基于多模型拓撲優(yōu)化方法的車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計

陳東 趙永宏 侯文彬 汪芳勝 李曉龍

摘要：為獲得最優(yōu)的初始設(shè)計方案，在車身概念設(shè)計階段對車身結(jié)構(gòu)進行拓撲優(yōu)化。車身結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)綜合考慮整體剛度、局部動態(tài)剛度和碰撞性能，采用多模型優(yōu)化（multi?model optimization， MMO）方法解決此類復(fù)雜工況的拓撲優(yōu)化問題，通過調(diào)節(jié)設(shè)計空間和設(shè)置參數(shù)，獲得車身最優(yōu)載荷路徑。根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果初步形成車身框架結(jié)構(gòu)，可為后期詳細設(shè)計提供參考。

關(guān)鍵詞：

車身; 結(jié)構(gòu)設(shè)計; 概念設(shè)計; 多模型; 拓撲優(yōu)化

中圖分類號：U463.821; TB115.1

文獻標(biāo)志碼：B

Conceptual design of car body structure based on

multi?model topology optimization method

CHEN Dong1， ZHAO Yonghong1， HOU Wenbin2，

WANG Fangsheng1， LI Xiaolong1

（

1. Automotive Research & Development Center， Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511434， China;

2. School of Automotive Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， Liaoning， China）

Abstract：

To obtain the optimal initial design scheme， the topology optimization of the car body structure is carried out at the conceptual design stage. The body overall stiffness， local dynamic stiffness and collision performance are considered comprehensively as the performance index of the car body structure. The multi?model optimization（MMO） is proposed to solve the topology optimization problem on so complex conditions. By adjusting the design space and the setting parameters， the optimal load path of the car body is obtained. According to the topology optimization results， a preliminary car body frame structure is formed， which can provide reference for the later detailed design.

Key words：

car body; structure design; conceptual design; multi?model; topology optimization

0?引?言

車身概念設(shè)計是車身設(shè)計的重要階段，約決定車身整體成本的70%[1]。同時，概念設(shè)計階段一般約束比較少，車身結(jié)構(gòu)設(shè)計具有最大的靈活性，因此使用拓撲優(yōu)化產(chǎn)生創(chuàng)新的概念設(shè)計，可以最大程度獲得更高效、更輕巧、更新穎的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案，最大程度地提高材料的利用率。FUKUSHIMA等[2]最早將拓撲優(yōu)化方法引入車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中，提出一種多領(lǐng)域、多步驟的拓撲優(yōu)化方法。雷正保等[3]針對傳統(tǒng)分散拓撲優(yōu)化不能獲得整體性能最優(yōu)結(jié)果的缺陷，提出一種整體拓撲優(yōu)化策略，并運用到純電動汽車車身概念優(yōu)化設(shè)計中。高云凱等[4]研究載荷約束對車身拓撲優(yōu)化結(jié)果的影響，在正碰工況下采用約束釋放和單點約束作為碰撞分析模型，對比研究整車拓撲優(yōu)化的異同;李順利等[5]將無網(wǎng)格法的優(yōu)勢集成到結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化中，基于無網(wǎng)格局部Petrov?Galerkin法進行車身板結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化。

車身的結(jié)構(gòu)性能主要包括整體剛度、NVH和抗撞性能。這些性能工況復(fù)雜且有耦合關(guān)系：剛度性能考慮線性靜態(tài)載荷，NVH是動態(tài)載荷，碰撞為高速非線性動態(tài)載荷。在車身概念設(shè)計階段，同時考慮3種工況難度較大。OptiStruct提供多模型優(yōu)化（multi?model optimization， MMO）功能，通過MMO可以非常高效地設(shè)置不同工況、不同模型的拓撲優(yōu)化，并且使用不同模型得到的優(yōu)化結(jié)果相同，優(yōu)化結(jié)果的可用性較高。

因此，本文基于MMO構(gòu)建車身結(jié)構(gòu)多模型拓撲優(yōu)化流程，定義車身結(jié)構(gòu)多模型優(yōu)化模型并實現(xiàn)某白車身結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化設(shè)計。根據(jù)拓撲優(yōu)化結(jié)果進行分析，創(chuàng)建白車身概念設(shè)計模型，結(jié)果表明此優(yōu)化方法和優(yōu)化模型可以有效解決車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜工況的優(yōu)化和概念設(shè)計問題。

1?MMO方法

MMO可以在一次優(yōu)化計算中同時考慮多個計算模型，這些模型共享部分設(shè)計變量，共享的設(shè)計變量會得到相同的優(yōu)化結(jié)果。[6]多模型優(yōu)化的模型、載荷和參數(shù)均可以不同，目標(biāo)函數(shù)、約束和響應(yīng)可以單獨定義也可以組合定義。這為在概念設(shè)計階段同時考慮車身整體剛度、局部動態(tài)剛度和碰撞性能進行白車身優(yōu)化設(shè)計提供有力支持。白車身多模型拓撲優(yōu)化流程見圖1。

2?車身拓撲優(yōu)化模型建立

車身概念設(shè)計階段主要關(guān)注車身扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度、局部動態(tài)剛度和碰撞性能。根據(jù)這3個工況建立車身剛度優(yōu)化模型、局部動態(tài)剛度優(yōu)化模型和碰撞優(yōu)化模型等3個子模型。這3個子模型的載荷工況不相同，要求計算的車身模型也不相同，3個子模型共用白車身模型，白車身模型即為拓撲優(yōu)化設(shè)計空間。

多模型拓撲優(yōu)化表達式為

式中：O1、O2和O3分別為扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度模型、局部動態(tài)剛度模型和碰撞模型的性能目標(biāo); FG為整車車身設(shè)計目標(biāo)，如車身質(zhì)量等;CG為對應(yīng)的等式和不等式約束，是全局變量約束;Cj為第j個性能變量的約束，如剛度變形量、碰撞峰值力和侵入量等。

MMO拓撲優(yōu)化要保證白車身模型使用統(tǒng)一的設(shè)計變量定義，目標(biāo)函數(shù)為3個子模型質(zhì)量之和最小，通過Master文件定義。扭轉(zhuǎn)和彎曲剛度模型約束條件為點的變形量。局部動態(tài)剛度模型約束條件轉(zhuǎn)化為等效靜態(tài)剛度（equivalent static stiffness， ESS）工況，即在作用點施加3個方向單位力，采用慣性釋放工況計算加載點的靜態(tài)位移，ESS為位移的倒數(shù)。動態(tài)剛度模型目標(biāo)函數(shù)設(shè)定隔振要求，經(jīng)驗值一般為5～10倍的襯套剛度。

碰撞工況線性化拓撲優(yōu)化的約束條件是車身的柔度。一般來說，性能（剛度）越大越好，質(zhì)量越小越好，但同時使性能和質(zhì)量達到最優(yōu)是不太可能的。根據(jù)柔度與質(zhì)量的Pareto曲線（見圖2）定義最佳柔度，在曲線上滿足質(zhì)量和剛度的最優(yōu)約束為拓撲優(yōu)化的約束。

3?白車身多模型拓撲優(yōu)化流程實現(xiàn)

3.1?優(yōu)化設(shè)計域定義

根據(jù)車身外部造型曲面、動力總成和人機布置，建立能容納車身受力結(jié)構(gòu)的包絡(luò)空間。在此基礎(chǔ)上結(jié)合總體布置的限制，挖去底盤、油箱、發(fā)動機和輪胎的包絡(luò)空間，形成白車身拓撲優(yōu)化設(shè)計域。使用

Voxelmesh創(chuàng)建六面體網(wǎng)格;考慮模型規(guī)模和計算時間，網(wǎng)格尺寸約為20 mm，車身拓撲設(shè)計域網(wǎng)格模型見圖3。

3.2?拓撲優(yōu)化模型建立

分別建立整備車身（trimmed body， TB）模型和整車碰撞模型。TB模型是在白車身包絡(luò)模型的基礎(chǔ)上添加前副車架、四門、引擎蓋、后尾箱蓋、儀表板、前后座椅、假人和油箱生成的。整車碰撞模型在TB模型上增加動力總成和前后懸置。在車身概念設(shè)計階段，如果沒有參考模型，這些子系統(tǒng)可以用集中質(zhì)量單元代替，并且通過RBE2或RBE3單元與設(shè)計空間的實體單元連接。TB車身模型見圖4。

設(shè)計空間使用實體單元，而實際結(jié)構(gòu)是薄壁型截面梁，實體單元組成的梁會比薄壁截面梁剛度大很多，因此需要對實體單元的材料參數(shù)進行縮放。設(shè)計空間材料的彈性模量為206 GPa，密度為鋼的1/6，即1 317 kg/m3，泊松比為0.3。

3.3?載荷工況定義

拓撲優(yōu)化的載荷工況都是線性靜態(tài)載荷，彎曲和扭轉(zhuǎn)工況為線性載荷工況，可直接根據(jù)要求加載;局部固定點的動態(tài)剛度為與頻率相關(guān)的動態(tài)載荷，碰撞為高速非線性動態(tài)載荷，這2類載荷要進行線性化處理。

彎曲工況載荷見圖5。左右門檻梁z向各施加載荷1 000 N，前懸架固定座中心約束z向平動自由度，后懸架固定座中心約束x、y和z向平動自由度，測量門檻梁下表面對應(yīng)加載點的z向位移。扭轉(zhuǎn)工況載荷見圖6。在前懸置塔座施加扭矩4 000 N·m，約束后懸架彈簧固定座中心的6個自由度。

在局部固定點施加3個方向單位力，采用慣性釋放工況計算其動態(tài)剛度。局部固定點位置見圖7，其中包括底盤硬點、座椅固定點、開閉件鉸鏈和鎖固定點等30個點。

碰撞工況是高速非線性動態(tài)載荷工況，拓撲優(yōu)化需要將高速動態(tài)載荷等效為線性靜態(tài)載荷，主要方法是根據(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。根據(jù)C?NCAP管理規(guī)則（2018版），目前主要考慮正面偏置碰、后碰、側(cè)碰和頂蓋靜壓等4種工況。[7]偏置碰碰撞載荷線性化等效為3個靜力工況，見圖8。靜力工況一為載荷加載在前縱梁前端，靜力工況二為載荷加載在上邊梁和縱梁中部，靜力工況三為載荷加載在門檻梁、A柱、中央通道和縱梁。側(cè)碰主要承載部位有前后車門、門檻梁和B柱。提取參考車側(cè)碰工況壁障上各區(qū)域的截面力，進行碰撞載荷定義，見圖9。

后碰將碰撞工況線性化為2個靜力工況，靜力工況一為載荷加載在后吸能盒截面;靜力工況二為載荷加載在后縱梁和左側(cè)D柱截面上，見圖10。頂蓋靜壓工況根據(jù)美國公路安全保險協(xié)會的頂蓋靜壓法規(guī)要求，沿試驗加載方向施加4倍整備質(zhì)量的力，見圖11。

4?優(yōu)化實例分析

依據(jù)上述流程，根據(jù)某參考車型尺寸進行新車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計，MMO工況設(shè)置為綜合工況，即剛度工況+ESS工況+碰撞工況，MMO的拓撲優(yōu)化結(jié)果見圖12。

得到拓撲優(yōu)化結(jié)果后進行主要傳力路徑解析，以確定車身具體結(jié)構(gòu)。以車身局部側(cè)面多模型MMO結(jié)果為例，設(shè)置最小單元尺寸為70 mm，離散控制參數(shù)為Checker和Topdisc，白車身側(cè)面拓撲優(yōu)化結(jié)果對比見圖13。

A柱、B柱、C柱、門檻梁和后減振器加強梁組成的結(jié)構(gòu)，受頂蓋靜壓、彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度影響。后減振器下部加強梁部分對扭轉(zhuǎn)工況很重要，但MMO結(jié)果略有不同，是受碰撞和ESS工況的影響。車身后半部分紅色路徑在剛度工況、ESS工況、頂蓋靜壓工況和后碰工況中都可以看到，從后門的右上角位置沿后門外輪廓向下，在輪罩上方分為2路連接至后縱梁。最終角度是各工況路徑的綜合結(jié)果。后縱梁至后減振器處的路徑（黃色）由ESS工況和后碰工況而來。此處為后輪罩位置，最終可能考慮以加強筋形式體現(xiàn)。輪罩上方至D柱下段橫梁（深綠色）是考慮ESS和后碰工況的綜合結(jié)果。

綜合車身傳力路徑的解讀結(jié)果，最終得到的白車身框架模型見圖14。對該模型進行結(jié)構(gòu)性能分析，并與參考車型相應(yīng)指標(biāo)對比，結(jié)果見表1。由此可知，MMO優(yōu)化結(jié)果可實現(xiàn)考慮剛度、碰撞等多種工況性能因素下的車身輕量化。

在上述實例中，基于多模型的拓撲優(yōu)化需要通過不同的優(yōu)化設(shè)置尋找最穩(wěn)健的傳力路徑、避免遺漏重要的路徑，應(yīng)注意以下事項。

（1）根據(jù)優(yōu)化結(jié)果不斷更新設(shè)計空間，例如：改變優(yōu)化設(shè)計空間，即對設(shè)計空間進行刪除或添加材料;對部分區(qū)域添加剪切板承受剪切載荷，避免生成過多X型結(jié)構(gòu)。

（2）更改約束條件，調(diào)整約束值以查看結(jié)果的變化，例如更改碰撞工況的柔度約束值、改變路徑等。調(diào)整優(yōu)化控制參數(shù)、最大最小成員尺寸、離散控制參數(shù)Checker和Topdisc等，根據(jù)不同參數(shù)優(yōu)化結(jié)果選取與工程相匹配的結(jié)果。

（3）在優(yōu)化模型中，玻璃與經(jīng)材料參數(shù)縮放的實體設(shè)計空間之間用TIE連接，這相對于實際黏膠來說過于剛硬，因此在包含玻璃的模型中，玻璃本身實際上是一條重要的傳力路徑，其周圍材料很少。刪除玻璃會發(fā)現(xiàn)，在玻璃四周尤其是前部會生成橫向傳力路徑。

5?結(jié)?論

基于OptiStruct的多模型優(yōu)化功能，提出并建立面向白車身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計的MMO模型拓撲優(yōu)化設(shè)計流程。該流程可同時考慮車身剛度、NVH和碰撞等多個模型進行拓撲優(yōu)化，最后結(jié)合具體車型證實該方法可得到合理的車身結(jié)構(gòu)框架模型，在概念設(shè)計階段可實現(xiàn)考慮多工況的車身輕量化結(jié)構(gòu)設(shè)計。

后期可在現(xiàn)有模型的基礎(chǔ)上進行后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化和設(shè)計工作，完成概念車身結(jié)構(gòu)設(shè)計，例如優(yōu)化各傳力路徑的截面形狀及參數(shù)、創(chuàng)建CAD詳細設(shè)計模型等。

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（編輯?武曉英）