基于碰撞安全的白车身架构拓补优化
基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计
基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计张伟;侯文彬;胡平【摘要】针对电动汽车的独特承载要求，提出一种结合拓扑优化和车身尺寸优化的优化设计方法。
以某型电动汽车为实例，通过建立白车身拓扑优化模型、有限元概念模型、尺寸优化模型和样车制造，进行了从整车拓扑结构到车身梁截面的优化设计过程，实现了电动汽车白车身的正向设计。
在优化过程中采用遗传算法，以弯曲刚度和扭转刚度同时作为优化目标，白车身质量最小作为优化约束，选取了灵敏度较高的梁作为变量进行多目标优化。
通过与样车参数的比较表明，该方法能够满足设计和工艺要求，实现轻量化设计，对提高白车身设计效率和精度有着重要的意义。
%According to the special requirements of the electric vehicle,a method on the basis of topolo-gy optimization and genetic algorithm was presented.In a sample of an electric vehicle,the optimization process includes structural topology optimization and section optimization through topology optimization model,finite element conceptual model,size optimization and manufacture of prototype,which indicates that the forward design can be achieved.In the process of optimization,the obj ectives are bending stiffness and torsional stiffness,and meanwhile,the minimum weight was set as a constraint.By choosing high sensitive beams,the multi-obj ective optimization was presented with genetic pared with the results of the real car,this method can meet the requirements of light weight design and manufacture, which provides theoretical significance in increasing the efficiency and accuracy of optimization.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】7页(P42-48)【关键词】拓扑优化;遗传算法;电动汽车;白车身【作者】张伟;侯文彬;胡平【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】U463.811电动汽车（EV）在近几年得到了高速发展，其高效率、绿色环保等特点也吸引了越来越多学者的关注.而对于电动汽车白车身的研究也从改装传统动力汽车逐步发展到符合电动汽车特殊要求的专用白车身.高云凯等[1］在客车车身的优化中，采用了拓扑优化方法来获得车身的最优设计.谢伦杰等[2］在单目标拓扑优化的基础上引入了更全面的优化目标，实现了电动汽车白车身的多目标优化.上述文献虽然证明了拓扑优化在车身设计中的有效性，但单独应用拓扑优化得到的模型是车身质量的分布，因此并不能很好地描述车身截面的形状和尺寸，不能提供精确的车身模型.文献[3－4］提出了白车身梁截面的多目标优化方法，能够实现白车身的轻量化设计，并提供较为精确的白车身模型.但是这些多目标优化方法只能基于现有的车身模型进行优化设计，并不能在正向设计中实现车身拓扑结构的优化.本文结合上述两种优化方法，首先将拓扑优化引入到电动汽车白车身的正向设计中去，以拓扑优化结果为基础，建立白车身概念模型并根据遗传算法原理，以质量最小为约束，弯曲刚度、扭转刚度为目标，实现白车身梁截面多目标优化.使优化后的电动汽车白车身能够直接用于生产制造过程，从而达到轻量化设计的目的.通过某型电动汽车的设计和制造过程，充分验证了上述方法的有效性和高效性.1 白车身拓扑优化模型结构的拓扑优化过程实际是在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题[5］.对于连续体问题，拓扑优化能够精确和高效地实现最佳结构，因此在汽车车身设计的早期阶段其扮演着越来越重要的角色.本文采用的是基于变密度法的SIMP（Solid Isotropic Microstructures with Penalization）优化方法.SIMP方法做了如下假设：引入一种假想的相对密度在0～1的可变材料；并假设该材料的宏观弹性模量与其密度具有非线性关系；采用惩罚因子约束抑制为0～1的单元.SIMP优化方法的原理是在假设的材料用量下，寻求在某种量度条件下的具备最大刚度结构的材料最佳分布形式[6］.因此电动汽车白车身的拓扑优化公式表达为[7］：式中：ρe为第e个单元的相对密度；V为初始材料设计体积，被定义为长度为3 000mm，宽度为1 600mm，高度为1 500mm的长方体；V0为优化后要保留的体积，一般由相对密度与单元真实体积加权之和求得，即为体积约束，在拓扑优化过程中为了满足设计域的要求，体积约束取值小于1.在优化过程中，刚度最大化问题可转化为结构柔度最小化，函数c（ρe）为柔度目标函数，可写为：式中：ue为单元的位移向量；Ke为单元的刚度矩阵；P为惩罚因子.根据SIMP方法有：式中：Ke0为第e个单元的初始刚度矩阵.在工程应用中，惩罚因子的取值范围通常为3～5.在电动汽车白车身的拓扑优化过程中，将车身外形和尺寸作为几何约束，并考虑乘员舱、动力系统及行李舱等设计空间，同时综合考虑车身的弯曲工况、扭转工况进行拓扑优化设计.与传统动力汽车不同的是，本文中的电动汽车动力系统采用中置布局，将电动机和电池等布置在乘员舱与后轴之间，因此在拓扑优化过程中需要重新考虑车身的载荷分布并在传统动力汽车发动机舱部分得到更多的设计空间.车身外形如图1所示.图1 某型电动汽车车身外形Fig.1 A electric vehicle body style电动汽车的设计参数见表1.其中弯曲工况和扭转工况模拟了电动汽车车身在匀速行驶时车身的承载情况.在优化过程中弯曲工况按如下方式定义：约束4个悬架支座的6个自由度，施加动力系统模块和乘员舱及行李舱的负荷，计算多种负荷同时施加时的车身有效弯曲刚度；弯曲工况按如下方式定义：约束后轴2个悬架支座的6个自由度，在前轴2个悬架支座分别施加大小相等、方向相反的等效力[8］.表1 某型电动汽车设计参数Tab.1 The design parameters of a electric vehiclemm 2 100前轮距/mm 1 244后轮距/mm 1 186弯曲刚度/（N·m－1）8 000扭转刚度/（N·m·deg－1） 7 000动力系统模块负荷/kg 150（距前轴800mm）乘员舱负荷/kg 200（距前轴1 000mm）参数数值轴距/在车身的拓扑优化过程中，取2种工况的权重相等，取惩罚因子等于2，经过反复验证得到的拓扑优化结果如图2所示.车身的拓扑优化结果实质是车身的质量单元的分布情况，通过质量单元分布的疏密程度形成了车身中每一根梁.如图2所示，车身前半段的质量单元确定了防火墙位置，从而基本确定了前设备舱的轮廓及其在车身中的比例.拓扑优化结果中的侧围位置的质量单元确定了B柱的位置，由于该型车是单排座椅，因此根据B柱的位置，乘员舱的尺寸及其在车身中的位置也确定了下来.跟上述分析过程类似的是，优化结果中质量单元最为集中的部分是两根贯穿整个车身的形状类似“彩虹”的梁，它们将成为车身中的主要承载部件.图2 白车身拓扑优化结果Fig.2 The results of body in white topology optimization白车身拓扑优化结果是一个比较抽象的车身模型，它定义了车身主要承载结构的位置和形状，为车身的设计提供了重要参考，但并没有详细描述出白车身中每根梁的参数细节.因此需要结合白车身设计制造的工程经验和资料，来得到车身概念模型.基于拓扑优化结果构建的车身梁结构如图3所示，根据拓扑优化的结果建立车身概念模型的过程主要分为3个部分：车厢地板、侧围、其他附属部件.在构建车厢地板的过程中，首先根据拓扑优化结果，按照最大化乘员舱的原则，确定乘员舱的位置及地板梁的分布情况；再以前轮罩的形状作为约束，确定前设备舱的梁的位置和尺寸；最后再根据车身的设计长度确定货厢的形状和尺寸.在车厢地板的设计过程中，A柱和B柱的位置也同时能够确定下来，因此再结合“彩虹梁”的尺寸，车身侧围的梁结构也较为容易地构建出来.图3中放大图所示为“彩虹”梁构建过程，在拓扑优化结果中，“彩虹”梁的截面形状接近圆形，并大致确定了梁的走向.为了保证梁的平滑，按照B样条线的生成原则，建立了“彩虹梁”的实体模型，并根据实体模型建立了车身的概念模型.图3 白车身梁的拓扑结构Fig.3 The topology structure of a beam in body in white图4所示是根据拓扑优化结果建立的白车身概念模型，其中主要承载梁的数量和位置是依据拓扑优化结果来确定的，并根据车身功能和生产工艺要求做了适当的修改.有别于传统的车身概念有限元模型，以图中的概念模型为基础建立的有限元模型在A柱、B柱等位置引入了柔性接头概念，能够有效地提高仿真的精度，缩短白车身的设计周期.车身概念有限元模型采用梁单元与壳单元相结合，在计算速度与计算精度上达到了较好的统一，模型中梁的个数为36根，单元数为396，采用铝合金作为主要材料，即密度为2.7g/cm3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.31.施加载荷按如下定义：弯曲工况下，在距前轴886mm处施加竖直向下的等效载荷3 430N；扭转工况下，在前轴两减振器支座上分别施加竖直向上和向下的力463N.2 应用遗传算法的白车身优化模型2.1 多目标优化数学模型多目标优化的过程是对每一个子项单独应用优化算法，再对每一项加权从而叠加得到多目标优化的解.对于白车身的刚度优化问题的一般数学模型为：式中：x为优化变量，在本文中优化变量选取的是灵敏度较高梁的截面几何尺寸；f1（x）为弯曲刚度的目标函数，f2（x）为扭转刚度的目标函数，根据该型电动汽车设计参数的要求，弯曲刚度应不低于8 000 N/m，扭转刚度应不低于7000N·m/deg.g（x）为车身质量约束函数，在优化过程中该约束被定义为车身质量增加量最小，即满足整车刚度要求的最小车身质量.图4 白车身概念模型Fig.4 Body in white conceptual model2.2 优化目标式中：E1为白车身的弯曲刚度；F0为施加在车身上的等效载荷；u为门槛梁的垂直位移.白车身的扭转刚度按式（6）定义：式中：E2为白车身的扭转刚度；M0为施加在前轴的扭矩，在有限元模型中被定义为M0＝2Fw，其中F为施加在前轴上两个方向相反的力，w为前轴距；θ为前后轴的扭转角度.因此目标函数可以写为：式中：E1，obj和E2，obj分别为设计弯曲刚度和设计扭转刚度；α和β分别为弯曲刚度和扭转刚度在目标函数中的权重.多目标优化问题的实质是对各个子目标进行协调和折中处理，使各个子目标函数尽可能达到最优，因此需要合理地选择子目标的权重.白车身刚度的优化目标为弯曲刚度和扭转刚度，并且它们对于车身性能的影响都比较大，因此采用线性加权法赋予它们相同的权重，归一化后，2个权重的取值均为0.5.2.3 优化变量在选择优化变量时，由于薄壁圆管的刚度质量比与圆管的直径成正比，而与圆管的厚度没有关系，因此将圆管的直径作为优化变量.在考虑对称性和几何连接的因素后，优化变量见表2，总计25个.在优化过程中，首先需要计算的是优化变量的灵敏度，即优化变量对目标函数的贡献值，剔除对车身刚度贡献较小的优化变量，从而提高计算效率.在优化过程中，灵敏度被定义为：式中：Fn为第n个变量对应的目标函数值；Xn为第n个变量值，本文中灵敏度的含义是目标函数值相对于梁截面直径的变化率.本次优化过程中的优化变量灵敏度计算结果见表2.由于目标函数值越小，车身刚度越大[9］，因此灵敏度绝对值越大，对目标函数的贡献值越大.通过灵敏度计算结果的分析可知，“彩虹”梁对车身刚度的贡献最大，是车身中的主要承载部位，这同时也验证了拓扑优化的结果.表2 多目标优化变量Tab.2 The optimization variables编号变量名称灵敏度1前防撞梁－0.009 2发动机舱横梁－0.005 3防火墙上横梁－0.009 4 A柱横梁－0.016 5 B柱横梁－0.018 6地板前横梁－0.015 7地板中横梁－0.013 8地板后横梁－0.010 9行李舱前横梁－0.008 10 行李舱后横梁－0.007 11 后防撞梁－0.003 12 前纵梁－0.018 13 防火墙下横梁－0.005 14 门槛梁－0.017 15 地板纵梁－0.019 16 中央通道－0.023 17 行李舱中央纵梁－0.012 18 行李舱纵梁－0.009 19 后防撞梁连接梁－0.000 3 20 A柱－0.011 21 B柱－0.019 22 彩虹梁－0.031 23 B柱连接纵梁－0.013 24 行李舱连接梁－0.000 2 25 行李舱横梁－0.000 52.4 遗传算法的实现在众多求解多目标问题的算法中，遗传算法以其高效率、适应性强等特点被越来越多地应用在多目标优化问题中.遗传算法是一种具备自我调节能力的优化方法，它参考了进化论和遗传学的原理，实现了对连续变量或离散变量的优化.遗传算法在种群的繁殖过程中，以适应度作为种群中个体是否淘汰的标准，通过交叉和变异实现种群的最优化，从而得到问题的最优解.在白车身的多目标优化过程中，设优化参数的取值范围为40～100mm.通过采用浮点数进行编码来提高优化的效率，同时综合考虑遗传算法的效率和计算量取种群数为200.遗传算法在优化过程中不依赖任何外部的信息，仅以个体的适应度作为进化的依据.因此，选择合适的适应度函数对遗传算法的效率尤其重要.本文采用的适应度拉伸方法如式（9）[10］所示：式中：fm为第m个个体的适应度；g为遗传代数；θ为温度；θ0为初始温度；n 为种群规模.按上述公式定义的适应度使得在遗传算法的前期，个体的适应度相近，从而产生的后代概率相近.当温度不断下降后，拉伸作用加强，使个体的差异性被放大，从而使得优秀的个体优势更明显.在优化过程中，有时会碰到种群无法进化的现象.这是因为当个体具有同样的染色体、拥有相同的适应度时，种群无法选择出最佳的个体.这时需要引入适当的概率算法，能够增大交叉和变异的概率，从而推动种群的进化.采用自适应交叉概率和变异概率的计算公式为[11］：式中：fc为要交叉的2个个体中适应值较大的一个；fm为要变异的个体的适应值；fmax和favg分别为群体的最大适应值和平均适应值；Pc1，Pc2，Pm1，Pm2均为常数.3 白车身多目标优化结果在VCD（Vehicle Concept Design）系统中，按照上述有限元模型计算得到的应力云图如图5和图6所示.图中表示的是Mises等效应力云图，在弯曲工况下，白车身的最大应力出现在“彩虹”梁的中段；在扭转工况下，白车身的最大应力出现在“彩虹”梁的前段，因此作为车身的主要承载结构，“彩虹”梁的直径应是所有梁中最大的.图5 弯曲工况应力云图Fig.5 The stress nephogram of bending图6 扭转工况应力云图Fig.6 The stress nephogram of torsion在VCD系统的优化模块中调用Nastran求解器对初始车身模型进行优化.在优化模型的建立过程中，经过反复验证，综合考虑了车身质量和车身刚度，将圆管的初始直径设定为40mm，厚度为1 mm.为了提高优化效率，优化过程中选取了灵敏度较高的梁，总计14根.同时为了满足薄壁管件的工艺要求，优化后的取用值按四舍五入取整，梁截面优化的结果见表3.优化前后的车身质量、函数值、刚度等对比见表4，车身的初始设计刚度约达到了设计要求的50%，而优化后虽然质量有了35%的降低，但弯曲刚度和扭转刚度分别提高了87%和84%.结果表明，在刚度达到设计要求的同时，实现了白车身质量最小，达到了轻量化设计的目的.表3 圆管直径优化结果Tab.3 The optimization results of tubes40 45.61 46 B柱横梁 40 47.45 47地板前横梁 40 45.31 45地板中横梁 40 44.17 44地板后横梁 40 40.65 41前纵梁 40 48.77 49门槛梁 40 46.21 46地板纵梁 40 51.65 52中央通道 40 54.78 55行李舱中央纵梁 40 43.11 43 A柱 40 41.89 42 B柱 40 51.65 52彩虹梁 40 65.34 65 B柱连接纵梁变量名称初始数值优化数值取用值A柱横梁40 44.17 44表4 白车身多目标优化结果Tab.4 The optimization results of body in white? 车身的优化设计结果为样车的设计和制造提供了重要的依据，根据拓扑优化结果构建的车身结构模型确定了样车前设备舱、乘员舱、货舱3部分的轮廓及其在车身中的相对位置，从而确定了车身中主要梁的位置和形状.在拓扑优化的基础上，通过对主要梁截面的多目标优化，得到了满足车身性能要求的最佳梁截面，为薄壁管件的选择提供了依据.多目标优化的结果是小数，因此需要根据标准薄壁管件的许用值选用最接近的标准件.白车身中梁与梁的接头采用螺栓和焊接结合的办法来增强接头的刚度，外覆盖件通过采用工程塑料和碳纤维板来同时满足美观和轻量化的要求.根据优化结果制造的某型电动汽车样车如图7所示.经过刚度和称重实验，样车白车身的实际参数见表5.与样车结果相比，优化结果的平均误差大约为14.67%.误差主要来源于有限元模型计算误差以及实车的制造误差.有限元概念模型是基于梁单元的简化模型，因此计算结果会存在5%～10%的误差.同时在样车的制造过程中受限于制造工艺，“彩虹”梁的曲率与设计不完全相同，并且考虑标准件的采购，部分灵敏度较低的梁厚度大于设计值，因此最终的车身质量和性能均超过了设计值，但误差在合理的范围内，基本满足车身设计的要求.车身中的梁直径在40～65mm之间，除了“彩虹”梁以外，梁截面变化较为连续，满足制造工艺和美观的基本要求.图7 某型电动汽车样车Fig.7 The prototype of an electric vehicle表5 优化结果与实验结果比较Tab.5 The comparison between optimization and experiment优化结果实验结果误差122.14 135.45 11%弯曲刚度/（N·mm－1） 8 046.32 9 145.64 14%扭转刚度/（N·m·deg－1）质量/kg 7 139.28 8 530.67 19%4 结论本文提出了一种结合车身拓扑优化和车身梁截面多目标优化2种优点的优化方法，通过构建拓扑优化模型、概念模型、多目标优化模型，从车身的拓扑结构到车身的梁截面尺寸进行了全面的优化，实现了电动汽车白车身的正向设计过程.优化结果表明，在满足刚度要求的同时，能够实现白车身的轻量化设计.同时通过制造和测试样车，验证了该优化设计方法在车身性能和车身制造工艺上的有效性，为电动汽车车身的设计制造过程提供了重要参考.参考文献[1]高云凯，王婧人，汪翼.基于正交试验的大型客车车身结构多工况拓扑优化研究[J］.汽车技术，2011（11）：16－19.GAO Yun－kai，WANG Jing－ren，WANG Yi.Multi－case topology optimization of bus body structure based on orthogonaltest[J］.Automobile Technology，2011（11）：16－19.（In Chinese）[2]谢伦杰，张维刚，常伟波，等.基于SIMP理论的电动汽车车身多目标拓扑优化[J］.汽车工程，2013，35（7）：583－587.XIE Lun－jie，ZHANG Wei－gang，CHANG Wei－bo，et al.Multi－objective topology optimization for electric car body based on SIMP theory[J］.Automotive Engineering，2013，35（7）：583－587.（In Chinese）[3]BLASQUES J P，STOLPE M.Multi－material topology optimization of laminated composite beam cross sections[J］.Composite Structures，2012，94（11）：3278－3279.[4]YANG S，QI C，GUO D，et al.Topology optimization of a parallel hybrid electric vehicle body in white[J］.Applied Mechanics and Materials，2012，148/149：668－671.[5]JIAN H 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基于多目标优化的白车身结构轻量化设计
基于多目标优化的白车身结构轻量化设计作者：王康曹永晟贺启才赵国栋来源：《时代汽车》2023年第22期摘要：白車身轻量化研究有利于提高整车性能和减少研发成本，首先建立了某乘用车白车身的有限元模型，接着根据仿真模型分别计算出与NVH、静刚度及正面碰撞安全性能相关的参数，模型各项指标均满足要求。
其次，依据综合灵敏度分析思路筛出与碰撞安全无关的设计变量，并且参照能量吸收曲线图选出正面碰撞安全板件的设计变量。
针对白车身非碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各类近似模型的精度，采用了椭圆基近似模型，将白车身质量最小、低阶模态最大作为设计目标，把白车身的静态扭转刚度以及静态弯曲刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对非碰撞安全板件进行多目标优化。
针对白车身正面碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各种近似模型的精度，采用了响应面模型，将白车身质量最小、乘员舱加速度峰值最小作为设计目标，将一阶弯曲和一阶扭转模态频率、静态弯曲扭转刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对碰撞安全板件进行多目标优化。
最后，对轻量化前后的性能参数进行比较分析，实现了白车身质量降低13.4kg，降幅3.32%，轻量化系数减小了1，不仅保证了静态弯曲刚度和扭转刚度、白车身的模态频率各项指标基本不变，并且提高了白车身正面碰撞性能。
结果表明基于多目标优化的白车身结构轻量化设计的减重效果较好，对车身的轻量化设计具有一定的参考意义与指导价值。
关键词：白车身灵敏度分析试验设计近似模型多目标优化轻量化1 引言随着新时代的发展，世界汽车保有量不断增加，国家对汽车的安全性能和排放指标也越来越严格。
车辆正朝着安全舒适、持续发展、电动智能的方向发展，白车身轻量化可以对汽车工业所遇到的绿色环保、主被动安全性和能耗等问题的解决有所帮助，白车身是集汽车造型以及性能为一体的关键子系统，汽车轻量化方案的选择中，白车身结构的轻量化备受学术研究者与各大车企的关注。
张继游_基于OptiStruct的白车身拓扑优化研究
图 3 弯曲刚度工况优化结果 (2）扭转刚度工况
图 4 柔度迭代过程
图 5 优化结果解析
扭转刚度工况优化结果如图 6 所示。柔度经过 80 迭代，最终优化的最小柔度为 97.7N·mm，迭 代过程如图 7 所示。由图 8 可知，材料在备胎前横梁①和后横梁堆积②，可知该两个结构对扭转刚度 作用大，同时后纵梁中段前横梁①通过载荷传递路径与门槛梁③前端相连。
图 12 后面碰撞工况优化结果 (5）侧面碰撞工况
图 13 柔度迭代过程
图 14 优化结果解析
侧面碰撞工况优化结果如图 15 所示。柔度经过 18 迭代，最终优化的最小柔度为 9.5KN·mm，迭 代过程如图 16 所示。由图 17 可知，载荷传递路径有 3 条，分别是门槛梁前端横梁①、门槛梁中部横 梁②和门槛梁末端横梁③。
图 15 侧面碰撞工况优化结果
图 16 柔度迭代过程
图 17 优化结果解析
本研究通过对五个单独分析工况进行拓扑优化，获取各个工况的最佳材料分布和载荷传递路径， 载荷传递路径上的零件， 即为保证对应工况性能要求的关键部件， 为前期车身架构设计提供指导意见， 将在后期的性能优化中获得重点关注。
3.3 综合工况优化结果分析
综合优化工况包括刚度工况 （弯曲刚度和扭转刚度） 、 碰撞工况(正面碰撞、 后面碰撞和侧面碰撞)。 对于每一种工况，都会有不同的拓扑优化结构与之对应，为了找到满足各主要工况的拓扑结构，本文 采用折衷规划法，参见公式（3.1） ，其中，
ls-tasc拓扑优化技术在汽车安全开发中的应用
知识专题主题：ls-tasc拓扑优化技术在汽车安全开发中的应用随着汽车行业的不断发展，车辆安全性能的要求也日益提高。
ls-tasc 拓扑优化技术作为一种先进的汽车安全技术，在提高车辆安全性能方面发挥着重要作用。
本文将深入探讨ls-tasc拓扑优化技术的原理和在汽车安全开发中的应用，以及对未来汽车安全领域的影响。
1. ls-tasc拓扑优化技术的原理ls-tasc拓扑优化技术是一种基于拓扑结构的优化方法，通过对系统的拓扑结构进行调整，实现对系统性能的改进。
其原理主要包括以下几个方面：1.1 拓扑结构分析：ls-tasc技术首先对系统的各个组成部分进行拓扑结构分析，确定系统中各个元件之间的相互关系和连接方式。
1.2 性能评估：在对系统的拓扑结构进行分析之后，ls-tasc技术通过对系统的性能进行评估，确定系统存在的问题和需要改进的方向。
1.3 优化调整：基于对系统拓扑结构和性能的分析，ls-tasc技术对系统的拓扑结构进行优化调整，以提升系统的性能和安全性。
2. ls-tasc拓扑优化技术在汽车安全开发中的应用ls-tasc拓扑优化技术在汽车安全开发中有着广泛的应用，主要体现在以下几个方面：2.1 结构强度优化：利用ls-tasc技术对汽车结构的拓扑结构进行优化调整，实现对汽车结构强度的提升，从而提高汽车的整体安全性能。
2.2 碰撞安全性优化：ls-tasc技术通过对汽车车身的拓扑结构进行优化，改进汽车在碰撞事故中的受力分布，提高汽车的碰撞安全性能。
2.3 车辆稳定性优化：ls-tasc技术还可以用于优化汽车悬挂系统和底盘结构的拓扑结构，提升汽车的操控稳定性和行驶安全性。
3. ls-tasc拓扑优化技术对汽车安全领域的影响ls-tasc拓扑优化技术的应用不仅可以提高汽车的安全性能，还对整个汽车安全领域产生深远的影响：3.1 技术创新：ls-tasc技术的应用推动了汽车安全技术的创新，为汽车安全领域的发展注入了新的活力。
商用车驾驶室白车身焊点缩减拓扑优化研究
商用车驾驶室白车身焊点缩减拓扑优化研究商用车的驾驶室白车身建立了以固有频率为约束的体系，以焊点提及最小化作为目标，并且也是最优势化的模式，根据灵敏度进行分析，并且能够得到每个单元对于结构性能的贡献，以此来分析当下有限单元的剔除和保留。
尤其在通过拓扑优化之后，能够让驾驶室白车自身的焊点数量有明显减少，并在满足当下设计的需要的情况下，焊点重新分布。
对优化前后进行仿真分析的结果表明，文中的设计模型和分析方法都是有效合理的。
标签：商用车驾驶室；焊点；有限元分析0 引言驾驶室是商用车最重要的核心部件之一，司机以及乘客在乘坐商用车时的舒适度则和驾驶室好坏有着极大的关系，以及驾驶室的居住性。
商用车的驾驶室并不是承载式的车身，对于驾驶室有着高强度的要求却极其容易满足，但是为了保证驾驶室所具有的一些特征，就要在设计驾驶室时，还要掌控驾驶室的频率，以及各种模式的特定需求。
焊装结构的驾驶室白车身其中的各个部分的零件，都是通过焊接结合在一起的，焊接数量直接影响驾驶室白车身的刚度和强度。
同时焊点数量直接影响白车身的焊接时间和成本。
1 结构频率的敏感度和优化的流程能够辨识最佳位置的结构，就需要经过细致的分析，最重要的就是驾驶室的动力问题，相对来说，灵敏度的分析是比较复杂的。
在有限元当中的分析，结构动特征值的问题为（[K]-ω2j[M]）{φj}={0}（1），其中[K]为总刚度矩阵；[M]为总质量矩阵；ωj为第j阶固有频率；{φj}为对应于ωj的特征矢量。
固有频率ωj 及其相应的特征矢量。
固有频率ωj及其相应的特征矢量{φj}通过瑞利商相互关联[5-6]ω2j=kj/mj（2），其中模态刚度kj和模态质量mj定义，kj={φj}T[K]{φj}mj={φj}T[M]，mj={φj}T[M]{φj}。
如要假设从当前的这个结构当中删除了i个单元，同时由于删除的该单元已经引起了频率的变化量了，从公式（2）中导得Δ（ω2j）=Δkjmj-kjΔmjm2j=1mj（Δkj-ω2Δmj）（3）。
基于全参数化模型的白车身多学科设计优化
参数化技术有很大的实用价值, 可以大大提高 设计速度。以往的参数化设计虽可通过定义位置和 尺寸等变量, 由一些简单公式推导出新的设计, 但想 要实现由几百个零件装配成的白车身模型的快速变 换几乎不可能。要实现整车的全参数化不仅要对单 个零件的位置和形状进行修改, 还要处理各零件之 间繁琐的装配关系 [ 1] , 如果参数的变化范围较大时, 还有可能导致某些几何特征或装配关系的丢失, 出
图 1 中地板底部梁的参 数化变化状态
1 2 有限元模型的快速生成 在进行 优 化分 析时, 最 理想 的状 态 是不 通 过
CAD, 直接生成参数化的有限元模型。但现 在没有 一款软件能实现直接建立整车级别的参数化有限元 模型。所以由参数化 CAD 模型快速地生成 有限元 模型非常重要。传统方法生成一款满足分析要求的 白车身有限元模型需要先建立 CAD 模型, 再生成相 应的有限元模型, 至少需要几天时间。如果优化需 要生成 1 000个样本点, 则工作量巨大, 基本上无法 实现。另外像 m orphing技术, 仅能修改网格节点的 位置, 不能自动修改网格的数量、质量和拓扑关系, 而且很容易在拟合新的几何形状时造成网格扭曲,
Pan A sia Techn ica l Au tom otive C en ter C o. , L td. , Shangha i 201201
[ Ab stract] A concep t of analysis leads design is introduced in the early phase of a new car deve lopm en,t an imp licit param etric m odel for its body in wh ite ( B IW ) is bu il,t and the effective range of key param eters of BIW structure is def ined based on the spatia l layout o f veh ic le. A surrogate m ode l is created through the design of experi m ent, and the effects o f key param eters of B IW structure on the stiffness, vibration m odes and passive safety are an alyzed. F ina lly veh ic le simu lation is conducted and an early phase B IW structure m eeting the requ irem ents of m ulti disciplinary perform ances ( stiffness, vibration m odes and passive safety) is obtained.
车身扭转刚度分析及拓扑优化
白车身扭转刚度分析及拓扑优化Torsion Stiffness Analysis and TopologyOptimization of Body in White摘要: 白车身（Body in White, BIW）的扭转刚度是车身重要的力学性能之一，对整车各方面的性能有着直接或间接的影响。
本文在已有量产车型基础上，运用HyperMorph工具建立了轴距加长150 mm对应的Morph模型。
以Morph模型为研究对象，以扭转工况对应的柔度最小化为目标，利用OptiStruct软件进行了拓扑优化分析。
基于拓扑优化结果，对后地板横梁加强板、连接板、后围结构进行了形状优化和截面优化，优化后扭转刚度提升了4.85 %，对后续的设计具有一定的指导意义。
关键词:白车身，Morph模型，扭转刚度，OptiStruct，拓扑优化Abstract:The torsion stiffness of the Body in White (BIW) is one of the important mechanical properties of the body, and has a direct or indirect effect on the performance of all aspects of the vehicle. In this paper, based on the existing production models, the corresponding Morph model with 150 mm longer wheelbase was established by using HyperMorph tool. Then, taking Morph model as the research object and aiming at minimizing the compliance corresponding to the BIW torsion condition, topology optimization analysis was carried out by using OptiStruct software. Finally, based on the results of topology optimization, shape and section optimization were carried out for the rear floor beam reinforcing plate, connecting plate and the rear frame structure. As a result, the torsion stiffness is improved by 4.85 % after optimization, which has certain guiding significance for the subsequent design.Key words:Body in White, Morph model, torsion stiffness, OptiStruct, topology optimization1 概述随着经济的快速发展，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。
某SUV白车身模态分析及优化设计
某SUV白车身模态分析及优化设计文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。
优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。
标签：模态分析；结构优化；有限元分析前言现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。
车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。
车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。
实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。
从而缩短开发周期，节约试验费用。
文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。
1 有限元模型有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。
车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。
模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。
为此对模型建立进行了如下处理：1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。
TRIA3单元占总数的比率小于5%。
1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。
1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。
1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。
焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。
根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。
白车身接附点动刚度优化设计
白车身接附点动刚度优化设计白车身接附点动刚度优化设计随着车辆制造技术的不断发展，汽车的安全性能、舒适性能以及使用寿命等方面的要求越来越高，白车身的接附点动刚度优化设计成为了一项非常重要的工作。
接附点动刚度是指车辆受力后在车身车轮接触点产生的位移值与施加的受力的比值，通常也叫做车辆的高速稳定性。
以下介绍一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法。
1、轻质化设计将白车身轻量化是提高接附点动刚度的一种有效方法。
在设计过程中，可以采用高强度钢材、铝合金、碳纤维等轻量化材料来替换传统材料。
轻质化设计不仅可以减少车身重量，提高燃油经济性，而且可以提高车身的接附点动刚度。
2、前后轴重分配设计这是一种有效的设计方法，通过将车辆的前后轴荷载比例调整，使得车辆在行驶时的重心更加稳定，同时减小了车辆的滚动摆动。
前后轴重分配设计需要将引擎舱、乘员室等设备布置合理，实现前后轴重量分配的最佳状态，从而使车辆的接附点动刚度得到优化。
3、悬挂系统设计悬挂系统是车辆接收路面振动的关键部件，同时也是影响车辆接附点动刚度的重要因素。
在设计悬挂系统时，可以通过合理选择弹簧、避震器的硬度和减震器参数来优化车辆的接附点动刚度。
合理设计的悬挂系统可以使车辆在行驶时获得更好的稳定性。
4、结构优化设计通过优化白车身各组成部分的结构设计，有效地提高车辆的接附点动刚度。
例如，在车辆的底盘结构设计中，合理设计受力部位的加强筋和连接结构，可以有效地提高接附点动刚度。
另外，在车辆前后桥结构优化设计中，可以通过增加连接点的数量和降低连接点之间的距离等措施来提高接附点动刚度。
总之，白车身接附点动刚度是汽车制造中非常重要的一项指标，对于提高车辆的安全性能和使用寿命都有非常重要的意义。
通过合理运用以上设计方法，对白车身接附点动刚度进行优化设计，可以为汽车的制造企业提供更加优质的汽车产品，同时满足消费者不断提高的需求。
除了以上介绍的一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法，还有一些其他的设计方法可以帮助优化车辆的稳定性和运行平稳性。
白车身骨架模态研究与结构优化设计
2024年第2期47白车身骨架模态研究与结构优化设计马保林，熊辉，张略（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000）摘 要：为了提高某承载式车身骨架的模态，解决其在汽车行驶过程中与外界激励频率重合产生共振和异响，改善白车身骨架的NVH性能，对某轿车白车身进行研究并对关键零部件进行了结构优化设计，并进行有限元分析验证。
根据有限元分析及实车验证，这些结构优化方案对改善车身模态频率具有良好的效果，为其他车型提供设计参考。
关键词：模态分析，结构优化，白车身，有限元分析中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）02-0047-05Research on the BIW Modal and Optimization Design of theStructuralMA Bao-lin, XIONG Hui, ZHANG Lue (Chery Automobile Co., Ltd., WuHu 241000, China)Abstract: In order to improve the mode of a load-bearing body frame, solve the resonance and abnormal noise caused by its overlap with the external excitation frequency during the driving process of the car, and improve the NVH performance of the BIW skeleton, the BIW of a car was studied, and the structural optimization design of key components was carried out, and the finite element analysis was carried out to verify it. According to the finite element analysis and actual vehicle verification, these structural optimization schemes have a good effect on improving the modal frequency of the body, and provide design reference for other models.Key Words: Modal Analysis; Structural Optimization; Body-In-White; Finite Element Analysisdoi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.02.008 收稿日期：2024-01-021 前言随着我国汽车行业的飞速发展，乘员对于汽车振动噪声品质的要求不断提高。
基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计
10.16638/ki.1671-7988.2019.17.066基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计李铁柱，华睿，黄维（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：车身扭转刚度对整车操纵稳定性和NVH性能具有重要的影响，是车身设计的重点和难点。
文章针对某车型白车身的扭转刚度性能提升设计，通过采用局部结构拓扑优化的方法，有效识别了提升性能的局部拓扑优化结构，以最少的重量增加实现性能最大化设计，并制作了实际加强方案，白车身仿真分析验证了方案的有效性。
关键字：拓扑优化；白车身；扭转刚度；轻量化中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)17-180-03Torsional Stiffness Performance Design of Body-in-White Based onTopology OptimizationLi Tiezhu, Hua Rui, Huang Wei( Anhui Jianghuai Automotive Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )Abstract:Torsion stiffness of the body structure has an important impact on vehicle handling stability and NVH performance, and is the focus and difficulty of body design. In this paper, the torsional stiffness performance improvement design of a body-in-white of a vehicle model is studied. The topology optimization method is used for the local body structure design. The structure of the improving performance is effectively identified, and the performance maximization design is realized with the least weight increase, and the actual reinforcement scheme is produced. The simulation analysis of the body-in-white verifies the effectiveness of the scheme.Keywords: Topology Optimization; Body In White; Torsion Stiffness; LightweightCLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)17-180-031 引言汽车行业竞争日益加剧，消费者对汽车的安全性、NVH、操纵驾驶性和疲劳耐久性也越来越重视。
拓扑优化在白车身概念设计中的应用
拓扑优化在白车身概念设计中的应用张鹏飞;董瑞强【摘要】将碰撞工况转化为等效的线性工况,并与刚度、耐久性、NVH工况等通过加权应变能的方法组合为优化设计的目标函数,充分兼顾了车身各方面的结构性能.对优化后的拓扑结构进行解读,转化成了工程上可实现的设计方案.实践证明,运用车身拓扑优化方法,既可以保持质量大大提高车身结构性能,也可以保持性能进行车身轻量化设计.本文所做工作属于前者.【期刊名称】《汽车技术》【年(卷),期】2010(000)007【总页数】4页(P55-58)【关键词】白车身;拓扑优化;加权应变能;工况等效【作者】张鹏飞;董瑞强【作者单位】泛亚汽车技术中心;泛亚汽车技术中心【正文语种】中文【中图分类】U463.821 前言白车身结构性能是轿车整车性能的重要载体。
在车辆概念设计[1]中，在满足主要部件的空间布置前提下，综合车身各方面结构性能对车身进行拓扑优化，找到最有效的载荷传递路径，将会大大提高车身结构性能和结构效率，实现降低成本、提高性能的目的。
2 优化过程2.1 拓扑优化空间为了找到最有效的载荷传递路径，应该最大化地拓展车身设计空间。
在整车所占据的三维体积中，扣除主要部件（动力总成、底盘悬架、轮胎包络、乘客舱和行李舱等）所占据的部分，剩余的就是留给车身拓扑优化的设计空间。
用三维实体单元对该空间进行填充，为了方便优化过程控制，分为若干区域并分别赋予不同的属性，再施加约束和载荷，建立拓扑优化的有限元模型，如图1所示。
图1 拓扑优化模型2.2 工况组合为了提高车身结构的综合性能，拓扑优化要充分考虑结构刚度、NVH性能、结构耐撞性等因素。
其中体现结构耐撞性指标的若干工况均属于结构非线性大变形，目前拓扑优化与有限元方法相结合的工具还无法直接实现，必须将这类非线性工况等效为线性工况才能与结构刚度、NVH性能等工况整合在同一拓扑优化过程中。
通过线性等效方法，结构刚度、模态、碰撞等不同类型的工况同时被加权到一个目标函数中，从而使多方面的性能均被兼顾。
石朝亮_基于HyperWorks白车身灵敏度分析及结构优化
式中，X=x1，x2，...，xn 是设计变量， f ( X ) 是目标函数， g ( X ) 是不等式约束函数， h( X ) 是等式约束函数，上角标 L 指 Lower Limit，即下限，上角标 U 指 Upper Limit，即上限。
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Altair 2012 HyperWorks 技术大会论文集
2 优化分析理论
灵敏度分析与计算是结构优化设计中时常面临的问题。灵敏度作为导数信息,反映出结构 设计变量或参数的改变对目标或约束函数的影响程度,利用它可以确定最优解的搜索方向,建立 近似方程或构造优化迭代计算公式以及进行结构设计修改。 对于有限元方程 两边对设计变量 X 求偏导数：
5 结论
（1）通过优化，实现材料在车身上的重新分布，在扭转刚度和一阶扭转模态略有提高的 情况下白车身实现减重 5.8kg； （2）结构优化设计可以为设计人员提供全新的设计和最优的材料分布方案，尤其在设计 早期，可以得到更好的设计基础和更短的设计周期； （3）通过灵敏度分析，可以避免结构修改的盲目性，找出对结构性能影响较大的结构参 数作为优化的设计变量，对应提高结构性能具有十分重要的意义。 （4）有限元方法在结构设计方面占有很重要的位置，并应该贯穿整个设计和制造的全过 程，将有限元方法应用于汽车白车身开发是缩短新型车开发周期、降低产品成本、提高汽车品 质的必由之路。
KU P
式中，K 是刚度矩阵；U 是单元节点位移矢量；P 是单元节点载荷矢量。
K U P U K X X X
则
U P K U K 1 X X X
一般，结构相应（如约束函数 g）可以描述为位移矢量 U 的函数：
g QTU
关于白车身强度分析及优化设计
关于白车身强度分析及优化设计摘要：先谈一谈车身强度分析的方法，而后提出基于强度要求的白车身设计方法，指出当悬架、副车架安装位置不同时，强度设计要点与方法有所不同，最后提出白车身强度优化技巧。
关键词：汽车；强度；应力；设计对于汽车来说，车身强度可以直接影响和决定汽车的结构强度，若车身强度不够，则容易导致汽车的整体结构受到影响。
在汽车行驶过程中，车身结构需要承受不同的荷载，且不能出现裂纹、塑性变形、损坏的问题。
如果在设计过程中存在车身强度不足的问题，则汽车行驶过程中较容易出现塑性变形，汽车的行驶安全与使用寿命随之受到影响。
也正是因为如此，在汽车设计中，必须高度重视车身强度分析及优化设计，充分确保汽车车身的强度。
本文较系统的探究了白车身强度及优化设计，现作如下的论述。
一、车身强度分析的方法车身强度分析十分重要和必要，必须始终视为车身结构优化设计的重点。
汽车的白车身可以承载多种工况下的整车重力与加速度，主要有右转、静止起步、垂直冲击、制动、左转。
在行驶过程中，各个零部件因为受力和大小的不同，为避免出现车身结构开裂、变形等风险，在早期的设计过程中便需要确保每一个零部件有足够的强度。
就车身强度分析的目的来说，最根本的目的是精准评估每白车身每一个零部件的运行情况，确保在各种工况下均可以安全平稳的运行。
若是评估结果低于零部件本身的强度，则表明车身强度不足，必须进行针对性的加强处理[1]。
目前来看，在车身强度分析中，主要是分析五种工况下车身零部件的受力大小，包括静止起步、垂直冲击、右转、制动、左转。
车身强度分析时，可以在ADAMS（机械系统动力学自动分析）里面计算并提取相关信息，关键信息是不同工况下前后悬架与减震器连接点的荷载。
考虑到重力场的作用，对轮心做好约束，并且要释放约束惯性。
在判断与分析白车身强度结果时，有最为基本和重要的一条准则，即白车身的最大应力不能超过其零件的屈服强度。
二、基于强度要求的白车身设计方法在分析白车身强度时，无论是哪一种工况，白车身所受到的力均是由悬架、副车架安装点向周边件传递的，所以悬架、副车架的安装部位受力最大，这一种力可以朝着焊接点向周边的零部件传递。
新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究
新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究摘要随着科学技术的不断进步，新能源汽车凭借高能效、低污染的优势成为汽车行业发展的新潮流。
但是很多新能源汽车只更换了动力系统，却依旧沿用传统汽车的车身结构，然而使用电动机替换发动机且增加蓄电池的使用就一定会导致车身载荷发生变化，从而使得新能源汽车和传统汽车在结构设计上有很大不同，这就要求必须要改变车身结构设计。
此外，新能源汽车的动力系统被大大简化，这也为车身结构轻量化提供了更大的可能。
所以，加强新能源汽车白车身结构和尺寸优化成为汽车行业的重要研究方向，而结构拓扑技术成为实现上述设想的重要技术。
关键词新能源汽车；结构拓扑；尺寸优化随着社会经济的快速发展，汽车数量在迅速增加，由燃油汽车造成的环境问题和能源问题成为人们面临的重要问题。
作为一种新型的绿色交通工具，新能源汽车凭借其能效高、噪音低、污染少等优势成为世界各国关注的热点。
当前阶段，对整车结构的拓扑优化相关研究较少，应用于新能源汽车整个车身设计的研究成果更是缺乏。
在汽车整车概念设计过程中，如果能够依据新能源汽车的特征有针对性的对白车身结构进行设计，就能够在很大程度上提升材料利用率，更好地实现轻量化设计。
1 结构拓扑优化方法随着学者们的不但探究，现在的拓扑优化技术已经日渐成熟，结构拓扑优化方法主要包括均匀化方法、水平集法及变密度法等，且从这些方法中又演变出很多新形式。
1.1 均匀化方法在连续体结构拓扑优化的众多方法中，均匀化方法是使用最广泛的方法，这种方法的基本思想是把拓扑结构材料划分成众多单胞微结构，确保单胞的尺寸、形状参数和材料的弹性模型密度呈现出线性关系，这样单胞尺寸的变化就决定了微结构的有无。
通过对形状参数的优化，可以影响设计区域的密度分布情况，从而最大程度提升结构拓扑优化和尺寸优化的性能。
对均匀化方法的研究成果主要分为理论研究、实际应用两个方面，其中理论研究更多在微结构模型中应用，而实际应用更多的应用在均匀化模型中[1]。
基于整体拓扑优化的白车身轻量化设计
基于整体拓扑优化的白车身轻量化设计杨蔚;胡朝辉;陈涛【摘要】传统拓扑优化技术主要集中在单个零部件的减重孔位置以及大小进行优化设计,而忽略整体车身结构的空间优化.本研究针对某微车,在概念设计阶段,通过采用整体拓扑优化技术,着眼整体空间结构,以车身弯曲刚度和扭转刚度作为优化目标,对整体车身结构进行优化设计,得到最优的车身承载骨架,实现整体车身结构的空间布局优化,从而为车身详细设计阶段的轻量化设计提供指导.【期刊名称】《汽车科技》【年(卷),期】2012(000)006【总页数】9页(P31-39)【关键词】轻量化设计;拓扑优化;白车身;刚度【作者】杨蔚;胡朝辉;陈涛【作者单位】上汽通用五菱汽车股份有限公司,上海545000;上汽通用五菱汽车股份有限公司,上海545000;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室湖南410012;湖南大学汽车车身先进设计制造国家重点实验室湖南410012【正文语种】中文【中图分类】U464.82随着汽车工业的发展，汽车在给人们带来方便与舒适的同时，也带来了环境污染与能源短缺等一系列的问题。
人们逐渐认识到如果需要发展汽车工业，就必须解决当前面临的这些问题。
因此，节能减排就成为了汽车工业发展的核心与热点问题。
研究表明，汽车油耗与汽车质量成正比，减少汽车质量可以有效的减少能源消耗与尾气排放［1］。
其中，车身是汽车三大总成之一，占汽车总重量的40%左右，车身轻量化对于整车的轻量化起着重要的作用。
因此，车身的轻量化研究成为了国内外汽车行业的热点研究课题之一。
近20年来，随着计算机软硬件技术和有限元法的发展，拓扑优化技术得到飞速的发展，成为了解决复杂工程问题的关键方法，在航天航空、船舶制造、汽车工业以及建筑等领域都得到广泛的应用，从而避免了传统的依靠经验或试验的优化方法的盲目性。
通过拓扑优化技术，企业能够缩短新产品开发周期，减少开发成本，提高产品性能，从而提高产品的市场竞争力。
基于侧面碰撞的白车身设计
摘要：汽车碰撞安全是汽车性能开发的重要内容。
针对侧面碰撞，车体耐撞性尤为重要。
白车身是侧面耐撞性的主要贡献者，本论文从理论及对比分析，依据侧面刚度分配、B柱截面、B柱结构方面定性说明相关设计。
关键词：碰撞安全；白车身；侧面刚度分配；B柱截面；B柱结构；车门防撞杆1、前言随着侧面碰撞法规及要求，从汽车侧面结构及力学性能提出要求，尽量降低侧面碰撞事故中伤害乘员的风险。
车身结构设计中主要依据侧面刚度分配、B柱截面的优化设计、B柱结构的取优设计等方面定性设计侧面白车身结构。
2、白车身侧面刚度分配设计2.1 总体描述在侧碰中，头部、颈部、胸部、脊椎、腹部、骨盆、下肢的伤害是人体受到的普遍的伤害部位，受伤的原因在于碰撞中车门、B柱的侵入（变形）和冲击（速度），与人体相接触部位产生了生物力学响应。
因此通过合理分配B柱、车门、的刚度，限制车身侧面部件在碰撞的变形和速度，从而降低人体伤害。
2.2 设计方法设计要点：分配车身侧面刚度首先要明白人身的伤害是由哪一部分结构造成的，然后通过调整各部分结构刚度来降低伤害。
通过对参考文献1[1]的总结得出，胸部肋骨的伤害与车身B柱刚度直接相关；腹部和骨盆受力与车门刚度直接相关；门槛地板等部件的刚度增加使腹部和骨盆的受力增加，但影响不大，而与胸部肋骨的伤害无关。
2.3 设计参考2.3.1 人体胸部肋骨变形量RDC与B柱刚度的关系，随着B柱刚度的增加，胸部肋骨的变形量呈递减趋势，且峰值时刻延迟，因此B柱刚度在一定范围内增加可以减小对人体肋骨的伤害。
2.3.2 人体胸部VC值与B柱刚度的关系，通过对参考文献2[2]的总结得出：1、B柱的刚度变化对人体胸部VC值影响最大，这与B柱的侵入速度有关；2、B柱的刚度变化对人体胸部肋骨变形量RDC值影响较大，这与B柱的变形形状有关。
3、B柱的刚度变化对人体腹部力（APF）的影响一般，腹部力对B柱的刚度变化不敏感。
4、B柱的刚度变化对人体骨盆力PSPF的影响较小。
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优化后：为实现轻量化，料厚改为2.2mm； 为满足性能要求，通过对实心铝合金梁拓扑优化为图二中的截面。
总结：在保证刚强度、安全性能要求的情况下，减重2.29Kg。
工程解读后 的优化方案
C C
白车身架构拓扑优化
一：下车身骨架结构拓扑优化（4）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSOLID 约 束: 最大位移、最大应力 设计目标：体积最小
总结：在保证刚强度、安全性能要求的情况下，减重8.16Kg。
工程解读后 的优化方案
B B
C-C
白车身架构拓扑优化
一：下车身骨架结构拓扑优化（3）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSOLID 约 束: 最大位移、最大应力 设计目标：体积最小
拓扑优化
图一
图二
优化前：右下图中深颜色下车身骨架，材料为铝合金，料厚为3mm，截面如图一所示。
D-D
拓扑优化
图一
图二
优化前：右下图中深颜色下车身骨架，材料为铝合金，外框料厚为6.0mm，内加强筋料厚 为3.0mm，截面如图一所示。
优化后：为实现轻量化，外框料厚为3.5mm，加强内板料厚为2.0mm； 为满足整车碰撞安全性能要求，通过对铝合金梁拓扑优化为图二中的截面。
总结：在保证刚强度、 安全性能要求的情况下，减重26.59Kg。
二：支架结构拓扑优化（2）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSHELL 约 束: 模态、最大应力 设计目标：体积最小
拓扑优化
工程解读后
支架2
基于轻量化需求，在达到模态、强度要求的前提下，对支架结 构进行拓扑优化，减重0.65Kg。
轻量化虚拟验证_正面刚性墙碰撞分析
能量稳定，沙漏能小于5%，模型合理。
一：下车身骨架结构拓扑优化（2）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSOLID 约 束: 最大位移、最大应力 设计目标：体积最小
拓扑优化
B-B
图一
图二
优化前：右下图中深颜色下车身骨架为铝合金材料，料厚为8.0mm，截面如 图一所示。 优化后：为实现轻量化，料厚改为6.0mm；
为满足性能要求，通过对实心铝合金梁拓扑优化为图二中的截面。
工程解读后 的优化方案
D D
白车身架构拓扑优化
二：支架结构拓扑优化（1）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSHELL 约 束: 模态、最大应力 设计目标：体积最小
拓扑优化
支架1 基于轻量化需求，在达到模态、强度要求的前提下，对支架结 构进行拓扑优化，减重0.7Kg。
工程解读后 的优化方案
白车身架构拓扑优化
A-A
拓扑优化
图一
图二
优化前：右下图中深颜色下车身骨架为铝合金材料，料厚为6.0mm，截面如 图一所示。 优化后：为实现轻量化，料厚减为为3.0mm；
为满足性能要求，通过对实心铝合金梁拓扑优化为图 二中的截面。
总结：在保证刚强度、安全性能要求的情况下，减重9.53Kg。
工程解读后
AA A
白车身架构拓扑优化
轻量化虚拟验证_正面刚性墙碰撞分析
B柱下方加速度
轻量化方案左侧加速度峰值为31.9 g（原方案为31.5 g），右侧 B柱加速度峰值为33.3 （原方案为33.2 g）g，均小于目标值40g， 满足分析要求。
轻量化虚拟验证_正面刚性墙碰撞分析
测量点
最大侵入量[mm] 目标值 原方案 轻量化方案
P1(前围板)
150
2.0
2.1
轻量化方案各测点侵入量，较原 方案略大，但满足目标值要求。
轻量化虚拟验证_正面刚性墙碰撞分析
动态最大值变形云图
轻量化方案前围板的最大侵入量为6.7mm，略大于原方案的 6.4mm，但满足目标值180mm的要求。
轻量化虚拟验证_正面刚性墙碰撞分析
Y1
A1
S
测量点
A1（A柱侵入量） Y1（IP横梁中点后移量） SX(转向管柱后移量) SZ(转向管柱上移量)
汽车轻量化的优势
=
绿色、环境友好型趋势
在保证整车性能并且不改变整体布局的的情况下，通过修改车身骨架材料、料厚、截面类型、 结构特征等，使其结构更合理化、性能化，以此实现材料消耗最少，从而达到轻量化的目的。
其中结构的特征、截面形状的修改，可以采用拓扑优化的方法，在适当的约束条件下，通过 拓扑优化计算，使材料在设计空间领域得到最优分布和形状，有针对性地进行具体结构设计，结 合产品设计经验，设计出满足性能要求和工艺要求的产品。通过拓扑优化，尤其是在我们新材料 领域，可以极大地提高材料利用率，缩短研发周期，同时达到较好的轻量化效果。
分析报告
报告编号:
报告状态（初版/过程/最终）:
发布日期:2016.9.10
项目代码: 分析名称: 前版报告编号：
CAD版本 :
基于碰撞安全的白车身架构拓扑优化
无
分析软件:
OPTISTRUCT
参考标准： 标准
总结:
结论：
基于整车安全性能要求的前提下，通过对白车身 骨架、支架进行拓扑优化，减轻重量，实现轻量碰目标要求，保证了安全性能，同时大大降低了整车 成本，节约了资源。
轻量化方案较原方案总共减重47.92 kg， 碰撞过程能量平稳，沙漏能小于5%，模型 合理；
各测点侵入量均满足目标值；
左侧B柱加速度峰值为31.9g，右侧B柱加 速度峰值为33.3g，均小于目标值40g，满 足分析要求。
综上，轻量化方案满足正面100%碰撞性 能。
编制:
校对:
批准:
白车身架构拓扑优化
最大侵入量[mm]
目标值 30
原方案
轻量化方 案
7.2
7.5
40
0.3
0
81
13.5 14.0
65
4.1
4.4
轻量化方案的A柱侵入量，仪表板横梁中点 后移量，转向管柱后移量和上移量均略大于原 方案，但满足目标值要求。
项目基于轻量化需求，采用拓扑优化的方法，通过修改下车身骨架结构和关键支架结构的形 状，在满足整车安全性能要求的同时，实现了白车身的轻量化设计。具体的优化方案见下。
白车身架构拓扑优化
一：下车身骨架结构拓扑优化（1）
基于密度的拓扑优化边界条件 设计变量：PSOLID 约 束: 最大位移、最大应力 设计目标：体积最小
120
5.0
5.7
P2(前围板)
120
4.1
4.4
P3(前围板)
180
2.9
3.0
P4(前围板)
120
4.2
4.6
P5(前围板)
120
4.0
4.1
P6(前围板)
180
2.0
2.2
P7(前围板搁脚处)
120
1.0
1.0
P8(前围板搁脚处)
120
0.9
1.0
P9(中央通道上方)
150
3.4
3.7
P10(中央通道 )