鈑金件料厚的近似模型優(yōu)化，雖然其可以考慮包括線性工況和非線性工況在內(nèi)的多種工況，但因其需要進行大量的樣本點DOE分析，需大量計算資源與時間，且如果考慮了碰撞這種非線性極強的工況，除了計算資源與時間耗費較大以外，不容易搭出精度可靠的近似模型，優(yōu)化效果不可控制。

針對正碰工況，采用等效靜態(tài)載荷法(ESL)，以車身鈑金件料厚為優(yōu)化變量，考慮車身剛度、模態(tài)和正碰性能，進行了料厚減質(zhì)量優(yōu)化，相較于上述兩種優(yōu)化思路，ESL法具有如下優(yōu)勢[13-15]：

1)ESL法可以利用成熟的線性優(yōu)化方法求解，一般運行5次非線性分析和25輪線性優(yōu)化便可達到收斂，優(yōu)化效率和算法可靠性大大優(yōu)于靈敏度優(yōu)化和近似模型優(yōu)化；

2)ESL法可以選擇不同的性能指標，如：質(zhì)量、位移和應(yīng)變能等作為目標函數(shù)，而不僅限于內(nèi)能密度均勻化一個目標，因而更符合工程實際的要求。

基于ESL法，利用GENESIS軟件對平臺架構(gòu)的下車身鈑金件進行料厚優(yōu)化，設(shè)計變量如圖17所示，對稱件設(shè)為一個變量，共29個變量。

圖17 料厚優(yōu)化設(shè)計變量Fig. 17 Material thickness optimization design variables

本次優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型為：

(2)

式中：f(M)，fi(I)為車身質(zhì)量和正碰過程中的前圍板6個關(guān)鍵點位置侵入量(i=1,2,…,6)，ti為平臺架構(gòu)車身下車體鈑金件料厚變量，fo(I)為車身優(yōu)化前前圍板正碰過程中的6個關(guān)鍵點位置初始侵入量，f(Sbend)、f(Storsion)、f(Mbend)、f(Mtorsion)為優(yōu)化模型的車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)，fo(Sbend)、fo(Storsion)、fo(Mbend)、fo(Mtorsion)為初始模型的車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲模態(tài)、扭轉(zhuǎn)模態(tài)。

通過優(yōu)化，白車身質(zhì)量減少15.7 kg，部分料厚變化情況如表2所示。

表2 料厚變化情況

續(xù)表2

對減質(zhì)量后的模型進行相關(guān)性能驗證，其剛度模態(tài)變化情況如表3所示，從表中可以看出：料厚優(yōu)化后的車身剛度和模態(tài)值變化不大，減質(zhì)量效果十分明顯。

表3 料厚優(yōu)化前后性能對比

料厚優(yōu)化后的車身FRB工況變形模式如圖18所示，從圖中可以看出：優(yōu)化后的前縱梁變形模式良好，吸能盒和縱梁前段潰縮變形，縱梁中段發(fā)生Z形的折彎變形，縱梁后段有些許的潰縮。

圖18 減質(zhì)量后的FRB工況車身變形Fig. 18 Body deformation in FRB condition after weight reduction

料厚優(yōu)化前后的FRB工況關(guān)鍵性能指標值及目標值對比如圖19所示，從圖中可以看出：優(yōu)化后的FRB工況指標值相較優(yōu)化前略有降低，但仍滿足目標值要求。

圖19 減質(zhì)量前后FRB工況關(guān)鍵指標對比Fig. 19 Comparison of key indicators of FRB before and after weight reduction

料厚優(yōu)化后的車身MDB工況變形模式如圖20所示，從圖中可以看出：優(yōu)化后的車身B柱沒有產(chǎn)生潰縮變形，沒有產(chǎn)生較大的折彎侵入。

圖20 減質(zhì)量后的MDB工況車身變形Fig. 20 Body deformation of MDB condition after weight reduction

料厚優(yōu)化前后的MDB工況關(guān)鍵性能指標值及目標值對比如圖21所示，從圖中可以看出：優(yōu)化后的MDB工況指標值相較優(yōu)化前基本不變，滿足目標值要求。

圖21 減質(zhì)量前后MDB工況關(guān)鍵指標對比Fig. 21 Comparison of key indicators of MDB condition before and after weight reduction

3.3 優(yōu)化方案在不同車型不同動力下的驗證及優(yōu)化

利用SFE CONCEPT快速建立平臺架構(gòu)不同車型的參數(shù)化車身模型，將截面優(yōu)化方案和料厚優(yōu)化方案代入到平臺架構(gòu)的不同車型不同動力下進行驗證，剛度模態(tài)性能如圖22和表4所示。

圖22 平臺架構(gòu)高低車車身剛度模態(tài)性能驗證Fig. 22 Modal and stiffness performance verification of high and low vehicle body of platform architecture

表4 高低車剛度和模態(tài)值

將優(yōu)化方案代入到EVR動力下的高低車進行FRB工況分析，結(jié)果如圖23所示。從圖中可以看出：在EVR動力下，架構(gòu)高低車車身在FRB工況下，都具有較好的車身變形模式。

圖23 高低車EVR動力FRB工況驗證分析結(jié)果Fig. 23 FRB condition verification results under high and low vehicle with EVR power

將優(yōu)化方案代入到EV動力下的高低車進行FRB工況分析，結(jié)果如圖24所示。從圖中可以看出：在EV動力下，高低車車身變形模式不理想，且大多數(shù)性能指標不滿足目標值，針對這個問題，對于平臺架構(gòu)的EV動力，提出了如圖25所示的高低車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案。

圖24 高低車EV動力FRB工況驗證分析結(jié)果Fig. 24 FRB condition verification results under high and low vehicle with EV power

圖25 EV動力下的高低車結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案Fig. 25 High and low vehicle structure optimization scheme with EV power

優(yōu)化后的EV動力下的高低車FRB工況的分析結(jié)果如圖26所示。從圖中可以看出：優(yōu)化后的前縱梁變形模式良好，吸能盒和縱梁前段潰縮變形，縱梁中段發(fā)生Z形的折彎變形，縱梁后段有些許的潰縮。

圖26 高低車EV動力FRB工況優(yōu)化結(jié)果Fig. 26 Optimization results of high and low vehicle under FRB condition with EV power

經(jīng)過優(yōu)化，平臺架構(gòu)不同車型、不同動力的FRB工況關(guān)鍵指標項與目標值的對比如圖27所示，從圖中可以看出：優(yōu)化后的FRB工況指標值均滿足目標值要求。

圖27 平臺架構(gòu)不同車型、不同動力FRB工況關(guān)鍵指標項驗證值Fig. 27 Validation values of key indicators of FRB condition under different vehicle and power types

4 結(jié) 語

1)利用MMO法進行綜合工況拓撲優(yōu)化，采用碰撞等效載荷法進行加載，解讀出來的車身傳力路徑結(jié)果工程可實施性更高。后續(xù)的研究重點是如何在拓撲優(yōu)化結(jié)果解讀中減少人為因素的影響，將拓撲優(yōu)化結(jié)果轉(zhuǎn)化為更精確的分析模型。

2)采用近似模型法對車身截面進行優(yōu)化的時候，考慮的是剛度工況。后續(xù)的研究重點是如何在考慮車身模態(tài)和碰撞工況的前提下，搭建精準的近似模型進行截面優(yōu)化。

3)考慮碰撞、剛度和模態(tài)工況，基于ESL法進行了車身的料厚優(yōu)化。后續(xù)的研究重點是基于該技術(shù)路線，如何開展車身的形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化等。

4)對平臺架構(gòu)的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化，是基于尺寸最大的車型進行的，這種技術(shù)路線勢必會造成較小尺寸車型性能過剩的情況，若考慮將優(yōu)化方案代入到其他小尺寸車型中進行驗證并開展輕量化設(shè)計的工作，將使文中的研究結(jié)論更加合理。