基于接頭拓?fù)鋬?yōu)化的車身剛度優(yōu)化

陳方根，卿 雕，劉善英

（東風(fēng)柳州汽車有限公司，廣西 柳州 545000）

0 引言

車身接頭是車身重要的傳力構(gòu)件，接頭特性的優(yōu)劣直接影響汽車的各項(xiàng)性能。而描述接頭的特性一般用剛度來(lái)表征。在汽車的概念設(shè)計(jì)階段，車身關(guān)鍵截面和接頭結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)余地較大，合理設(shè)計(jì)車身關(guān)鍵截面和接頭能大大提高車身的剛度以及NVH、被動(dòng)安全和強(qiáng)度等性能，對(duì)車身的輕量化也有重要的意義。廖君等[1]對(duì)車身接頭靜剛度進(jìn)行了研究性分析。宋章迪等[2]用接頭剛度系數(shù)法，研究車身接頭部位對(duì)車身剛度的影響。姚再起等[3]用結(jié)構(gòu)靈敏度分析了接頭對(duì)車身剛度的貢獻(xiàn)百分比，并基于截面、鈑金厚度、工藝等對(duì)車身接頭進(jìn)行優(yōu)化。王登峰等[4]提出用模塊化局部拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法融入迭代思想對(duì)大客車車身骨架各模塊分別進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。研究接頭剛度及其對(duì)車身剛度的影響，基于接頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化對(duì)車身剛度進(jìn)行提升，有利于簡(jiǎn)化車身優(yōu)化流程、縮短車身設(shè)計(jì)周期。

本文基于某MPV的車身，以其B柱下接頭為例，將門(mén)檻梁內(nèi)部腔體定義為設(shè)計(jì)空間，基于簡(jiǎn)化的接頭分支彎曲剛度，對(duì)設(shè)計(jì)空間進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，尋找提升接頭剛度特性的傳力路徑，再根據(jù)接頭的傳力路徑，在接頭內(nèi)設(shè)計(jì)加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，對(duì)比分析該結(jié)構(gòu)對(duì)車身靜剛度的提升效果，綜合考慮性能、重量、工藝等因素，從中選取合理的結(jié)構(gòu)方案，作為車身接頭結(jié)構(gòu)的優(yōu)化方案。

1 基礎(chǔ)車身靜剛度有限元分析

建立車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度分析模型，提交求解器計(jì)算得到車身在扭轉(zhuǎn)和彎曲工況下的位移云圖如圖1、圖2所示。其中車身扭轉(zhuǎn)剛度為17992N·m/deg，彎曲剛度為11311N/mm。

圖1 車身扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

圖2 車身彎曲工況位移云圖

本文以B柱下接頭為例，研究接頭剛度優(yōu)化和車身剛度優(yōu)化之間的關(guān)系。首先需要分別分析在車身彎扭剛度工況下，B柱下接頭本體的變形情況。分別關(guān)注在彎扭工況下B柱下接頭三個(gè)分支的變形模式和變形量大小，扭轉(zhuǎn)工況下B柱下接頭變形前后對(duì)比如圖3所示，彎曲工況下B柱下接頭變形前后對(duì)比如圖4所示，圖示變形量均已放大100倍。可見(jiàn)扭轉(zhuǎn)工況下，B柱下接頭的受力和變形主要為上分支（即B柱），以X向和Y向?yàn)橹鳎粡澢r下，B柱下接頭的受力和變形主要為前、后分支（即門(mén)檻梁），以Z向?yàn)橹鳌：罄m(xù)的接頭拓?fù)鋬?yōu)化也將基于此結(jié)論。

圖3 車身扭轉(zhuǎn)工況下B柱下接頭的變形

圖4 車身彎曲工況下B柱下接頭的變形

2 接頭拓?fù)鋬?yōu)化及優(yōu)化方向確定

按一定尺寸要求從車身上截取B柱下接頭模型，將切口平整化后建立接頭剛度分析模型，如圖5所示。250mm的分支長(zhǎng)度基本覆蓋了接頭的主要變形區(qū)域，即接頭剛度對(duì)車身剛度的影響區(qū)域。

圖5 接頭剛度分析模型

因B柱下端根部需要布置安全帶卷收器，基本沒(méi)有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)空間，因此B柱下接頭上分支不作為設(shè)計(jì)空間，而門(mén)檻梁腔體內(nèi)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)自由度更大，可以布置各種形式的結(jié)構(gòu)件，因此將門(mén)檻內(nèi)板與門(mén)檻加強(qiáng)板之間的區(qū)域進(jìn)行3D單元填充，作為拓?fù)鋬?yōu)化的設(shè)計(jì)空間，如圖6所示。

圖6 設(shè)計(jì)空間

對(duì)接頭設(shè)計(jì)空間采用密度法進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化，將優(yōu)化目標(biāo)定義為整個(gè)接頭的柔度最小，即接頭剛度最大，設(shè)計(jì)變量為設(shè)計(jì)空間內(nèi)各單元的相對(duì)密度，約束條件為設(shè)計(jì)空間的體積，即規(guī)定優(yōu)化后設(shè)計(jì)空間的體積不大于原體積一定的百分比。接頭拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型可表示為：

式中：Xi（i=1，2，…，n）為設(shè)計(jì)變量（即每個(gè)單元的相對(duì)密度）；C為結(jié)構(gòu)柔度矩陣；F為載荷矢量；U為位移矢量；k為剩余材料體積的百分比；V1為優(yōu)化后剩余材料的體積；V0為原始設(shè)計(jì)空間材料的體積；K為剛度矩陣。

分別基于前述接頭各分支主要受力方向建立工況邊界條件，并加以一定的制造約束，得到如圖7所示的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。其中比較有參考價(jià)值的優(yōu)化結(jié)果為（a）（c）（e）。

圖7 各工況拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

拓?fù)鋬?yōu)化只是一種概念性設(shè)計(jì)，優(yōu)化結(jié)果僅供工程設(shè)計(jì)人員設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)時(shí)參考，不能作為最后的設(shè)計(jì)方案。設(shè)計(jì)人員還需依據(jù)加工工藝、裝配、功能和連接需要以及實(shí)際經(jīng)驗(yàn)等，對(duì)拓?fù)浣Y(jié)果進(jìn)行功能性和可制造性處理，以獲得合理的優(yōu)化結(jié)構(gòu)。根據(jù)圖7（a）、（c）、（e）的材料分布，綜合考慮方案可行性，初步確定三組優(yōu)化方案如圖8所示，其中方案3為方案1和方案2的疊加。

圖8 優(yōu)化方案

3 優(yōu)化后接頭剛度及車身剛度

首先將優(yōu)化方案在接頭剛度模型上進(jìn)行分析和對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 優(yōu)化前后接頭剛度對(duì)比

由表1可知：

（1）優(yōu)化方案1對(duì)上分支的Y向剛度及X向均有明顯提升（30%～50%），對(duì)前后分支的Z向剛度提升約10%；

（2）優(yōu)化方案2對(duì)上分支的Y向剛度有明顯提升（94%），對(duì)其他分支各向剛度提升不明顯；

（3）優(yōu)化方案3的效果約等于優(yōu)化方案1和優(yōu)化方案2效果的疊加。

說(shuō)明了根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)方案對(duì)接頭剛度提升的可行性。

然后將優(yōu)化方案在車身剛度模型上進(jìn)行分析和對(duì)比，結(jié)果見(jiàn)表2。由表2可知：

表2 優(yōu)化前后車身剛度對(duì)比

（1）優(yōu)化方案1對(duì)車身彎扭剛度均有提升，扭轉(zhuǎn)剛度提升9%，彎曲剛度提升27%；

（2）優(yōu)化方案2對(duì)車身扭轉(zhuǎn)剛度提升不明顯，對(duì)車身彎曲剛度提升28%；

（3）優(yōu)化方案3的效果與方案一相當(dāng)，其效果不等于方案1和方案2效果的疊加。

說(shuō)明接頭剛度與車身剛度的正相關(guān)性，優(yōu)化接頭剛度即能間接優(yōu)化車身剛度。

4 結(jié)論

本文從車身彎扭剛度出發(fā)，分析車身彎扭工況下接頭的變形和受力情況，基于接頭簡(jiǎn)化工況對(duì)其進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，提出接頭剛度提升的結(jié)構(gòu)優(yōu)化方案，再將該優(yōu)化方案放到車身彎扭工況下驗(yàn)證車身剛度提升效果。研究表明，接頭剛度和車身剛度具有正相關(guān)性，車身剛度的優(yōu)化問(wèn)題可以簡(jiǎn)化到接頭剛度的優(yōu)化問(wèn)題上，這樣不僅能將復(fù)雜問(wèn)題的簡(jiǎn)化，還能大大減小仿真分析計(jì)算量。基于接頭拓?fù)鋬?yōu)化的車身剛度優(yōu)化為車身剛度優(yōu)化提供了新的思路和理論依據(jù)，提升了優(yōu)化設(shè)計(jì)效率，有利于縮短車身開(kāi)發(fā)周期。