車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法研究*

武敬偉，張光亞，呂俊成，黎 謙

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，柳州 545007）

前言

車內(nèi)空間作為汽車人機工程一個重要性能指標，影響乘坐駕駛、舒適性、安全性和承載能力，對于汽車設(shè)計具有重要意義。車身性能包括結(jié)構(gòu)剛度、模態(tài)和耐久性等，車身性能和車內(nèi)空間實際設(shè)計中往往會發(fā)生一定沖突，傳統(tǒng)設(shè)計很少兼顧考慮。

車身性能約束下的輕量化優(yōu)化設(shè)計研究較多，研究方法和手段比較成熟，國內(nèi)外應(yīng)用多目標優(yōu)化進行車身性能提升和結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化設(shè)計［1-8］，但現(xiàn)有研究很少兼顧車內(nèi)空間，僅基于車身性能進行優(yōu)化。車身總布置則要在有限的車身外形尺寸內(nèi)布置零部件和總成，同時獲得最大室內(nèi)空間，提高產(chǎn)品的市場競爭力［9］。車內(nèi)空間研究一般從人機工程角度進行評價和設(shè)計［10-13］，設(shè)計時很少兼顧車身性能。

上述大多數(shù)研究都是基于車身性能或車內(nèi)空間，沒有進行車身性能和車內(nèi)空間的集成優(yōu)化研究，容易造成一定程度的設(shè)計沖突和反復(fù)，進而影響整車開發(fā)進度。汽車作為車身性能和車內(nèi)空間的物理集成，需兼顧車身性能和車內(nèi)空間兩個方面。

本文中對車身性能與車內(nèi)空間進行了集成優(yōu)化研究，提出一種車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法和開發(fā)流程，并結(jié)合實車測試驗證該設(shè)計方法的有效性。

1 車內(nèi)空間的評價指標

SAE_J1100—2009［14］定義了車內(nèi)空間尺寸，具體包括空間距離尺寸和空間體積尺寸兩種。車內(nèi)空間距離尺寸包括乘員頭部空間、肩部、肘部、腿部等距離尺寸指標，主要用于表征不同位置乘員局部活動范圍，如圖1所示。車內(nèi)空間體積尺寸包括乘用車行李箱容積（luggage capacity-passenger cars，V1）和貨箱容積指數(shù)（cargo volume indices，CVI）等體積尺寸指標。GB/T 19234—2003《乘用車尺寸代碼》［15］基于ISO 4131：1979《道路車輛乘用車尺寸代碼》（英文版）對車內(nèi)空間內(nèi)部尺寸進行了定義。文獻［16］中參考SAE_J1100標準中對車內(nèi)空間尺寸參數(shù)的精確定義，選取對車內(nèi)人員舒適性影響較大的若干關(guān)鍵參數(shù)，再根據(jù)實際需要增加一些具有較高參考價值的參數(shù)作為車內(nèi)空間的評價和測量項目，不過沒有涉及體積尺寸指標。

圖1 車內(nèi)空間距離尺寸指標

本文在SAE_J1100—2009和GB/T 19234—2003的基礎(chǔ)上，新增了車內(nèi)空間整體體積尺寸指標Vall，用以表征車內(nèi)乘員可活動、移動的總?cè)莘e。車內(nèi)空間整體體積Vall反映了汽車的整體舒適性，一般Vall越大，整體舒適性越好。根據(jù)車型實際開發(fā)需要選取和定義的車內(nèi)空間評價指標如表1所示，包括空間體積指標和局部空間距離尺寸指標兩種評價指標。

表1 車內(nèi)空間評價指標

車內(nèi)空間體積指標包括車內(nèi)空間總體積和行李箱體積，前者表征的是車內(nèi)乘員可活動、移動的總?cè)莘e，用于評價整體乘坐空間舒適性。后者表征的是汽車行李箱貨物的最大容積，用于評價潛在載貨能力。

本文中根據(jù)實際開發(fā)需要選取了有代表性的10個局部空間距離尺寸指標，包括前排和第2排左側(cè)乘員的有效頭部空間、水平頭部空間和垂直頭部空間等距離尺寸指標，表征不同位置乘員的局部可活動范圍，用于評價局部乘坐空間舒適性。

2 車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計流程

為解決車身性能和車內(nèi)空間的設(shè)計沖突，提出一種車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法和開發(fā)流程。相對于傳統(tǒng)車身性能和車內(nèi)空間開發(fā)，設(shè)計方法對車身性能和車內(nèi)空間進行集成優(yōu)化，兼顧兩者性能，減少設(shè)計反復(fù)。車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計流程如圖2所示，具體執(zhí)行過程如下。

（1）車內(nèi)空間評價指標定義

圖2 車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計流程

根據(jù)車型開發(fā)需要選取和定義車內(nèi)空間評價指標。

（2）車身性能與車內(nèi)空間融合建模

首先，車身結(jié)構(gòu)性能分析模型構(gòu)建。車身結(jié)構(gòu)性能是振動噪聲、舒適性、耐久性等性能的基礎(chǔ)，本文中選取車身剛度和車身模態(tài)結(jié)構(gòu)性能進行有限元建模。車身剛度工況包括整體扭轉(zhuǎn)和整體彎曲。

其次，車內(nèi)空間體積表征模型構(gòu)建。借鑒聲學(xué)空腔建模方法，提取車內(nèi)與空氣接觸的外輪廓表面，構(gòu)建車內(nèi)空間體積實體網(wǎng)格模型。

最后，車身結(jié)構(gòu)性能與車內(nèi)空間模型融合和驗證。車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法難點是如何兼顧車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間體積設(shè)計，在車身結(jié)構(gòu)形狀變化時同時輸出車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間體積。車內(nèi)空間體積表征模型建好后，通過車內(nèi)空間體積表征模型的最外層實體網(wǎng)格的單元節(jié)點與車身結(jié)構(gòu)性能分析有限元模型的殼單元節(jié)點進行節(jié)點重合處理，實現(xiàn)車身性能與車內(nèi)空間模型融合。車內(nèi)空間模型參數(shù)設(shè)置好后，分別對原車身性能分析模型、車身性能與車內(nèi)空間體積表征模型的融合模型分別進行計算車身剛度和車身模態(tài)結(jié)果及變形模式，根據(jù)結(jié)果驗證融合模型的有效性。車身性能與車內(nèi)空間融合模型驗證好之后，車內(nèi)空間表征模型的實體網(wǎng)格隨車身結(jié)構(gòu)變形而變形，從而實現(xiàn)車內(nèi)空間體積的動態(tài)表征，在車身結(jié)構(gòu)形狀變化時同時輸出車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間體積。

（3）車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計

首先定義車身結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計變量。選取具有工程意義的車身結(jié)構(gòu)形狀變量，進行車身性能與車內(nèi)空間的靈敏度分析，根據(jù)靈敏度排序結(jié)果進一步篩選變量。

其次進行車身性能約束下的車內(nèi)空間的優(yōu)化設(shè)計。以結(jié)構(gòu)變形為變量，以車身扭轉(zhuǎn)剛度、車身彎曲剛度、菱形模態(tài)、車內(nèi)空間局部距離尺寸作為約束函數(shù)，以車內(nèi)空間最大化和車身質(zhì)量最小化為優(yōu)化目標，進行車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)車內(nèi)空間與車身性能的優(yōu)化匹配設(shè)計。

（4）試驗驗證

基于車身性能約束下的車內(nèi)空間的優(yōu)化匹配設(shè)計結(jié)果，開展樣車車身試制，最后對樣車進行車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間試驗驗證。

3 某SUV車內(nèi)空間的優(yōu)化設(shè)計

以某SUV為例，在車身外造型和車身概念結(jié)構(gòu)初步確定后，以車身外造型和概念結(jié)構(gòu)為輸入條件，進行車身性能約束條件下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計。

3.1 車身性能與車內(nèi)空間融合建模與驗證

建立某SUV的車身性能與車內(nèi)空間的融合模型，進行模型驗證，以滿足融合模型分析要求。

3.1.1 車身結(jié)構(gòu)有限元仿真模型構(gòu)建

首先建立車身結(jié)構(gòu)性能分析模型，包括車身剛度和模態(tài)分析模型，車身剛度工況包括整體扭轉(zhuǎn)和整體彎曲工況。模型采用殼單元進行建模，單元基本尺寸為10 mm，焊點單元采用ACM單元。

3.1.2 車內(nèi)空間體積表征模型構(gòu)建

首先需要建立車內(nèi)空間體積實體網(wǎng)格模型。通過提取車內(nèi)與空氣接觸的外輪廓表面，構(gòu)建密閉的聲學(xué)空腔實體，并根據(jù)建模精度需要劃分具有一定變化梯度的實體網(wǎng)格。車內(nèi)空間表征模型實體網(wǎng)格模型如圖3（a）所示。為節(jié)省計算時間，在不影響計算結(jié)果精度的前提下簡化模型，去掉中間部分實體網(wǎng)格，該部分的實體網(wǎng)格不參與結(jié)構(gòu)變形，體積值是固定的，可以先測量出來。優(yōu)化剩余部分的網(wǎng)格劃分密度，如圖3（b）所示，從外到內(nèi)，實體單元網(wǎng)格尺寸逐步增大，由10增加到40 mm。車內(nèi)整體空間體積Vall為實體網(wǎng)格體積與中間固定部分的體積之和。

建立車內(nèi)整體空間體積表征模型后，同理再建立行李箱體積V1局部空間體積表征模型。

圖3 車內(nèi)空間表征模型

3.1.3 模型融合與驗證

對車內(nèi)空間體積表征模型的最外層實體單元節(jié)點與車身結(jié)構(gòu)分析有限元模型的殼單元進行節(jié)點重合處理，實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)與車內(nèi)空間的模型融合。

（1）車內(nèi)空間表征模型的實體材料參數(shù)設(shè)定

車內(nèi)空間表征模型實體網(wǎng)格單元的材料參數(shù)本身沒有物理意義，僅用于車內(nèi)空間體積的表征和測量，需要將實體材料的密度和彈性模量數(shù)量級設(shè)置的很小，使得車內(nèi)空間材料的剛性和質(zhì)量都很小，這樣車身發(fā)生結(jié)構(gòu)變形時，車內(nèi)空間實體網(wǎng)格部分不會產(chǎn)生結(jié)構(gòu)耦合影響，車內(nèi)空間表征模型的實體材料參數(shù)如表2所示。

表2 實體材料參數(shù)

（2）計算驗證

分別對原車身結(jié)構(gòu)性能分析模型、車身結(jié)構(gòu)性能與車內(nèi)空間體積表征的融合模型進行計算，結(jié)果表明，車身剛度模態(tài)結(jié)果及其變形模式一致，這就說明車內(nèi)空間模型網(wǎng)格實體部分對車身沒有產(chǎn)生結(jié)構(gòu)耦合影響。同時融合模型計算時間雖有一定程度的增加，但在可接受的范圍，說明實體網(wǎng)格簡化和融合模型是可行有效的，最終融合模型如圖4所示。車身性能與車內(nèi)空間模型融合后，車內(nèi)空間表征模型的實體網(wǎng)格隨車身結(jié)構(gòu)形狀變形而變形，實現(xiàn)了車內(nèi)空間體積的動態(tài)表征，在車身結(jié)構(gòu)形狀變化時同時輸出車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間體積。

圖4 車身性能與車內(nèi)空間融合模型

3.2 車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計

車身結(jié)構(gòu)性能與車內(nèi)空間融合模型構(gòu)建完成后，建立和定義車身結(jié)構(gòu)形狀設(shè)計變量，進行基于車身性能與車內(nèi)空間的靈敏度分析和變量篩選，以車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間局部距離尺寸為約束，將車身質(zhì)量、車內(nèi)空間總體積和行李箱體積作為目標函數(shù)，定義數(shù)學(xué)優(yōu)化方程，進行車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)車內(nèi)空間與車身性能的優(yōu)化匹配設(shè)計。

3.2.1 建立車身結(jié)構(gòu)形狀變量

工程設(shè)計中，一般通過調(diào)整汽車結(jié)構(gòu)物理位置來實現(xiàn)人機工程優(yōu)化或車身性能提升。如通過調(diào)整前后地板和座椅位置來優(yōu)化人體坐姿，改善乘坐舒適性，通過調(diào)整后側(cè)圍上部鈑金的位置來加強D柱上接頭以提升車身性能，這些位置變化會同時影響車內(nèi)空間和車身性能。

選取具有工程意義、同時影響車身性能和車內(nèi)空間的結(jié)構(gòu)形狀變量，采用商業(yè)軟件模塊Hypermorph進行網(wǎng)格變形操作，以向車內(nèi)方向為正，以背離車內(nèi)方向為負，對稱件變量變形相同，建立19個結(jié)構(gòu)形狀變量，部分變量如表3所示，其中B柱結(jié)構(gòu)Y向變形如圖5所示。

表3 形狀變量

圖5 B柱結(jié)構(gòu)形狀變量

3.2.2 靈敏度分析和變量篩選

在定義優(yōu)化問題之前，通過靈敏度分析來篩選變量。靈敏度分析通過保持其他變量不變，考查僅改變某一變量對關(guān)注指標的影響［17］。分別將每個結(jié)構(gòu)形狀變量沿變形方向進行平移10 mm，計算車身性能、質(zhì)量和車內(nèi)空間體積的變化率，再對靈敏度結(jié)果進行排序。其中車內(nèi)空間總體積的靈敏度排序結(jié)果如圖6所示。

圖6 車內(nèi)空間總體積靈敏度

由圖6可知，前后地板、前隔板、后輪罩和備胎艙等覆蓋面積較大的結(jié)構(gòu)形狀變量對車內(nèi)空間總體積貢獻較大，其他區(qū)域貢獻較小。根據(jù)車身結(jié)構(gòu)形狀變量對扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、菱形模態(tài)、車身質(zhì)量和車內(nèi)空間的貢獻綜合評價，篩選變量，最后選取12個形狀變量，如表4所示。

表4 篩選后的形狀變量

3.2.3 優(yōu)化問題定義

將車內(nèi)空間指標分為兩類，即車內(nèi)空間體積尺寸和局部空間距離尺寸，前者作為優(yōu)化目標，后者作為優(yōu)化約束處理。以前排乘員垂直頭部空間尺寸H35-1（X平面）為例進行說明，B柱頂梁形狀變量范圍受前排乘員頭部空間限制，根據(jù)乘員頭部垂直空間設(shè)計要求，得到前排乘員垂直頭部空間最小設(shè)計值時對應(yīng)頂蓋上邊梁變量車內(nèi)變形方向的最大取值。

以結(jié)構(gòu)變形Su為變量，以車身扭轉(zhuǎn)剛度ft、車身彎曲剛度fb、菱形模態(tài)fm、車內(nèi)空間局部空間距離尺寸Li作為約束函數(shù)，將車身質(zhì)量M、車內(nèi)空間總體積Vall和行李箱體積V1作為目標函數(shù)，相應(yīng)的數(shù)學(xué)優(yōu)化方程為

3.2.4 優(yōu)化結(jié)果

車身結(jié)構(gòu)性能和車內(nèi)空間優(yōu)化前后結(jié)果如表5所示。在滿足車身性能約束的前提下，實現(xiàn)了車內(nèi)空間的有效提升，同時車身也實現(xiàn)輕量超過2%。其中車內(nèi)空間總體積和行李箱體積提升比例都超過了6%，垂直頭部空間超過7%，其他局部空間指標也有一定程度的提升。

4 試驗驗證

基于某SUV車身性能和車內(nèi)空間的優(yōu)化匹配設(shè)計結(jié)果，開展了樣車試制，并對車身性能、質(zhì)量和車內(nèi)空間進行了試驗驗證。

4.1 車身性能和質(zhì)量驗證

進行了樣車車身性能和質(zhì)量驗證，其中車身性能試驗主要包括剛度、模態(tài)，如圖7所示。車身性能和質(zhì)量的仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比如表6所示。

由表6可知，仿真和試驗誤差控制在5%以內(nèi)，驗證了本文中提出方法的有效性。

4.2 車內(nèi)空間驗證

對整車樣車進行車內(nèi)空間測試，利用三坐標測量儀測出樣車H點坐標，再利用激光掃描儀繪制樣車點云，最后運用RAMSIS軟件求出車內(nèi)局部空間尺寸，車內(nèi)空間體積則通過點云逆向數(shù)模建立試驗樣車空間體積表征模型求出，最終車內(nèi)空間仿真試驗結(jié)果對比如表7所示。

表5 優(yōu)化前后車身性能與車內(nèi)空間對比

圖7 車身性能試驗

表6 車身性能和質(zhì)量仿真結(jié)果與試驗結(jié)果對比

表7 車內(nèi)空間評價指標的仿真試驗對比

由表7可以看出，車內(nèi)空間體積和局部空間距離尺寸最大誤差絕對值不超過5%，這說明車內(nèi)空間仿真試驗基本吻合，車內(nèi)空間優(yōu)化效果得到了實車驗證。

將車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法和開發(fā)流程應(yīng)用于某SUV車身性能和車內(nèi)空間的匹配優(yōu)化設(shè)計，在滿足車身性能約束的前提下實現(xiàn)了車內(nèi)空間的有效提升。與傳統(tǒng)開發(fā)流程相比，車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法兼顧了車身性能和車內(nèi)空間，有效解決了兩者沖突，提高了優(yōu)化效率，并經(jīng)實車試驗驗證，說明方法是可行有效的，具有一定的指導(dǎo)意義。

5 結(jié)論

本文中提出了一種車身性能約束下的車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計方法和開發(fā)流程，構(gòu)建了車身性能分析與車內(nèi)空間的融合模型。以某SUV車型為例，以車內(nèi)空間最大化和車身質(zhì)量最小化為目標，在滿足車身性能約束的前提下，進行了車內(nèi)空間優(yōu)化設(shè)計，車內(nèi)空間總體積和行李箱體積提升比例都超過了6%，垂直頭部空間提升超過7%，其他局部空間指標也有一定程度的提升，實現(xiàn)了車內(nèi)空間與車身性能的優(yōu)化匹配設(shè)計。

豐富了車內(nèi)空間的評價指標，提出了一種車內(nèi)空間測量方法，構(gòu)建了車內(nèi)空間體積表征模型，實現(xiàn)了車內(nèi)空間體積的動態(tài)表征和測量。

完成了樣車試制，開展了車身性能與車內(nèi)空間試驗驗證，在滿足車身性能約束的前提下實現(xiàn)了車內(nèi)空間的有效提升，驗證了本文中提出方法的有效性。