基于SFE參數(shù)化模型的靈敏度分析對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)性能優(yōu)化的應(yīng)用探討

劉善英　寧子允　陳祖興

摘 要：方法：本文通過(guò)構(gòu)建SFE參數(shù)化模型，并應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化手段對(duì)白車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析。然后根據(jù)車身結(jié)構(gòu)靈敏度分析及車身截面靈敏度分析結(jié)果進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證，以探討在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)前期應(yīng)用SFE及拓?fù)鋬?yōu)化進(jìn)行車身性能初步分析的可行性。結(jié)論：SFE參數(shù)化模型與拓?fù)鋬?yōu)化可以作為車身設(shè)計(jì)前期可靠的性能分析手段，可提前對(duì)車身性能進(jìn)行評(píng)估，并可根據(jù)靈敏度提出具有針對(duì)性的優(yōu)化建議，為后續(xù)車身設(shè)計(jì)中性能、重量與成本的平衡具有一定的指導(dǎo)意義。

關(guān)鍵詞：SFE 拓?fù)鋬?yōu)化 白車身 靈敏度 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

Application of Sensitivity Analysis Based on SFE Parametric Model to Optimization of Body-in-White Torsion Performance

Liu Shanying，Ning Ziyun，Chen Zuxing

Abstract：Method： this paper constructs an SFE parameterized model and applies topology optimization methods to analyze the sensitivity of the body-in-white structure. Then， based on the body structure sensitivity analysis and the body section sensitivity analysis results， the program design and analysis verification are carried out to explore the feasibility of applying SFE and topology optimization to the preliminary analysis of body performance in the early stage of the body structure design. Conclusion： SFE parameterized model and topology optimization can be used as a reliable performance analysis method in the early stage of car body design. It can evaluate car body performance in advance， and can propose targeted optimization suggestions based on sensitivity to provide performance， weight and cost in subsequent car body design. The balance has a certain guiding significance.

Key words：SFE， topology optimization， body-in-white， sensitivity， structural optimization

對(duì)于白車身系統(tǒng)開發(fā)來(lái)說(shuō)，性能、成本、重量是開發(fā)的核心目標(biāo)，但是三者關(guān)系復(fù)雜，即相互關(guān)聯(lián)又相互矛盾。日趨嚴(yán)苛的油耗要求是車身重量的主要訴求，重量減少能帶來(lái)油耗降低、成本降低的顯著效益。但消費(fèi)者日益關(guān)注的性能及不斷嚴(yán)苛的安全法規(guī)則驅(qū)使著車身性能需不斷提高，安全、舒適度、操控耐久等則是車身性能的主要訴求[1]。性能的提升則意味著零件數(shù)量的增加、重量的增加、新技術(shù)的大量應(yīng)用等等，相應(yīng)的給成本與重量提出了較大的需求。因此車身開發(fā)面臨著高性能、輕量化、低成本的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的車身開發(fā)需要借助多輪CAE仿真分析及優(yōu)化來(lái)達(dá)到較為合理的車身結(jié)構(gòu)，整個(gè)過(guò)程會(huì)消耗較長(zhǎng)周期。拓?fù)鋬?yōu)化可以實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的最優(yōu)化設(shè)計(jì)，并擬合出精度很高的性能曲線（或曲面）[2]。在車身設(shè)計(jì)前期通過(guò)SFE參數(shù)化模型來(lái)獲得不同性能要求、不同重量要求的白車身結(jié)構(gòu)，并可直接輸出工程化參考數(shù)據(jù)，指導(dǎo)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可使性能分析及優(yōu)化工作提前，并提供具有可塑性高的車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。SFE及拓?fù)鋬?yōu)化近年來(lái)逐步被應(yīng)用在汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，李鐵柱[3]等應(yīng)用拓?fù)鋬?yōu)化手段識(shí)別到車身扭轉(zhuǎn)性能敏感區(qū)域，通過(guò)對(duì)敏感區(qū)域進(jìn)行針對(duì)性優(yōu)化，以最少代價(jià)獲得最高的性能要求。劉丹[4]等則通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化手段分析車身不同搭接區(qū)域結(jié)構(gòu)膠的敏感度，從而在關(guān)鍵區(qū)域使用結(jié)構(gòu)膠來(lái)獲得高扭轉(zhuǎn)車身性能。本文則基于SFE軟件對(duì)白車身的結(jié)構(gòu)區(qū)域、車身截面進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化分析，識(shí)別不同敏感參數(shù)，以指導(dǎo)后續(xù)車身結(jié)構(gòu)開發(fā)扭轉(zhuǎn)性能開發(fā)。

1 參數(shù)化模型構(gòu)建

在設(shè)計(jì)初期，根據(jù)初版主斷面、CAS面等輸入信息，利用SFE Consept軟件構(gòu)建車型參數(shù)化模型，并設(shè)定參數(shù)可調(diào)的關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)，便于后續(xù)拓?fù)鋬?yōu)化分析時(shí)調(diào)節(jié)變量，同時(shí)，為了獲得精度較高的計(jì)算結(jié)果，本文參數(shù)化模型網(wǎng)格尺寸設(shè)定為6mm。SFE參數(shù)化模型構(gòu)建完成后輸出靈敏度分析所需的模型數(shù)據(jù)。

2 靈敏度分析

靈敏度分析采用optistruct軟件分析，導(dǎo)入SFE參數(shù)化模型后進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)、車身截面的靈敏度分析。

2.1 結(jié)構(gòu)靈敏度分析

結(jié)構(gòu)靈敏度分析主要通過(guò)對(duì)模型圖示梁、接頭等結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛性化的方式計(jì)算結(jié)構(gòu)靈敏度，如圖1。針對(duì)車身某一區(qū)域進(jìn)行剛性處理，即剛度無(wú)限大，計(jì)算整車剛度模態(tài)的性能;通過(guò)與未剛性處理的整車剛度模態(tài)性能對(duì)比變化值，值越高，說(shuō)明目前此區(qū)域剛度增大對(duì)整體剛度貢獻(xiàn)大，需要合適的方法進(jìn)行加強(qiáng)。計(jì)算方法為：

經(jīng)過(guò)分析可知：（1）B、C、D柱接頭靈敏度高，可以配合后續(xù)接頭剛度分析、結(jié)構(gòu)對(duì)標(biāo)進(jìn)行加強(qiáng)，以提高扭轉(zhuǎn)剛度性能;（2）后縱梁、后地板橫梁接頭作用明顯，可配合后續(xù)的截面分析進(jìn)行加強(qiáng)，以提高扭轉(zhuǎn)剛度性能;（3）影響最大的是D柱上下接頭，一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的目標(biāo)達(dá)成依靠這兩個(gè)接頭。提示可以通過(guò)著重加強(qiáng)上述3點(diǎn)相關(guān)結(jié)構(gòu)來(lái)最大化的提高扭轉(zhuǎn)性能。

2.2 截面靈敏度

截面靈敏度是指增加模型中的截面尺寸或增加接頭搭接處的圓角尺寸，來(lái)分析對(duì)應(yīng)的白車身剛度、模態(tài)的變化趨勢(shì)，如圖2。

本文分析可知：

（1）扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度：正效應(yīng)（藍(lán)色圖示）：對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度具有正效應(yīng)靈敏度高的主要是后大梁Z向截面尺寸、后大梁Y向截面尺寸、后地板上橫梁搭接接頭R角、D柱下接頭R角。提示可以通過(guò)著重增加上述尺寸來(lái)最大提高扭轉(zhuǎn)剛度;負(fù)效應(yīng)（紅色圖示）：對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度具有負(fù)效應(yīng)靈敏度高的主要是門檻梁內(nèi)板Y向尺寸、后輪罩上加強(qiáng)板Z向尺寸。提示上述尺寸增加對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度提高無(wú)顯著作用;如圖3。

（2）扭轉(zhuǎn)模態(tài)靈敏度：正效應(yīng)（藍(lán)色圖示）：D柱內(nèi)板截面尺寸、D柱下接頭R角（或者加強(qiáng)D柱下接頭）、后地板上橫梁接頭、后大梁截面Z向尺寸。提示可以通過(guò)著重增加上述尺寸來(lái)最大提高扭轉(zhuǎn)模態(tài);負(fù)效應(yīng)（紅色圖示）：后輪罩上加強(qiáng)板截面Z向尺寸、C柱上接頭加強(qiáng)板截面Y向尺寸。提示上述尺寸增加對(duì)扭轉(zhuǎn)模態(tài)提高無(wú)顯著作用;如圖4。

3 性能提升方案設(shè)計(jì)及分析驗(yàn)證

為了驗(yàn)證上述車身結(jié)構(gòu)靈敏度及車身截面靈敏度分析結(jié)果的可靠性，本文挑選靈敏度高的結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)的方案設(shè)計(jì)，并驗(yàn)證優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)性能提升情況。

如圖5所示，挑選出結(jié)構(gòu)靈敏度高的D柱上接頭和C柱下接頭進(jìn)行方案優(yōu)化。針對(duì)D柱上接頭分析，改變D柱上內(nèi)板工藝過(guò)孔位置可明顯改善扭轉(zhuǎn)性能且?guī)缀鯚o(wú)重量增加，如圖5（方案1）;另外，增加D柱上接頭內(nèi)部撐板則可以最大化提升扭轉(zhuǎn)性能，但同時(shí)會(huì)較大增加重量，如圖6（方案2）。這兩種方案均可在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，可以根據(jù)具體布置、成本考慮不同方案。

針對(duì)C柱下接頭，通過(guò)改變C柱內(nèi)板下部連接板的結(jié)構(gòu)形狀（增加截面尺寸）可以顯著提升扭轉(zhuǎn)性能，且增重不明顯，如圖7（方案1）;另外，可通過(guò)C柱下部腔體內(nèi)部增加支撐板來(lái)顯著提升扭轉(zhuǎn)性能，但會(huì)增加零件重量，如圖8（方案2）。兩種方案均可在后續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中應(yīng)用，可以根據(jù)具體布置、成本考慮不同方案。

4 結(jié)語(yǔ)

本文基于SFE參數(shù)化模型，利用拓?fù)鋬?yōu)化分析手段識(shí)別車身結(jié)構(gòu)靈敏度及車身截面靈敏度，取得明確的靈敏度分析結(jié)果，并對(duì)靈敏度高的區(qū)域進(jìn)行方案設(shè)計(jì)與分析驗(yàn)證，初步明確了該方法的可行性?？偟膩?lái)說(shuō)，SFE參數(shù)化模型與拓?fù)鋬?yōu)化是車身前期設(shè)計(jì)時(shí)較可靠的分析手段，彌補(bǔ)了前期CAE分析無(wú)法介入的空窗期，可以更早對(duì)車身性能進(jìn)行仿真摸底，對(duì)車身前期性能評(píng)估以及性能所對(duì)應(yīng)的重量與成本評(píng)估具有重要的作用，并可根據(jù)靈敏度提出具有針對(duì)性的優(yōu)化建議，指導(dǎo)后續(xù)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

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