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1、2010中国汽车工程学会年会优秀论文拓扑优化在白车身概念设计中的应用张鹏飞董瑞强(泛亚汽车技术中心)【摘娈】将磴撷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 设计的目标两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资大大提岛车身结构性能，也可以保持性能进行车身轻蚩 化设计。本文所做I：作属于前者。主题词：白车身 拓扑优化 加权应变能 工况等效中图分类号:U463.82文献标识码:A 文章编号：1000-3703 (2010 )07-0055-03Applicat
2、ion of Topology Optimization in BIW Concept DesignZhang Pcngfei, Dong Ruiqiang(Pan Asia Technical Automotive Center) iAbstractive collision cycle is transferred to equivalent linear cycle, which is combined with stiffness, durability, NVH of)erating condition, etc., into optimized target function wi
3、th weighted compliance, and stnictura) performance of the body is taken into full account. The optimized topology structure is interpreted and transferred into a design plan which is feasible in engineering The experience proves that the body topology optimization method can not only maintain qualit
4、y, significantly improve body structural performance, both also can maintain and achieve body lightweight design.Key words: BIW, Topology optimization, Weighted compliance, Equivalent working condition2010中国汽车工程学会年会优秀论文2010中国汽车工程学会年会优秀论文1前言白车身结构性能是轿车整车性能的亜要载体。 在车辆概念设计中，在满足主要部件的空间布进 前提下，综合车身各方面结构性能对车
5、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、提髙性能的 口的。i2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拓朴优化模型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
6、、结构耐據性等因素。其 中休现结构耐撞性指标的若T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-拓扑优化过程中。通过线性等效方法，结构刚 度、筷态、碰撞等不同兴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。2.3优化目标2010年第7期由于该优化模型由实体单元组成，质址和位移 等物理駅与仮金结构的车身性能之间没有实际关2010中国汽车工程学会年会优秀论文联，并且该优化模型又是多工况的组合，因此选择最 小化加权应变能作为优化目标最合适。应变能Complianc
7、e=- |eTcrdvForce Displacement同。从上面的公式可以看出，结构的应变能可以披认为是与 刚度倒数等效的物理量。以最小化应变能作为拓扑 优化目标等效于结构刚度最大化。2.4约束根据需耍，每个分块区域进行不同的质虽分数 控制，根据经验可知，小于30%是比较合理的。每块 区域都可以施加不同的制造约束，如尺寸控制、拔模 方向、对称约束、特征分布等。这些约束使优化后的 载荷传递路径淸晰易辨,使结果更容易解读。3优化结果解读与优化过程相比，对拓扑优化结果进行解读更 为关键。拓扑优化能帮助寻找合理的载荷传递路径, 但其结果是数值解而非工程和制造可以直接实现的 设计方案。由拓扑优化结果
8、转化成最合理的等效结 构，应该将工程经验及参考设计的亮点融合进去，所 以拓扑结果的解读受到工程师知识背景、工程经验、 制造工程的限制。图2是图1所示模型优化后的框架结构，仔细 观察能发现许多清晰的载荷传递路径。图2拓扑优化结果图3是地板的拓扑优化结构解读过程。从图3a 的结果看，优化后的拓扑结构从前到后一共有6根 横梁，前地板有近似平行排列的5根纵梁，到后地板 时收缩成2根纵梁。结合工程经验和当前的制造工 艺，将拓扑结构转化为满足空间布置和制造工艺的 有效设计，如图3b所示。解读后的设计中保留了 6 根横梁，只是位置有所调整;前地板两侧的4根纵梁 保留，与后地板的2根纵梁保持原来的拓扑结构形
9、式；中间的纵梁被转换为中央通道，只保留了前半 段，并且为了进一步提高安全性能，用两抿小纵梁进 行加强。图4是前围板下方和地板之间区域的拓扑结 构。该处是影响正面碰撞安全性能的主要区域。优 化后正面碰撞通过前舱下纵梁传递过來的载荷被有 效分流到门槛梁、闸纵梁地板延伸段和中央通道上, 避免此处变形过大而引起较大的乘客舱侵入量。 (a)(b)图3地板的拓扑优化结构图5是前舱下纵梁和上纵梁的拓扑结构。正面 碰搦载荷通过上、下纵梁分别向后传递，在几何上形 成相对稳定的结构，可提髙结构效率和正面碰描安 全性。图4前隔板和地板之间区域的拓扑优化结构图5曲舱上、下纵梁的拓扑优化结构4优化结果验证拓扑优化在上代
10、车型基础上进行，沿用了相同 的整体布周和硕点位强，上代车型的所有零部件在 优化后的车身上都能完好安装°因此在结果验证时, 除了车身结构冇所变化外，其他所有部件完全相同, 这就保证了车身结构性能对比的客观性。在结果验 证模型中，将上代车型的前舱和地板替换为拓扑优 化设计，并保留顶盖结构不变，其他附属部件完全沿 用上代车型，通过调整结构和零件厚度，使白车身质 墩与上代车型相同。4.1结构刚度和模态表1列出了白车身模态和刚度结果对比。所有 性能都是上代车型最关注的，有些虽然不是整体性 能，但也是上代车型的设计缺陷。由于拓扑优化以 结构刚度为优化目标，与刚度宜接相关的结构性能 均有不同程度提
11、高，其中扭转刚度提升极明显，对车 身耐久性能最有利。56 汽车技术2010中国汽车工程学会年会优秀论文2010轩第7期57 * 1 优化前、后白车身刚度和模态对比结果结构性能优化前后性能指标的变化率/%质址相同后开口模态幣体扭转模态+2.54整体弯曲模态*3.58C柱局部弯曲模态418.4前悬左右摆动模态+4.11整体扭转刚度+11.9整体弯曲刚度+7.42前弯刚度+4.60两弯刚度+10.154.2碰撞结果验证针对白车身优化前、后结构，建立整车碰掩分析 模型（除白车身不同外，其余相同），按照C-NCAP 标准工况，得到优化丽、后碰據对比分析结果如表2 和图6所示，无论加速度峰值还是3 ms加
12、速度限 值，都冇明显降低，且前端加速度峰值基本相同，这 说明在不损失SDM标是信号的前提下，整车加速度 趋于平缓，这对后续约束系统的匹配将变得更加容 易。另外，由于优化前、后前舱长度并没有增加，而 碰掩吋有效吸能空间却增加了 1.1%,并且考察对乘 员舱的入侵，各分析指标都有所减小，说明优化后车 身构件吸能效率进步提高，车身整体刚度分布也 更加合理。表2优化前、后车辆正面刚性墙碰撞性能主要参考指标变化率性能指标优化前.后 各指标变化率/%战大加速度/g-12.19.3ms 加速 3E/g-3.18动态变形f/mm+2.34有效压溃«/mm+1.1速度为零时刻/ms-2.9转向管柱后移
13、/上跳耳（X/Z）/mm-0.8/-13防火墙侵人低（离合踏板F方）/mm-16.7防火墙侵入抵（制动踏板下方）/mm-9.6防火墳侵入拉（加速踏板F方）/mm-10.4防火墙及入址（踏脚板下方）Anm-12.53表3和图7所示为偏置碰撞结果。可以看出， 加速度峰值减小,A柱后移减小约40%,乘员舱侵入 虽有较大降幅，这得益于构件吸能效率提髙以及乍 身刚度分布更加合理。另外，转向管柱后移址及上 跳量减小幅度有限，前舱及整车底盘布置仍是基于 优化前方案，因为原布置方式在实际C-NCAP检测 中此处不存在结构缺陷。因此，新结构可以参考原 布置方案进行，也可基于原布置在综合考虑性能、工 艺、装配、售
14、后等方面后作进一步优化。表3优化前、后车辆正面偏置可变形瞳碍空 碰損性能主要参考指标变化率性能指标优化询、后各 指标变化率/%最大加速度/g-15.3A柱后移ht/mm-39.13转向骨柱后楼/上跳tt（X/Z）/mm-2.9/-0.34防火墙侵入就：离合踏板F方）/mm-24防火墙侵入秋:制动踏板下方）/mm-15.9防火墙侵入凰:加速踏板下方）/mm-14.6%防火墙侵入址（踏脚板F方）/mm-21.35踏板组后移也上跳5t/mm-3.3/-1.61从表4可以看到，优化后侧面碰撞性能有所提 高，但提高不多，这是由于原车型在侧面结构中有不 同材料激光拼焊结构，优化后结果没冇考虑此结构, 并且
15、原车型侧面结构碰撞性能较好。«4优化前、后车辆侧面可变形移动障碑壁碰摘性能主要参考指标变化率性能指标优化询.后各 指标变化率/%B柱狼线处侵入速度/m0-1.14B柱腰线处侵入fit/mm-1.23B柱上方处A fit/mm-0.25综合碰撞各工况分析结果，表明优化后的车身 各部分结构碰擢性能都有提升。基于现有平台，未 来在碰撞SDM标定、约束系统优化及整车性能集成 等方面祁会更容易实现髙性能指标，也容易实现更 高的安全星级评价。2010中国汽车工程学会年会优秀论文5结束语经过拓扑优化对车身进行重新设计，在相同质 量下白车身模态、刚度、碰據性能都有大幅提升，这 得益于通过拓扑优化寻找
16、到了合理的载荷传递路 径,将材料分布在最需要加强的结构上，极大限度地 提高了结构的利用效率。以上验证结果还只是在对 拓扑结构解读后初步进行设计的模型上计算得到， 还没有进行参数优化叫如果对结构要索的相对位 置、梁截面参数、零件厚度.材料强度等进行参数优 化设计，在相同质星下性能会提高得更多，或者在保 持性能的前提下质址会减轻。参考文献1壬望于.汽车设计(第四版)北京：机械工业出版社, 2004,8.2姜欣陈勇史国宏，符怖期白车身架构优化设计结构 及多学科优化工程应用与理论研讨会论文集,2009.3 丁利结构拓扑优化分析在电动小车车身的轻量化的应用 汽车设计.中国制造业信息化.2009.38(1
17、1):58-60.(责任编辑帘W)修改稿收到日期为2010年5月17日。58 汽车技术2010中国汽车工程学会年会优秀论文# 汽车技术2010中国汽车工程学会年会优秀论文上# 汽车技术2010中国汽车工程学会年会优秀论文45|丄丄I|1 (5015025035045055065075085095010501 150时fi/s图12 NEDC循环工况FAW-TMH1M系统工作状态# 汽车技术2010中国汽车工程学会年会优秀论文2 Nozawa N, Maekawa T, Nozawa S. Development of Power Control Unit for Compact -Class
18、Vehicle.SAE：2009 -01 - 1310.3 Matsubara T Yaguchi H Takaoka T. Development of New Hybrid System for Compact Class Vehicles.SAE： 2009-01 - 1332.4 KawanxXo N, Naiki K. Kawai T. Development of New 1.8- Liter Engine for Hybrid Vehicles.SAE：2009-01-1061.5周磊，罗禹贡，杨殿创，等混联式混合动力车多能源动力控制系统的开发机械工程学报，2007(4)6欧阳易时金迭锋，罗禹贞并联混合动力汽车功率分配 最优控制及具动态规划性能指标的研究汽车工程，2006 (2).7余志生汽车理论北京：机械工业岀版社,2000.8赵子亮，李骏刘明辉等.CA6100SH8并联混合动力客车 工作模式与功率分配研究汽车工程,2007(8).(责任编辑学林)修改稿收到日期为2010年6月23日。# 汽车技术