基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發

摘要：通過分析傳統分車型研發模式，引出基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發。通過對標標桿車制訂新平臺剛度和模態性能指標，準備所需要的開發輸入，詳細介紹了新平臺模型搭建過程和方法。根據性能目標對概念模型進行多方案性能提升工作，通過框架布置、斷面尺寸調整、改變搭接方式等手段，在外造型凍結時刻同步使車身剛度模態性能達到目標值。先期結構性能材料一體化設計，大幅縮短開發周期，降低車型開發成本，提升性能指標。

關鍵詞：SFE參數化建模；先期設計；平臺化開發；剛度；模態

隨著汽車市場競爭的不斷加劇，傳統的分車型研發模式已經無法適應市場的需求，車身平臺化設計逐步成為趨勢。車身平臺化設計是在保證汽車設計多樣性和個性化等前提下，將多個車型進行重新組合和加工，并形成一個基礎平臺，降低車型開發成本，大幅縮短開發周期，同時支持深度定制等多個優勢（見圖1）。

與傳統開發形式對比，車身平臺化設計可以讓主機廠更好地在鋅粉領域節省成本，提高效率，把有限的資源更好地應用于核心技術和消費者真正關心的點上，最終提升市場競爭力。

汽車市場競爭日漸加劇，由高速度發展轉為高品質發展，車身設計研發面臨嚴峻挑戰，車身開發要求產品平臺化、性能迭代化。車身材料結構性能一體化設計技術是應對各種需求的必要手段，是打造輕量化所需要擁有的核心能力。

基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發流程

基于新車型開發，在概念設計階段，基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發流程如下（見圖2）：

1.標桿競品分析

基于車身性能完成標桿車的關鍵性能、框架、結構、斷面、材質等因素識別。

2.車身材料結構性能目標設定

基于整車性能目標，制定車身剛度、模態、碰撞和疲勞性能指標。

3.車身結構拓撲優化

1）參考標桿車及數據庫。

2）基于靜剛度的車身結構拓撲優化。

3）基于碰撞性能的車身結構拓撲優化。

4）基于多模型的車身結構拓撲優化。

4.斷面、接頭結構初始方案設計

1）參考標桿車及數據庫。

2）2D斷面性能優化。

3）接頭性能優化。

4）關鍵碰撞材料結構性能優化。

5.車身SFE全參數化模型設計和性能優化

1）車身全參數化模型建立。

2）SFE基礎模型剛度、模態、碰撞和疲勞性能分析。

3）車身剛度、模態性能的初步優化。

4）車身碰撞、疲勞優化。

6.白車身剛度、模態、碰撞、疲勞性能多目標優化

1）白車身剛度、模態、碰撞、疲勞結構靈敏度分析和變量篩選，構建近視模型。

2）車身性能多目標優化分析。

基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發輸入

根據江淮汽車新X純電平臺電動汽車下車體平臺項目定義，目前所研發的純電平臺電動汽車以大眾和特斯拉為標桿，打造長軸距、短前后懸的電動汽車平臺。

總布置分組給出了整車的尺寸和主體配置，車體分組完成了下車體平臺概念數據初稿與設計構想書。先期分組根據以上信息，匹配該下車體概念數據搭建上車體框架，并進行性能分析。車身具體性能見表1，車型參數見表2。

1.確定產品定位

電動汽車專屬平臺下車體設計考慮平臺化設計思路。下車體的結構設計應滿足如下輸入：

1）滿足平臺車型的最大通用化設計。

2）滿足方形動力電池的布置空間要求。

3）滿足碰撞以及人機要求，采用平前地板設計。

由于目前純電平臺項目沒有CAS輸入，因此主要通過產品定位來確定上車體框架的外CAS空間。

2.輸入車體設計構想書

車體分組輸入的設計構想書主要包括：下車體平臺的尺寸變動方式、側圍總成的連接與分塊、局部結構與總成的結構特征等。例如全景天幕鈑金和玻璃的主要尺寸，門檻與側圍下部各個接頭的搭接方式，門檻內部鋁合金填充件的典型斷面等。設計構想書是搭建SFE上車體框架，以及上下車體連接的最重要參考資料（見圖3）。

基于SFE應用的參數化混搭模型搭建

1.下車體SFE模型搭建

車體分組概念數據主要包括前圍、地板等蒙皮件；前縱梁、塔包、流水槽等發艙骨架件；前地板橫梁等連接件；后縱梁等后地板骨架件；以及A柱門檻、門檻內板等上下車體的搭接邊界。同步輸入概念數據的材質料厚（見表3）。

根據車體分組輸入的下車體概念數據臨摹SFE模型（見圖4）。在以下位置進行了模型簡化：

1）省略了前縱梁總成中塔包加載點之前的局部加強結構，如前縱梁內部的加強板。

2）省略了前后防撞梁。

3）省略了下車體的局部安裝支架和用于提升局部面剛度的支撐板。

4）簡化了局部形貌特征。

2.上車體框架搭建

根據純電平臺的車型定位（長軸距短前后懸小型電動汽車平臺）和標桿選擇（大眾、特斯拉），從江淮SFE模型庫中選擇江淮基礎車型A、基礎車型B、基礎車型C、標桿車型A、標桿車型B、標桿車型C這6款車型來進行上車體的模塊化組合嫁接。

3.A柱搭建

依據車體設計構想書，A柱鉸鏈柱采用途觀L結構；下接頭與門檻的搭接方式采用標桿車型C，側圍與前地板及前輪包的搭接形式采用標桿車型A；A柱上部采用基礎車型A。在各模塊分塊位置采用共截面形式（見圖5）。

圖5 A柱SFE模型

4. B柱搭建

依據車體設計構想書，B柱下接頭位置采用標桿車型A；B柱中段及上接頭借用基礎車型A結構。由于沒有車身布置方案，根據A柱門洞位置校核前排假人上車空間，并進行B柱前后門洞線位置調整，從而確定B柱的X坐標。B柱與下接頭采用共截面形式。

5.C柱搭建

依據車體概念設計構想書，C柱整體采用基礎車型A結構，并在下接頭與后縱梁搭接位置做適應性匹配。同理，根據B柱位置校核后排假人上車空間，從而確定C柱的門洞線位置。根據后懸長度計算輪胎位置和輪胎包絡，從而確定C柱下接頭的后部空間。

6.門檻填充

依據車體概念設計構想書，門檻截面及搭接參照標桿車型A，并同時在門檻內部設計鋁合金填充結構。考慮到模具開發費用，鋁合金件借用基礎車型B。由于為擠壓鋁工藝，因此長度可根據純電平臺進行適應性匹配。鋁合金與門檻下止口及門檻加強板立面連接，同時注意避免四層焊問題（見圖6）。

7.后輪包選擇

由于純電平臺為短后懸設計，后輪包借用基礎車型C。后輪包內板采用直接借用的方式，并根據后懸長度調整與D柱連接的后焊接邊的X向位置。后輪包外板主要作用為連接內板與側圍，因此先進行后側圍拼接完成，最后再調節后輪包外板。

8.D柱搭建

依據車體概念設計構想書，由于后輪包借用基礎車型C，因此D柱下接頭外輪廓采用基礎車型C，框架結構及腔內支撐和連接借用標桿車型B。D柱及D柱上接頭借用標桿車型B，整段D柱做過渡處理，保證D柱上下接頭連接光順。

9.后側蒙皮拼接

在C、D柱的框架結構確定之后，自主制作后側圍內外板以及后輪包外板蒙皮，來將后側圍整體框架連接完整（見圖7）。

10.頂蓋搭建

依據車體概念設計構想書，頂蓋采用全景天魔形式。純電平臺借用標桿車型A的全景天幕，并根據車輛高度和側圍框架，調整天幕的弧度和形貌。

11.模塊連接

側圍框架各模塊位置調整好后，對上下車體進行連接處理，局部位置做形貌調整。在A柱與邊梁、C柱下接頭與后縱梁、D柱下接頭與后輪包等位置應重點關注，并保證建模質量（見圖8）。

圖8 整車SFE模型

整體模型搭建完成后，依照檢查表對模型的穩定性、網格質量、車身重量和焊點等方面進行質量檢查（見圖9）。

基于SFE應用的參數化模型性能分析

1.模態分析

對搭建好的純電平臺車身進行模態分析，并同步檢查模型連接性（見圖10）。其基頻為28.73Hz，高于標桿車型A和標桿車型B。目前該模型在A柱上部、C柱上接頭、前地板等位置的連接性稍弱，還有提升空間。

圖10 模態分析結果

2.扭轉剛度分析

對搭建好的純電平臺車身進行扭轉剛度分析（見圖11），結果為15 913N·m/°（見表4），高于標桿車型A和標桿車型B。后移可以同車體分組設計人員一同從結構膠用量、框架截面調整、厚度優化等角度進行減重。

結語

本文介紹了基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發流程，通過對標制訂新平臺剛度和模態性能指標，以及所需要的開發輸入，詳細介紹了新平臺模型搭建過程和方法。

根據性能目標對概念模型進行多方案性能提升工作，通過框架布置、斷面尺寸調整、改變搭接方式等手段，在外造型凍結時刻同步使車身剛度模態性能達到目標值。先期結構性能材料一體化設計，大幅縮短開發周期，降低車型開發成本，提升性能指標。

基于SFE參數化建模的汽車新平臺開發應用，可以指導新平臺開發前期結構性能一體化設計。

參考文獻：

[1] 王磊，劉瑩，喬鑫.基于正向開發流程的車身輕量化設計 [J].汽車工程學報 .2015，5（6）：461-465.

[2] 張偉，侯文彬，胡平.基于拓撲優化的電動汽車白車身優化設計 [J].湖南大學學報（自然科版）.2014，41（10）：42-48.

[3] 李鐵柱，華睿，黃維.基于拓撲優化的白車身扭轉剛度性能設計 [J]. 汽車實用技術 .2019（17）：180-182.

[4] 劉丹，劉俊紅，朱忠華，等.基于白車身靜剛度的結構膠拓撲優化分析 [J]. 汽車工程師 .2019（9）：26-27.