基于拓扑优化的车身结构研究

基于拓扑优化的车身结构研究
瞿元王洪斌张林波吴沈荣
奇瑞汽车股份有限公司，安徽芜湖，241009
摘要：随着CAE技术的发展，虚拟仿真技术在汽车开发中的作用也愈来愈显著。

而前期工程阶段，如何布置出合理的车身骨架架构，一直是个相对空白的地带，也是整车正向开发过程中绕不过的坎。

尽管研发工程师根据经验，参照现有车型的结构特点，也能进行车身骨架架构的设定，但总是缺乏有效手段直观地反映不同车型结构布置的特点。

本文用拓扑优化的方法，从结构基本特征的角度来审视这一问题，并运用该方法对某SUV车身结构进行研究，获得一些直观性的结论。

关键词：车身,前期工程,拓扑优化
1、引言
随着对整车研发过程认识的加深，以及对正向开发过程的探索，在车型开发前期，对车身结构做出更合理的规划显得愈来愈重要。

常规的研发思路之一是通过参考已有车型的结构，经过适当的修改，形成新的结构，并用于新车型中。

但是对于原始车型的设计思路、结构布置的原因等缺乏系统的理解，或者理解不深，往往在更改过程中产生新的问题。

为了部分解决上述问题，本文从结构拓扑优化的角度，对某SUV车型车身结构的总体布置进行初步探讨，以期加深对结构布置的理解。

2、研究方法概述
合理化的车身结构，是满足整车基本性能的重要保障。

为了能够实现结构的最优布置，文献[1]使用了拓扑优化工具来布置车身结构。

其基本思路是从造型以及车内空间布置出发，建立车身空间的基础网格模型，然后根据一定的工况要求，对基础网格进行拓扑分析，并根据拓扑结果建立梁、板壳模型，并进行多项性能的优化，从而实现车身结构的正向开发。

本文借助于该思想，建立研究对象的结构空间包络，并对该包络进行拓扑分析，然后将仿真结果与原始结构进行比较，寻找车身结构中的关键点，推测初始结构可能的布置思想，从而加深对该研究思路的理解。

其基本过程如下图所示：
3.2 工况
车身在实际使用过程中承受非常复杂的载荷，这些载荷对车身的影响各不相同，有的影响局部，有的影响整个车身。

在实际研发过程中，不可能对所有可能的工况进行考察，而且，不同的设计阶段，考察的指标也不相同。

在概念设计阶段，更重要的是保证车身的总体结构刚度，避免后期产生较大变更，导致项目延期或者增加较多的开发成本。

本文主要考察某SUV车型结构布置特点，因此，主要考虑NVH以及碰撞两个方面的工况。

其具体考察工况如下表1所示，4个NVH工况，主要考察整体刚度以及前后端的弯曲性能；4个碰撞方面的工况，主要考察车身承受不同方向的撞击。

表1 主要考察工况[1]
对于NVH类的工况，其导致的车身变形都是非常小的，所以，在拓扑优化过程中，不需要考虑结构失效问题。

而Safety工况对车身的影响都是大变形、非线性的，还有接触力存在。

考虑到前后纵梁作为非设计空间，可以看做是刚度很硬的结构，这样对车身其他部位而言，Safety工况的影响将限定在线性范围内。

因此，在进行车身拓扑优化的时候，上述工况均作为小变形来处理。

为了更好地反映不同工况对车身结构布置的影响，对以上8种工况组合成4种研究方案，分别为（1）Safety 工况单独考察；（2）NVH工况单独考察；（3）NVH和Safety同时考察；（4）先Safety工况然后NVH 工况。

如表1所示，8种工况中，每个工况在不同考察方案中的权重比率一致，比如对第一种方案，表1中5-8号工况的权重比例为：15:10:10:5，具体权重根据上述比例分配来设定，其余类同。

3.3 优化目标与约束
对于一个优化问题而言，设计变量、约束与优化目标是其主要元素。

对于本文的优化问题而言，其设计变量为单元密度，约束分别是体积分数和对称约束，而优化的目标为考察工况下车身结构的柔度最小化，其中，体积分数是指剔除初始非设计体积的当前总体积与初始总体积的比值，而对称约束是指相对于车身XZ 平面，车身结构左右对称。

以上优化问题可简化描述成如下形式[2]：
目标：最小化
，i表示设计变量数，j表示考察工况数，
为第j个工况下的柔度，为第j个工况的权重；
约束：体积分数，车身对称约束；
设计变量：，其中表示第i个单元的单元密度。

3.4优化结果与结构分析
为了能够获取上述不同方案下的结构拓扑布置，采用OPTISTRUCT软件对上述结构进行优化计算[3]，并将结果分别与该SUV的结构布置进行比较。

对于车身结构而言，一般可分成前舱、顶盖、地板、侧围、后围等结构部分。

考虑到部分结构模块的复杂性以及碰撞分析的非线性，所以在下面对比过程中，主要考察对象为顶盖、下部车身、侧围、防火墙这四个部分。

3.4.1 顶盖
对于车顶盖结构而言，四种方案中，方案2-4涉及NVH工况，且扭转工况所占比重较大，为了获得较高的抗扭转能力，主要结构成斜网状分布，结果如图4所示。

方案1为安全工况，载荷以纵、横分布为主，所以顶盖材料主要呈横向（Y向）分布，顶部横梁分布于B柱后侧③以及后背门上部②。

方案2为完全NVH 工况，除了前顶横梁①以及后部横梁外②，中间梁均为网状，而前后顶横梁①②对于车身抗扭能力具有重要作用。

方案3中同时考虑了安全性能与NVH要求，前后横梁依然是重要结构，同时在B柱上部后侧同方案1一样，存在一根横向布置梁③。

方案4中，将方案1（安全工况）中的主要横梁设定为非设计空间，然后进行NVH工况优化，从结果看，顶盖材料分布与方案3相近。

从4个方案的结果可以看出，对于车身顶盖而言，前后横梁①②以及B柱上部横梁③对车身主要结构的贡献相对比较大，在结构布置的时候，需要重点关注。

其结果同原结构比较来看，前后横梁相互对应，其他中间横梁对整车刚度的作用比较小，其主要作用表现为对顶盖外钣金的支撑以及抗雪压等。

①前顶横梁；②后顶横梁；③B柱上横梁；
图4 顶盖结构拓扑图
3.4.2 下部车身
下部车身共考察9个部位梁的分布，如下图5所示。

方案1主要体现了①②④⑧⑨五个横梁，横梁⑤⑥较原始结构有偏移，拆分成了3个横梁。

从SUV的地板纵梁布置看，其结构形式明显不同于一般贯通式布置，其纵梁②与整车X向呈一定角度，且中止于前地板中横梁⑤，该纵梁的布置在方案1中得到较显著提示，其拓扑材料的分布与SUV的该纵梁分布相同，同样止于前地板中横梁⑤附近。

后地板前横梁⑦对碰撞安全的影响不明显，拓扑结果中在该位置没有材料布置，而横梁⑧与⑨的作用显著。

方案2中主要考察NVH性能，从结果看，前地板材料以中通道为中心连接梁，呈网状分布，说明该部位的Y向横梁的作用相对弱化，只有如结果所示的布置才能最大化扭转刚度；在后地板部位，横梁⑧⑨位置清晰，其中横梁⑧前部材料呈X状分布，前点部位对应原型结构的横梁⑦，后点部位连接横梁⑧，说明这两个横梁对刚度的贡献比较大，尽管横梁⑦与所给的拓扑材料分布有差别。

该布置方式也符合一般的认知，从车身实际情况看，该部位也是设计重点关注部位之一，车身整体扭转刚度的提升、路试开裂问题的解决，都需要在这里开展更多的工作。

防火墙；②前地板侧纵梁；③前地板；
④前地板前横梁；⑤前地板中横梁；⑥前地板后横梁；
⑦后地板前横梁；⑧后地板中横梁；⑨后地板后横梁；
图5 下部车身结构拓扑图
方案3综合考虑的Safety与NVH工况，从结果可以看出，梁①-⑤、⑧⑨均可以较清晰地体现，梁⑥在方案中有所体现，不过位置较原型结构而言，偏靠前一些。

而梁⑦与纵梁搭接处形成了X型交叉结构，与方案2相同，说明，该处位置主要体现了刚度方面的要求。

对于前排驾乘舱地板部位而言，交叉型的梁布置结构有利于提升整体的扭转刚度，对比到原型结构可以看出，原型结构中前地板纵梁布置不同于一般的垂直布置，呈现一定角度的交错分布结构，同时兼顾了方案1中的前地板纵梁的分布，从拓扑结果来看，该SUV的前地板梁的布置考虑比较综合，兼顾多个性能。

方案4将方案1中部分梁结构设定为非设计空间，然后按照NVH工况进行优化分析。

从结果看，①和⑨是必要的整体结构，②在该方案中也有一定体现，但是梁的长度相对较短，截止于梁④。

方案中梁③较原结构有变化，斜向连接于①④之间。

后地板部位梁的布置同方案2和3，均会形成X结构。

从上述方案来看，SUV的地板结构布置考虑性能比较综合，对于该尺寸的车身结构布置而言，前后纵梁的不贯通设计也符合拓扑结构的布置。

梁④和⑦、⑧是地板横梁中非常重要的结构，梁②-③、⑤-⑥的具体布置，需要根据实际需要，进行适当的调整，保证车身Safety和NVH的性能综合平衡。

3.4.3侧围
对于侧围结构而言，从下图6比较看，4种组合方案对侧围结构的影响主要体现在车身后部三角窗处，方案1（安全工况）的布置与其他三种方案略有差别，材料分布上只有三角窗前、后梁①②以及与轮罩的连接件④。

其他方案中，除了原型中的梁①-④的布置比较清晰，梁③下部的材料也有所布置，从而可以提供
比较好的NVH性能，这在方案1中没有得到反映，说明这些材料分布对NVH性能而言，具有更多正向作用。

三角窗前梁；②三角窗后梁；③三角窗下梁；
④三角窗与轮罩连接件；
图6 侧围结构拓扑图
图1 研究思路
3、某SUV车身结构研究
本文选取的研究对象是某比较受欢迎的城市SUV，通过对其结构的研究，有利于了解其总体结构的布置原理。

本文采用上文提到的方法，对该车型结构进行剖析。

3.1 研究对象及结构包络
图2显示为该SUV车型的结构模型，经过适当处理，产生图3的结构包络模型，可以用该结构包络进行后面的结构拓扑分析。

该结构包络模型完全包含了原结构的布置空间，材料为普通钢材。

考虑到整车在前后碰撞过程中需要纵向刚度比较好，将前后纵梁以及后轮罩直接设定为非设计空间，其余网格均作为设计空间。

图2 某SUV结构有限元模型图3 某SUV结构包络模型
3.4.4 防火墙
对于防火墙结构而言，主要承担碰撞以及扭转载荷。

从图7所示拓扑结果来看，防火墙的材料呈网状分布，其中方案1能比较清晰地看到梁①-③的分布，其他方案中，只有梁②③比较清晰可见。

①防火墙横梁；②纵梁；③流水槽横梁；
图7防火墙结构拓扑图
4、总结
通过材料布置的拓扑分析，可以看出，该SUV车身原结构在布置上比较符合较佳的材料分布。

初步获得下列直观性结论：
（1）对车顶盖结构而言，前后顶部横梁对车身具有比较重要的影响，尤其是后顶部横梁；B柱上部顶横梁对顶部Safety具有重要影响；
（2）对于下部车身而言，除防火墙部位以及后围横梁外，驾乘舱下部的座椅横梁以及后轮罩部位的横梁，无论是Safety工况还是NVH工况，都比较重要；
（3）地板纵梁的布置可以是非贯通式的，其走势上也并非一定要与整车X向一致，可以与门槛梁的走向成一定角度；地板梁一定程度的网状布置，对提升抗扭性能有正向作用；
（4）后侧围三角窗部位结构对安全和NVH都比较重要；
（5）对于防火墙布置而言，网状的结构对NVH性能有正向作用。

本文所述方法在有效性方面还需要更多的研究例证。

而且，对于Safety工况进行了线性化处理，所得结果是否符合碰撞安全的设计理念还需要进一步研究。

5、参考文献
[1] Carl Reed, Application of Optistruct optimization to body in white design, Jaguar Cars Limited, 2002
[2] 周传月等主编，工程有限元与优化分析应用实例教程，科学出版社，2005.6
[3] Altair, HyperMesh User’s Guide, 2009
Body Structure Investigation with Topology Optimization
Qu Yuan Wang Hongbing Zhang Linbo Wu Shenrong
Abstract: With development of CAE technology, virtual simulation becomes more and more important. During the early stage of vehicle design, there is lack of information for how to layout an ideal body framework. To accomplish such a task is also critical for vehicles program development. Although, by experiences, engineers may be able to design body framework based on structure features of existing vehicles, there is lack of effective and intuitive methods to describe the structural characteristics for various vehicles. In this paper, the topology optimization is performed to investigate the body structure of some SUV. The numerical results are compared to the vehicle structure. Certain similar structural features are found.
Key words: Body Early Engineering Topology。