車身頂蓋橫梁的輕量化結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化

馮港，楊記，劉晨山，石磊，寧開明

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

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車身頂蓋橫梁的輕量化結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化

馮港1,2，楊記1,2，劉晨山1,2，石磊1,2，寧開明1,2

(1.長城汽車股份有限公司技術(shù)中心，河北保定 071000；2.河北省汽車工程技術(shù)研究中心，河北保定 071000)

為了實現(xiàn)汽車車身結(jié)構(gòu)的輕量化，針對國內(nèi)某款SUV車身頂蓋橫梁，設計了幾何圖形排列鏤空結(jié)構(gòu)橫梁。利用OptiStruct拓撲優(yōu)化確定頂蓋橫梁鏤空的位置；基于ANSA軟件的 MORPH模塊，對頂蓋橫梁的鏤空結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化；并對比分析了原設計橫梁和鏤空結(jié)構(gòu)橫梁的白車身剛度、模態(tài)性能。結(jié)果表明：這種幾何圖形排列鏤空結(jié)構(gòu)的設計和工藝是可行的，其性能十分接近于原設計件，并且與原設計零件相比質(zhì)量降低了8.6%。

頂蓋橫梁；輕量化；鏤空設計；結(jié)構(gòu)優(yōu)化

0 引言

近年來，我國的汽車工業(yè)進入快速發(fā)展期，成為國內(nèi)發(fā)展最快的行業(yè)之一，也是世界汽車行業(yè)發(fā)展最快的地區(qū)之一。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計：2013年，汽車產(chǎn)銷刷新世界紀錄，產(chǎn)量達到2 211.68萬輛，同比增長14.76%，銷量達到2 198.41萬輛,同比增長13.87%；2014年，我國累計生產(chǎn)汽車2 372.28萬輛,同比增長7.3%，銷量2 349.19萬輛,同比增長6.9%，產(chǎn)銷量保持世界第一。

汽車在給人們帶來便利的同時，也帶來了交通擁擠、環(huán)境污染、溫室效應等諸多問題。為保證汽車工業(yè)的健康發(fā)展，國家針對汽車工業(yè)發(fā)展帶來的問題，制定了相應的法規(guī)，包括油耗法規(guī)、排放法規(guī)以及正碰和側(cè)碰的安全法規(guī)。

出于節(jié)能環(huán)保和降低成本的需要，汽車輕量化成為汽車業(yè)發(fā)展的重要課題。在國際上，歷史悠久的汽車企業(yè)的輕量化技術(shù)早已經(jīng)投入研究，現(xiàn)在處于領先地位。我國的市場開放以來，為使汽車工業(yè)快速發(fā)展，國家的政策放寬和汽車企業(yè)急于做大做強，節(jié)能環(huán)保不是我國汽車企業(yè)的突出問題，降低成本也有著傳統(tǒng)方法，致使我國汽車企業(yè)的輕量化技術(shù)發(fā)展緩慢。但隨著我國經(jīng)濟的高速發(fā)展、人民生活水平的提高，環(huán)境污染問題日益得到了重視。2015年國家制定了更加嚴格的環(huán)保法規(guī)和相關考核政策，這將要求汽車企業(yè)制造更為節(jié)能環(huán)保的汽車，也成為汽車企業(yè)當前面臨的首要問題。

當前，我國汽車輕量化措施主要有新材料的應用、新工藝的應用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化，有許多方法是先根據(jù)工程師的經(jīng)驗提出輕量化方案，再進行相關的實驗驗證或CAE分析驗證。但是這種思路會造成輕量化方案的不確定性，只能靠經(jīng)驗來提出，缺少數(shù)據(jù)分析的目標性、準確性，而致使后期的驗證分析不斷地被重復，效率低下。整個思路和方法最終將會使綜合的輕量化效果低，造成汽車性能提升空間的巨大浪費。

文中的汽車頂蓋橫梁鏤空輕量化結(jié)構(gòu)設計，將結(jié)合CAE軟件的分析提出輕量化方案，確保其目標性和準確性，然后通過CAE軟件對方案進行優(yōu)化，找出最優(yōu)化方案，最后進行驗證，給予方案數(shù)據(jù)支持，增加方案的精確性和說服力。

1 鏤空結(jié)構(gòu)設計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

鏤空是一種雕刻技術(shù)，其中“鏤”字就是雕刻的意思，這個詞本意是指在物體上雕刻出穿透物體的花紋或文字。在當代，鏤空技術(shù)正在被更加廣泛地運用，例如建筑上的大型鏤空浮雕，服裝上的鏤空刺繡品，制造上的鏤空手表主夾板、鏤空金屬造型的器皿，汽車生產(chǎn)上的鏤空支架、鏤空腳踏板、鏤空式輕量化方向盤等。

汽車的輕量化，簡單地說就是在保證汽車的剛度和安全等性能的前提下，盡可能地降低汽車的整備質(zhì)量，從而提高汽車的動力性、減少燃料消耗、降低排氣污染。世界鋁業(yè)協(xié)會提出的報告指出：汽車質(zhì)量每減少10%，可降低6%～8%的油耗。

文中的頂蓋橫梁鏤空結(jié)構(gòu)設計就是基于這種鏤空技術(shù), 將頂蓋橫梁“雕飾”出穿透橫梁的幾何樣式的孔,實現(xiàn)汽車輕量化的目的。

頂蓋橫梁位于頂蓋下側(cè)，用于支撐頂蓋。文中所提到的頂蓋橫梁是指頂蓋前橫梁和中橫梁4個零件。圖1為一種SUV頂蓋橫梁的原結(jié)構(gòu)設計。

1.1 鏤空結(jié)構(gòu)設計與優(yōu)化的分析流程

鏤空結(jié)構(gòu)設計應滿足性能需要，再達到減重效果。對鏤空結(jié)構(gòu)設計的優(yōu)化是基于CAE前處理軟件ANSA，設定MORPH變量，進行試驗設計(DOE)輸出計算，從而得到結(jié)構(gòu)優(yōu)化結(jié)果。其分析流程如圖2所示。

1.2 材料和制造工藝的選擇

按照文中現(xiàn)設計頂蓋橫梁的鏤空思路，是在原設計頂蓋橫梁的結(jié)構(gòu)基礎上進行結(jié)構(gòu)鏤空的再設計。為了體現(xiàn)此次設計的優(yōu)點和保證其與原設計頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)相關性能對比的嚴謹性，現(xiàn)設計頂蓋橫梁的材料將繼續(xù)沿用原設計方案的材料，制造工藝也將繼續(xù)選擇沖壓工藝。

1.3 確定鏤空的位置區(qū)域和現(xiàn)設計的連接方式

原設計頂蓋橫梁鏤空位置的確定需要專業(yè)軟件來輔助完成，而僅憑工程師的經(jīng)驗確定位置區(qū)域不夠精確。

應用OptiStruct軟件對原車型白車身進行彎曲、扭轉(zhuǎn)、模態(tài)的拓撲優(yōu)化，確定原設計頂蓋橫梁的關鍵區(qū)域，分析結(jié)果如圖3所示。在盡可能保證白車身的剛度、模態(tài)不降低的情況下，綜合對比后，確定鏤空的位置區(qū)域是位于原設計頂蓋橫梁上的中間部位，經(jīng)過結(jié)構(gòu)再設計就會形成現(xiàn)設計頂蓋橫梁。

根據(jù)此次確定的鏤空位置區(qū)域，現(xiàn)設計的頂蓋橫梁兩側(cè)的結(jié)構(gòu)將不會變動，其連接的方式和位置將保持不變，與原設計相同。現(xiàn)設計頂蓋橫梁中間部位的鏤空設計也將會保證原設計頂蓋橫梁上的結(jié)構(gòu)膠正常連接。

圖3 車型頂蓋橫梁原設計的拓撲圖

1.4 頂蓋橫梁的現(xiàn)結(jié)構(gòu)設計

參照拓撲結(jié)果，對原設計頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)的中間位置區(qū)域進行鏤空輕量化設計。為了保證現(xiàn)設計頂蓋橫梁的相關性能接近原設計，進而達到最優(yōu)的輕量化效果，現(xiàn)設計的頂蓋橫梁中部輕量化結(jié)構(gòu)是由近似等邊三角形的幾何圖形排列構(gòu)成的。為提高現(xiàn)設計的頂蓋橫梁沖壓成形的可行性，對三角形內(nèi)角進行補充設計，得到如圖4所示的結(jié)構(gòu)。

圖4 車型頂蓋橫梁現(xiàn)設計的鏤空輕量化結(jié)構(gòu)

1.5 MORPH BOX變體的原理

模型變體研究始于幾何領域，根據(jù)原理可以分為變分能量的變體和嵌入空間的變體兩種方法，又分別簡稱能量變體方法和空間變體方法。

現(xiàn)設計頂蓋橫梁的參數(shù)化模型變體是采用了ANSA前處理軟件的MORPH BOX來完成的，結(jié)果如圖5、圖6所示，其模型變體的原理為嵌入空間的變體方法。嵌入空間的變體方法[1]多用于復雜模型的整體控制。通過將原始網(wǎng)格模型嵌入控制體網(wǎng)格內(nèi)，根據(jù)一定的插值形函數(shù)，改變控制頂點位置，重建內(nèi)嵌于變形控制體網(wǎng)格的模型，見式(1)：

(1)

其中：(u1，u2，u3)是網(wǎng)格模型頂點p在控制體內(nèi)的局部坐標；l、m、n分別表示3個方向上的控制體頂點數(shù)目；cijk是控制點在整個模型的空間坐標位置；Ni(u1)、Nj(u2)、Nk(u3)分別是沿3個方向的插值形函數(shù)。變形量可以表示為式(2)：

(2)

圖5 頂蓋橫梁MORPH BOX設置圖

圖6 頂蓋橫梁參數(shù)化變體變量示意圖(全局變化亦同此示意圖)

1.6 現(xiàn)設計頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化

現(xiàn)設計頂蓋橫梁是在模型變體的變量設定后，再通過DOE方法進行變量抽樣計算來實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而完成鏤空結(jié)構(gòu)不同形狀尺寸的需求。

DOE，即試驗設計，通過合理分布試驗樣本，經(jīng)過較少次數(shù)抽樣試驗計算，找到最優(yōu)組合樣本方案。

DOE的分析流程[2]一般分為5個步驟：第1步，確定仿真實驗研究目的；第2步，選擇合適的系統(tǒng)因子和響應量作為研究對象；第3步，確定各因子取值范圍；第4步，計算、記錄各計算條件下因子組合的系統(tǒng)響應；第5步，根據(jù)需求分析對比，找出最優(yōu)組合方案。

DOE方法可分為經(jīng)典設計、最優(yōu)設計、空間填充設計[3]。文中現(xiàn)設計的頂蓋橫梁鏤空結(jié)構(gòu)采用DOE空間填充設計的拉丁超立方體抽樣方法進行優(yōu)化。

空間填充設計[3]的原則是試驗樣本在試驗空間中均勻分布。不同于最優(yōu)設計的有目的最優(yōu)化某個統(tǒng)計學參數(shù)，空間填充設計是在試驗次數(shù)和建?？煽啃灾g求得平衡，理論上效果低于最優(yōu)化設計，但空間填充設計卻有著不需事先選擇模型和不需對系統(tǒng)有所了解就可以設計試驗的優(yōu)點?？臻g填充設計在試驗空間的網(wǎng)格劃分方式上有拉丁超立方體和Lattice這兩種常見方法。

拉丁超立方體抽樣方法[4]的工作原理：

(1)定義參與計算機運行的抽樣數(shù)目N；

(3) 對每一列僅抽取一個樣本，各列中樣本的位置是隨機的。

拉丁超立方抽樣方法最大的優(yōu)勢就在于任何大小的抽樣數(shù)目都能容易地產(chǎn)生。

在頂蓋橫梁鏤空結(jié)構(gòu)設計完成后，為進一步得到最優(yōu)的輕量化效果，又通過有限元軟件MORPH模塊對現(xiàn)設計的頂蓋橫梁進行參數(shù)化變量設定、Task Manager設置，共計81個變體變量樣本；然后采用拉丁超立方體抽樣方法抽取了240組變量樣本進行DOE計算，來實現(xiàn)現(xiàn)設計頂蓋橫梁的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)果如圖7所示。

圖7 拉丁超立方體樣本抽樣局部圖

2 頂蓋橫梁相應白車身性能的對比分析

為了校核鏤空結(jié)構(gòu)設計頂蓋橫梁局部、整體結(jié)構(gòu)以及頂蓋橫梁的整體剛度性能指標，對現(xiàn)設計和原設計頂蓋橫梁的白車身剛度、模態(tài)進行了對比分析。

2.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化前現(xiàn)設計與原設計頂蓋橫梁的性能對比分析

結(jié)合有限元方法對結(jié)構(gòu)優(yōu)化前的現(xiàn)設計和原設計頂蓋橫梁的白車身進行彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度計算，對比分析計算結(jié)果。從表1、表2可以看出：結(jié)構(gòu)優(yōu)化前現(xiàn)設計與原設計頂蓋橫梁的白車身剛度、模態(tài)的數(shù)值幾乎相同，這在一定程度上說明了現(xiàn)設計頂蓋橫梁的相關性能很接近原設計頂蓋橫梁的相關性能，且在輕量化上優(yōu)于原設計。

表1 頂蓋橫梁兩種結(jié)構(gòu)的白車身剛度對比分析結(jié)果

表2 頂蓋橫梁兩種結(jié)構(gòu)的白車身模態(tài)對比分析結(jié)果

2.2 結(jié)構(gòu)優(yōu)化后現(xiàn)設計與原設計的頂蓋橫梁性能對比分析

通過DOE拉丁超立方抽取240組變量樣本，進行實驗設計計算來實現(xiàn)頂蓋橫梁鏤空位置的結(jié)構(gòu)優(yōu)化。在計算輸出了240組結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算結(jié)果后，對這240組結(jié)構(gòu)優(yōu)化的計算結(jié)果的文件進行剛度、模態(tài)批處理工況設定與計算后，得到了扭轉(zhuǎn)、彎曲剛度、模態(tài)數(shù)值，然后結(jié)合各組對應優(yōu)化后頂蓋橫梁的質(zhì)量進行綜合對比，取出里面最優(yōu)的5組結(jié)構(gòu)優(yōu)化樣本數(shù)值，整理成表3，進行進一步的比較、篩選。

表3 原設計、現(xiàn)設計及結(jié)構(gòu)優(yōu)化后現(xiàn)設計頂蓋橫梁的白車身剛度、模態(tài)對比分析結(jié)果

綜合對比這5組最優(yōu)樣本數(shù)值，選擇更加符合白車身性能需求的第108組結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的結(jié)果如圖8所示。

圖8 最優(yōu)化現(xiàn)設計頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)鏤空圖

2.3 鏤空結(jié)構(gòu)設計另一種優(yōu)化方法的討論

在上述方法之后，提出另一種零件輕量化解決方法，若直接通過CAE軟件在剛度、模態(tài)工況的基礎上進行頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化，來形成輕量化方案，這種方法效率將會進一步提高，但最后是否可以得到需要的結(jié)構(gòu)或者是更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，且這種結(jié)構(gòu)是否有著更高的性能表現(xiàn)，這需要更多的討論和更多的實例來分析驗證。

3 結(jié)論

(1)提出一種幾何三角圖形排列的鏤空結(jié)構(gòu)，用于某種SUV車型的頂蓋橫梁上。它具有減輕質(zhì)量、穩(wěn)定性能的作用，實現(xiàn)了頂蓋橫梁輕量化設計。

(2)為了實際工程應用，基于MORPH和拉丁超立方體抽樣算法，提出了一種零件輕量化結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計流程。

(3)通過實際工程設計，在保證頂蓋橫梁結(jié)構(gòu)性能的前提下，實現(xiàn)減質(zhì)量8.6%。

【1】楊磊，李寶軍，胡平.網(wǎng)格變體方法的工程應用與進展綜述[C]//中國計算力學大會暨錢令希計算力學獎頒獎大會論文集，2014.

【2】陳立平，張云清.機械系統(tǒng)動力學分析及ADAMS應用教程[M].北京：清華大學出版社，2005.

【3】王建東，姜淑君，董輝.基于DOE實驗設計方法的某六缸柴油機國V性能開發(fā)[J].內(nèi)燃機與動力裝置，2014,31(4)：21-25.

WANG J D，JIANG S J,DONG H.The Performance Development of a EURO V Six-cylinder Engine Based on DOE Theory[J].Internal Combustion Engine & Power Plant,2014,31(4)：21-25.

【4】何為，薛衛(wèi)東，唐斌.優(yōu)化實驗設計方法及數(shù)據(jù)分析[M].北京:化學工業(yè)出版社，2012.

Light-weight Structure Design and Optimization for Roof Cross Beam in Car Body

FENG Gang1,2，YANG Ji1,2，LIU Chenshan1,2，SHI Lei1,2，NING Kaiming1,2

(1.R & D Center of Great Wall Motor Company, Baoding Hebei 071000,China;2.Hebei Province Automotive Engineering Technical Center, Baoding Hebei 071000,China)

To reduce the weight of body structure, a hollowing-out structure layout of roof cross beam for a SUV was proposed. Topology optimization by using OptiStruct tool was used to identify the best location of hollowing-out structure, and then MORPH-based optimization method was adopted to optimize the hollowing-out design. And finally, body attributes such as stiffness, normal model were compared for initial design and hollowing-out design. The results show that the proposed hollowing-out design is feasible in real-world application and can achieve 8.6% weight reduction while maintaining the initial vehicle attributes.

Roof cross beam;Light-weight; Hollow out design; Structure optimization

2016-05-22

馮港(1991—)，男，學士，助理工程師，研究方向為汽車輕量化。E-mail：1292014180@qq.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2016.09.009

TH122

A

1674-1986(2016)09-041-05