瞿元　張林波　王志超　劉向紅　王洪斌

摘要：? 為在車身概念設(shè)計早期實現(xiàn)對白車身方案的快速評估，根據(jù)白車身結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化結(jié)果和競品車型的結(jié)構(gòu)特點，采用等效模型構(gòu)建不同架構(gòu)方案進行分析比較，先篩選合適的架構(gòu)，再用SFE軟件建立精細模型并分析，從而將拓撲分析、等效模型分析和細致建模與分析串聯(lián)起來，形成一整套可操作流程，指導(dǎo)車身概念設(shè)計。

關(guān)鍵詞：? 白車身; 等效模型; 縮減模型; 概念設(shè)計

中圖分類號：? U463.82文獻標志碼：? B

Process of forward development of concept body-in-white

QU Yuan ZHANG Linbo WANG Zhichao LIU Xianghong WANG Hongbin

（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To quickly evaluate the body-in-white scheme in the early stage of body conceptual design， the different architecture schemes are analyed and compared using the equivalent model according to the structural topology optimization results of body-in-white and the structural characteristics of competitive models. First， the appropriate architecture is selected， and then the detailed model is established and analyzed by SFE software. The topology analysis， equivalent model analysis and detailed modeling and analysis are connected in series and formed a set of operable processes to guide the conceptual design of vehicle body.

Key words： body-in-white; equivalent model; reduced model; concept design

作者簡介： 瞿元（1979—），男，江蘇阜寧人，高級工程師，碩士，研究方向為汽車CAE及智能控制，（E-mail）quyuan@mychery.com0引言

車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計是汽車研發(fā)的重要組成部分，且正在獲得更多的關(guān)注。傳統(tǒng)的設(shè)計方法通常采用從CAD到CAE的過程，CAE介入分析的時間點比較靠后，因此整車開發(fā)周期長，難以滿足當前的市場需求。各主機廠均將整車開發(fā)周期壓縮到24個月以內(nèi)，甚至更短。在平臺化開發(fā)模式下，車身設(shè)計最關(guān)鍵的是白車身開發(fā)。如何在概念設(shè)計初期快速構(gòu)建車身模型并進行快速評估，具有重要意義。

在過去的幾十年中，許多研究人員對概念設(shè)計階段如何快速建立模型這一問題進行探討，有不少主機廠或者科研機構(gòu)，比如Toyota、Volvo、Ford、吉林大學(xué)等，均提出各自的解決方法[1-2]。這些方法主要是基于梁、接頭和殼單元建立等效模型[3-10]。SFE軟件是商業(yè)化的概念車身建模工具，可以在沒有詳細CAD數(shù)據(jù)的情況下建立有限元分析模型[11]，目前在國內(nèi)多個主機廠應(yīng)用。該方法具有較強的專業(yè)性，對人員經(jīng)驗要求較高，并且計算模型詳細，分析效率低于簡化模型[12]。從車身結(jié)構(gòu)的材料分布看，在正向開發(fā)過程中，合理的材料布局離不開結(jié)構(gòu)拓撲分析技術(shù)的應(yīng)用。如何組合上述方法、工具，有效提升概念階段的研發(fā)效率，是需要進一步研究的問題。本文以某款車型前期開發(fā)過程為例，探討將拓撲優(yōu)化技術(shù)和等效模型技術(shù)運用到車身結(jié)構(gòu)選型中，通過等效車身對不同的架構(gòu)方案進行先期評估，以減少詳細模型分析的工作量，縮短開發(fā)周期。

1白車身拓撲優(yōu)化

拓撲優(yōu)化是在特定的載荷工況、約束條件和目標需求下，對給定設(shè)計空間內(nèi)的材料進行優(yōu)化，實現(xiàn)最佳材料分布的數(shù)學(xué)方法。

白車身拓撲優(yōu)化通常采用變密度法，將網(wǎng)格的材料密度作為設(shè)計變量，以白車身的體積分數(shù)作為約束，以加權(quán)柔度最小作為目標進行優(yōu)化。在加權(quán)柔度方面，需要充分考慮多種工況，比如白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等，還需要考慮門洞等開口處的變形量。必要時，還需要考慮碰撞安全工況準靜態(tài)化。典型的白車身拓撲設(shè)計空間見圖1。

2白車身等效模型

白車身等效模型通過對復(fù)雜模型進行簡化，可以快速評估車身的剛度和模態(tài)，特別適用于概念階段，其關(guān)鍵技術(shù)是接頭的簡化。

2.1接頭模型

接頭是車身上不同結(jié)構(gòu)梁的連接部位，構(gòu)型比較復(fù)雜，可以采用解耦法和自由度縮減法建立簡化模型。但結(jié)構(gòu)一旦經(jīng)過剛度轉(zhuǎn)化，在后續(xù)的優(yōu)化分析過程中將難以直接轉(zhuǎn)化成合適的結(jié)構(gòu)。為減少中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，采用一種比較直觀、簡單的處理方法。

首先，對接頭每一個支腳進行拉伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析;然后，將接頭每個支腳用Timoshenko梁模擬，每個支腳的梁單元在接頭中心處用6個零長度無質(zhì)量彈簧模擬（假設(shè)其具有共同的中心點），其中3個為整車坐標系下的拉伸彈簧，另外3個為整車坐標系下的扭轉(zhuǎn)彈簧，彈簧剛度分別采用上述支腳計算。

接頭模型見圖2。pc為接頭中心點，pg為接頭某個支腳端點，每個支腳具有6個剛度，用6個彈簧模擬。在支腳建模過程中，需要將孔洞閉合，焊接邊也合并處理。接頭分析結(jié)果見表2，可進一步用于白車身的等效模型。

2.2車身骨架模型

除接頭外，車身骨架主要是梁結(jié)構(gòu)與覆蓋件。在簡化建模過程中，只對車身主要框架結(jié)構(gòu)建模，且只對主要連接部位采用接頭單元，其他連接通過梁節(jié)點的重合表示，剩下的骨架結(jié)構(gòu)用Timoshenko梁單元模擬。對B柱等變截面梁，可以進行分段建模[13]。在連接梁段，若鈑金厚度有變化，則分別提取截面，在梁連接位置布置節(jié)點。典型車身主要梁結(jié)構(gòu)簡化模型（半車身）見圖3。

后輪罩以及后側(cè)圍部分主要是外側(cè)圍鈑金與內(nèi)鈑金形成的腔體，沒有顯著的梁截面，因此該部位直接使用殼單元近似模擬，不考慮細節(jié)特征（如加強筋、孔等）。對于減震器座等鈑金厚度變化劇烈的部件，可以對鈑金分塊，使不同鈑金所賦的材料厚度差異化。

某款RAV4白車身詳細模型與簡化模型的對比見表2，其中剛度用相同載荷下的變形量表示。在同等邊界條件下，簡化模型誤差較小，說明簡化模型可以較好地反映詳細模型的基本特性，可以基于簡化模型進一步開展工作。

3應(yīng)用案例

為在概念設(shè)計階段盡早開展分析工作，相關(guān)設(shè)計分析工作需要有參考車型，該參考車型與擬開發(fā)車型整體結(jié)構(gòu)基本一致，尺寸可以有一定差別。以該參考車型為基礎(chǔ)，按照新開發(fā)車型的整體尺寸為目標，在參考車型的基礎(chǔ)上，通過尺寸變形，比如使用DEP Mesh Works/Morpher對當前數(shù)據(jù)進行尺寸處理，并構(gòu)建車身拓撲空間。在上述設(shè)計空間基礎(chǔ)上，綜合各種工況進行拓撲分析，并根據(jù)拓撲結(jié)果以及競品車型的結(jié)構(gòu)特點，以參考車型為基礎(chǔ)，建立等效模型。在等效模型基礎(chǔ)上，進行多方案結(jié)構(gòu)分析比較，選取相對較優(yōu)的少數(shù)方案，建立細致模型并詳細評估。該分析流程示意見圖5。

以某車型下部車身結(jié)構(gòu)布置為例，說明上述流程在結(jié)構(gòu)選型中前期開發(fā)流程中的應(yīng)用。所用分析車型的基本參數(shù)見表3，該車型已經(jīng)上市，本文采用該車型早期設(shè)計階段的方案狀態(tài)。

3.1車身結(jié)構(gòu)拓撲分析

以整個優(yōu)化設(shè)計空間的體積分數(shù)為約束，以結(jié)構(gòu)剛度、NVH性能和耐撞性等工況的加權(quán)柔度最小為目標，對整個白車身進行拓撲分析。通過不同的組合方式，得到不同車身結(jié)構(gòu)布置。獲得的車身材料布置將作為等效模型結(jié)構(gòu)選型的參考。

上述不同組合的拓撲結(jié)果見圖6。由圖6（a）和6（b）可以看出，前艙和后尾部的結(jié)構(gòu)比較一致，從下彎縱梁開始，形成2個分支，分別導(dǎo)向門檻及中通道，中通道邊梁在2個組合中顯示不一樣的形式，其中圖6（b）邊梁沿中通道至后座椅橫梁，而6（a）中止于座椅橫梁部位。在圖6（c）和6（d）中，后輪罩部位為環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)，從整個車身來說，該結(jié)構(gòu)能夠提升其扭轉(zhuǎn)特性。

3.2基礎(chǔ)等效模型構(gòu)建

以參考車型的白車身為基礎(chǔ)，搭建合適的基礎(chǔ)模型，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)競品車型的下部車身布置以及拓撲結(jié)果分析對比，選取較合適的結(jié)構(gòu)進行進一步研究。該車型的等效模型見圖7，以該模型為基礎(chǔ)，進一步研究車身結(jié)構(gòu)布置。

3.3方案研究

為能夠比較細致地研究地板上縱梁布置和后輪罩環(huán)對剛度、模態(tài)和質(zhì)量的影響，結(jié)合圖5車身拓撲結(jié)果，分別對5個方案進行考察，并與基礎(chǔ)模型進行比較。這里對縱梁的考察主要為底板縱梁和中通道邊梁。

基礎(chǔ)模型的底板縱梁截止于前座椅橫梁，而中通道邊梁直接連接后座椅前橫梁位置，與圖6（b）的拓撲結(jié)果較接近，但底板縱梁布置直接連通到門檻。在方案1中，底板縱梁直接延伸至后座椅橫梁與門檻搭接處，將前碰載荷傳遞到該部位;該底板縱梁的布置方式可在較多車型上。根據(jù)圖6（a）的拓撲結(jié)果，在方案1基礎(chǔ)上，將中通道邊梁縮短至前座椅后橫梁位置，即為方案2;根據(jù)圖6（b）的拓撲結(jié)果，在基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)上，將中通道邊梁延伸至后輪罩封閉環(huán)結(jié)構(gòu)梁，即為方案3;根據(jù)圖6（b）的拓撲結(jié)果，在基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)上，將底板縱梁從下彎縱梁處直接連接到前座椅后橫梁與門檻搭接部位，即為方案4;根據(jù)圖6（c）和6（d），在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，于后輪罩部位建立封閉連接環(huán)結(jié)構(gòu)，研究中后輪罩環(huán)拓撲的影響，即為方案5。車身基礎(chǔ)模型及5個方案模型見圖8。

為使方案具有可比性，主要考察4個指標，即車身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、1階扭轉(zhuǎn)頻率和車身總質(zhì)量。在相同的工況條件下進行計算比較，基礎(chǔ)模型以及5個方案的對比結(jié)果（以基礎(chǔ)模型結(jié)果為標準進行歸一化處理）見表4。

方案1主要研究底板縱梁連接到后門檻的影響，該布置方式對彎曲剛度的提升非常顯著，提升幅度約1.180，扭轉(zhuǎn)剛度提升約1.069。相對于方案1，方案2縮短中通道邊梁，彎曲剛度從1.180降低至1.158，幅度不到2%，而質(zhì)量降低約1%，因此可以

認為該邊梁對所考察的性能影響不大，且有利于減重。方案3將邊梁延伸到后輪罩橫梁，對主要性能影響非常小。方案4主要是將與前座椅橫梁連接的縱梁改成直接與門檻連接，因此扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度約提升2%，車身總質(zhì)量略降低。結(jié)合方案1和方案2的結(jié)果可以看出，底板縱梁直接與門檻連接對車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度以及1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)有益。方案5在后輪罩位置形成閉合環(huán)，對扭轉(zhuǎn)剛度提升非常顯著，約20%，對彎曲剛度以及1階扭轉(zhuǎn)頻率的影響相對較小，只有3%和1%。

單位質(zhì)量變化下，扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度變化情況見表5。方案1與方案2效能相差不大，方案3雖然扭轉(zhuǎn)效能略高，但處于同一數(shù)量級，而彎曲剛度的效能則相差1個數(shù)量級。方案4總質(zhì)量降低，效能顯示為負值，但實際是在降低質(zhì)量的前提下，還能提升彎曲與扭轉(zhuǎn)性能，效果較前3個方案更為顯著。方案5中扭轉(zhuǎn)剛度效能表現(xiàn)最突出。由表5綜合評定，增加后輪罩位置封閉環(huán)（即方案5）對整個車身的扭轉(zhuǎn)性能提升效能最好，對彎曲性能提升效能與其他方案相當，其次為方案4，再次為方案1和方案2，方案3的效能最差。

3.4細化模型分析

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)方案對比，選取合適的架構(gòu)，使用SFE軟件建立詳細模型，進行分析比較，評估其與項目目標之間的關(guān)系。某個細化模型與方案1的性能比較結(jié)果見表6。由此可以看出，除彎曲剛度有比較大差別外，扭轉(zhuǎn)剛度、1階扭轉(zhuǎn)頻率和車身總質(zhì)量3個指標相差都較小。

上述彎曲剛度指標相差大的主要原因，可能是加載點和約束點受接頭和復(fù)雜零件厚度變化的影響。盡管部分指標偏差大，但概念設(shè)計階段本身即為方向性分析，總體上可以反映出白車身的基本特性即可。

3.5效率分析

基礎(chǔ)模型為有限元模型，且在沒有CAD數(shù)據(jù)的情況下，通過SFE建模大約需要45.0人·天，單個方案大約需要0.5人·天，5個方案共計需要47.5人·天;而采用等效模型方法，5個方案共計需要6.5人·天。如果分別存在基礎(chǔ)模型，即有SFE基礎(chǔ)模型和基礎(chǔ)等效模型，那么進一步建模大概分別需要20.0人·天和2.0人·天。從上述比較來說，等效模型可以快速比較方案，有利于大規(guī)?；A(chǔ)方案的選擇，但模型簡化較多，不適合碰撞安全風(fēng)險排查。如果將上述方法組合起來，可以大幅降低開發(fā)周期。

4結(jié)束語

從實際需要出發(fā)，提出一種用于概念階段車身選型工作的分析方法流程。通過等效模型，根據(jù)拓撲分析及競品車型結(jié)構(gòu)特點，對不同的梁布置方案進行分析，選取相對合適的結(jié)構(gòu)，然后建立更為細致的SFE模型進行驗證，可以有效縮短白車身前期階段的開發(fā)周期。參考文獻：

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