某小型客车车身骨架轻量化综合优化设计

第3期22客 车 技 术 与 研 究
BUS & COACH TECHNOLOGY AND RESEARCH No. 3 2021
某小型客车车身骨架轻量化综合优化设计
于保君，何洪军，肖永富，杨少明，孙立伟，董 健
(中国第一汽车股份有限公司研发总院，汽车振动噪声与安全控制综合技术国家重点实验室，长春130012)
摘 要：建立某小型客车骨架的隐式参数化有限元模型，以骨架扭转刚度、弯曲刚度、扭转模态及强度
为约束条件，重量最低为目标，选取侧围结构进行局部拓扑优化,然后对骨架型材的截面和壁厚进行
尺寸优化。

最终，车身骨架实现减重26.7 kg 。

关键词：小型客车；车身骨架；参数化模型；综合优化
中图分类号：U462.2； U463. 83+1
文献标志码：A 文章编号：1006-3331(2021)03-0022-04
Comprehensive Optimization Design of Body Framework Lightweight for
a Small- s i z ed Bus
YU Baojun, HE Hongjun, XIAO Yongfu, YANG Shaoming, SUN Liwei, DONG Jian
( Research and Development Institute of China First Automobile Co.， Ltd.， State Key Laboratory of Comprehensive
Technology on Automobile Vibration and Noise & Safety Control , Changchun 130012, China)
Abstract : The authors establish a finite element model with implicit parameterization of a small - sized bus
body framework . They first use the local topology optimization to the side body structure , then use the size optimization to the section and thickness of the framework section tubes with the framework torsional stiff-
ness ， bending stiffness ， torsional mode and strength as the constraint conditions and with the minimum weight as the object. Finally , the weight reduction of the body framework is 26. 7 kg.
Key words : small-sized bus ; body framework ； parametrization model ; comprehensive optimization
汽车轻量化可以起到节能减排、保护环境的作
用。

汽车质量每减小100 kg,每升汽油可多行驶1 km ［l ］o 客车车身质量占客车总质量的40%〜60%⑵。

因此,车身轻量化工作极其重要。

目前，车身结构
轻量化方法主要包括拓扑优化、截面优化、厚度优
化等。

目前，客车骨架结构优化一般仅采用一种方
法［3-8］，未见综合利用拓扑优化、截面及厚度优化方
法;针对客车骨架型材截面尺寸优化,一般采用一维 梁单元模型,未见利用二维壳单元模型。

本文建立某 小型客车车身骨架隐式参数化模型，确认参数化模型
精度满足技术要求后,对其侧围骨架进行拓扑优化,
寻求局部最优结构；然后基于拓扑优化的壳单元模
型，对车身骨架型材的截面尺寸和厚度同时优化，并
进行强度校核。

最终在满足刚度、强度及模态指标要
求前提下,其车身骨架实现减重26.7 kg 。

1小型客车车身骨架轻量化路线
某小型客车车身骨架是由不同截面的矩管铝型
材拼焊而成的空间桁架结构，长4 372 mm,宽1 864 mm,高2 115 mm 。

由于传统有限元模型无法实现型
材截面尺寸参数化变更,显式参数化有限元模型虽然
可以通过移动网格节点坐标实现截面尺寸变更,但很
难实现截面尺寸较大变更和结构间复杂连接关系的
更新;而隐式参数化有限元模型可以使用基点位置、 基线曲率和截面形状等参数来控制型材截面尺寸及
形状,并通过映射关系建立零部件结构之间的参数化
装配关系,每一个参数的改变都会使它周边与之关联
的结构或零部件参数发生相应变化，保证了其连接关
系的稳定性和模型整体的连续性［9-12］。

另外，由于隐式参数化有限元模型在建模过程中 简化了圆角、孔和加强筋等局部几何特征,而传统有
限元模型对实际结构简化较少，更接近实际情况。

因
作者简介：于保君(1983—)，男，硕士;高级工程师；主要从事汽车车身结构CAE 仿真及轻量化设计工作。

第3期于保君，何洪军，肖永富，等:某小型客车车身骨架轻量化综合优化设计23
此，该小型客车骨架轻量化设计路线如图1所示。

首 先，建立该小型客车的传统有限元模型作为确认标
准，然后再建立该客车的隐式参数化有限元模型,并 计算两种有限元模型的部分性能值予以对比，以确认
隐式参数化有限元模型的精度。

再基于隐式参数化 有限元模型开展车身局部结构拓扑优化、型材截面和
厚度优化，以降低车身重量;最后校核整车结构强度,
确定轻量化方案。

图1某小型客车车身骨架轻量化设计路线
Z
、厂
\ 厂 、厂
、
隐式参数化有限元拓扑截面料厚
强度确定
模型建立及确认丿
►
优化
►
同步优化k
J
-►、校核'►
、方案
2某小型客车车身结构轻量化设计
2. 1隐式参数化模型建模及性能计算
该小型客车车身骨架传统有限元模型采用壳单 元划分网格，单元尺寸5 mm,采用单元共节点方式模
拟焊接。

整车传统有限元模型壳单元342 004个，节 点 335 881 个。

使用SFE. Concept 软件建立该客车骨架的隐式
参数化有限元模型，步骤如下:在SFE. Concept 软件
中，以车身局部结构为例，如图2所示。

选定梁的端
点定义基点1和2,连接基点1和2,形成基线1,根据
型材的空间走向，调整基线的曲率;依据型材结构定 义截面1和3；通过上述基点、基线及截面定义①号
型材，由于①号型材为弯曲件，需在中间增加截面2, 保证①号型材在弯曲处与原结构相同。

②号型材定
义同①号型材，再将①号型材与②号型材的焊接边进 行映射，以保证①号型材与②号型材连接关系。

参数
化结构搭建完成后,再利用SFE. Concept 软件自动生
成网格功能,完成①、②号型材隐式参数化有限元模
型的建立。

通过控制基点、基线或者截面实现结构变
化,结构变化后重新生成新结构的有限元网格。

基点1
截面1
①
应用上述方法搭建的该小型客车车身骨架隐式 参数化模型包括573个基点、356根基线、1 320个基
础截面、356根梁和705组映射关系。

网格化后的参
数化有限元模型含壳单元337 256个(壳单元尺寸5
mm),节点331 173个。

整车骨架隐式参数化有限元
模型如图3所示。

图 3 车身骨架参数化有限元模型示意图
弯曲刚度、扭转刚度、一阶扭转模态频率、重量是
评价小型客车身骨架的关键性能指标。

该参数化有
限元模型与传统有限元模型的这些指标的计算结果 见表1o 可以看出，相对于传统有限元模型,参数化
有限元模型的误差臆1%，满足后续分析要求。

表1小型客车车身骨架性能
扭转刚度/
[N-m-(°)-1]弯曲刚度/
(N ・mm -1 )
一阶扭转模态频率/
Hz
质量/
k g 传统有限元模型13 50512 27323.3380.9隐式参数化有限元模型
13 610
12 322
23.5
381.2
2.2侧围局部拓扑优化
考虑到装配、布置限制，本文选取受限小的左侧
围结构进行局部拓扑优化。

考虑地板与侧围结构限
制关系，确定优化区域如图4所示。

图4侧围拓扑优化设计区域
基线］,基点2
截面4
截面2
①
截面3②，截面5
\映射关系
②
隐式参数化有限元模型
图2隐式参数化有限元模型建立示意图
为避免多目标优化时弯曲刚度、扭转刚度、一阶
扭转模态频率权重系数分配的不合理,依据工程实际
要求，采用单目标多约束优化方式求解满足扭转刚 度、弯曲刚度、一阶扭转模态频率要求的最轻结构，即
构建的优化模型如下:
Find P =( P 1 ,02 …
几)
24客车技术与研究2021年6月
min Mass加型材规格，截面和壁厚变量值根据现有型材库
选取。

K T(p)逸13500N・m/(。

)
K b(p)逸12000N/mm
棕(p)逸23Hz
0<P min臆P i臆1
式中:P=P1，P2…Pn是设计变量密度；n为单元数;
Mass为车身骨架质量;心为车身骨架扭转刚度;K b为
车身骨架弯曲刚度;棕为车身骨架一阶扭转模态频
率。

综合考虑型材规格、焊接工艺、附件安装等限制,
侧围拓扑优化后工程结构设计如图5所示。

拓扑优
化后，车身骨架扭转刚度提升2.6%；弯曲刚度下降
1.6%，但仍满足要求，一阶扭转模态频率提升7.6%；
图7变量位置示意图
2.3车身骨架型材截面及壁厚优化
基于拓扑优化结构,选取车身骨架型材截面及厚度作为优化变量;仍以前述的扭转刚度、弯曲刚度和一阶扭转模态频率要求为约束条件，目标为小型客车身骨架重量最轻。

2.3.1变量选取
小型客车身骨架主要由矩形管型材拼焊而成,其截面如图6所示。

为避免局部结构应力集中，通常搭接2根型材在某一方向上等尺寸,图6中④方案搭接为最佳方案(2个型材截面高度一致，都为50mm)。

图6型材截面及搭接关系示意图
从车身骨架中选取99根型材，考虑型材位置与规格，将该99根型材分成23组，如图7所示。

考虑相邻型材之间截面尺寸单方向的一致性，将型材高度w或宽度b作为截面优化变量，壁厚t作为厚度优化变量，合计46个变量。

同时，为节约成本，不额外增2.3.2优化流程搭建
基于响应面法搭建近似模型，通过模拟退火算法进行寻优。

首先,采用优化拉丁超立方方法生成截面尺寸和壁厚变量的试验设计样本。

利用Isight软件驱动参数化模型获得样本点计算模型500个,提交给NAS-TRAN软件计算其扭转刚度、弯曲刚度、一阶扭转模态频率和质量。

然后,基于样本的上述刚度及模态频率和重量信息，构建响应面模型。

经采用交叉验证方法进行误差分析，证明模型精度满足要求(精度要求逸0.9),其中一阶扭转模态频率精度为0.97,其余3项精度均为0.99。

最后，采用自适应模拟退火方法,寻求刚度、模态满足要求的重量最小的截面及壁厚组合。

优化模型如下:
Find var=(s1,s2...s23,t1,t2, (23)
min Mass
K T(var)逸13500N・m/(。

)
K b(var)逸12000N/mm
棕(var)逸23Hz
s3,s20沂(-10,0,10)s18沂(-20,-10,0,10)
‘19宀2沂(-30,-20,-10,0)
其他截面尺寸Si沂(-20,-10,0)
t1, t2，^，t23沂(2,3,4
)
第3期于保君，何洪军，肖永富，等:某小型客车车身骨架轻量化综合优化设计25
式中:var 为设计变量;s 1 , s 2…s 23为23个截面尺寸变 量曲也,七为23个壁厚尺寸变量;其余参数含义 同 2. 2 节。

2. 3. 3 优化结果
如图8所示，经2 568次迭代优化计算,在扭转
刚度、弯曲刚度、一阶扭转模态频率性能满足要求的
前提下，实现质量降低19.2 kg 。

将各变量优化值代
入隐式参数化有限元模型生成优化后的隐式参数化
有限元模型,计算其关键性能指标,结果见表2。

表2截面、壁厚优化的车身骨架性能指标
注:表中第1次优化是指采取的拓扑优化措施;第2次优化是指 在第1次优化措施的基础上再进行型材截面及壁厚的尺寸优化。

扭转刚度/[N ・m ・(。

)-1]
弯曲刚度/
(N *mm -1 )
—阶扭转频率/
Hz 质量/kg 基础模型13 61012 32223. 5
381. 2第 1 次优化13 96212 11725. 28373. 5第 2 次优化
13 508
12 166
23. 06
354. 3
2.4整车优化方案强度校核及改进
通过上述综合优化方案，车身骨架共计减重
26.9 kg 。

将电池、内外饰件、座椅等部件重量简化为
集中质量并用RBE3单元连接到该车身骨架模型中，
构成小型客车全内饰有限元模型，以保证该模型总
重、局部的重量分布以及质心位置与实际一致。

对该
内饰有限元模型再进行强度分析得知,最大应力工况 是满载弯曲工况,最大应力出现在车门铰链安装处,
其值为260 MPa,高于铝型材6061的屈服极限240 MPa ，其他位置满足强度要求。

通过在门铰链安装局
部增加2 mm 厚加强板增重0. 2 kg,最大应力降低为
137 MPa ， 满足强度要求。

3结束语
本文建立小型客车车身骨架隐式参数化有限元
模型,与传统有限元模型进行对比，保证了隐式参数
化有限元模型的精度。

以隐式参数化有限元模型为
基础进行拓扑优化，同时进行截面尺寸及壁厚优化, 并在已有型材库中选取型材规格。

在保证扭转刚度、 弯曲刚度、一阶扭转模态频率满足要求的前提下进行
车身骨架轻量化、综合优化设计。

后续将结合实车试
验做进一步研究。

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收稿日期：
2020-09-21。