基于正面碰撞的轎車車身正向概念設計的研究

常偉波，張維剛，崔 杰，謝倫杰

(湖南大學，汽車車身先進設計制造國家重點實驗室，長沙 410082)

前言

轎車車身結構概念設計是以車身造型設計為基礎進行的車身結構強度、碰撞安全和制造工藝等相結合的綜合優化過程。車身結構概念設計質量的優劣關系到車身各種功能能否正常發揮，它是完成整個車身開發設計的關鍵環節［1］。

國外汽車企業對于車身概念設計的研究比較重視，其中福特轎車和沃爾沃轎車的概念設計都有相關文獻發表［2－3］。而國內大部分的汽車企業尚未開展車身概念設計的工作，只有部分高校及研究院所進行了初步探索研究，如文獻［4］中利用梁單元建立了某客車的簡化模型，并進行了彎曲、扭轉和模態的仿真與優化;文獻［5］中建立了某微型客車的正面碰撞(下簡稱‘正撞’)概念模型，并進行了正撞仿真和對比分析;文獻［6］中提出了車身概念模型的準確性受到剛度特性曲線提取好壞的影響;文獻［7］中應用神經網絡提取前縱梁截面尺寸與碰撞特征參數之間的非線性關系，用于簡化模型的碰撞分析等。

本文中旨在探討車身正向概念設計的流程，為國內汽車企業開展正向概念設計，真正做到自主研發提供參考。

1 轎車車身正向概念設計流程

傳統的車身概念設計，首先由參考車型的CAD模型或有限元模型提取車身結構數據，包括斷面數據和吸能部件的剛度特性，構造車身概念模型;通過與整車有限元模型對比驗證，得到可信的概念模型，用于耐撞性優化;最終得到新車型初步尺寸。這是一種逆向概念設計，其流程如圖1所示。

從本質上講，這種設計流程并沒有完全擺脫參考車型的束縛，其車身數據大部分沿用參考車型，不能從根本上提高整車性能。

本文中結合實際項目需求，提出了基于正撞的轎車車身正向概念設計流程，如圖2所示。

該流程沒有特定的參考車型，通過一系列的優化方法，得到優良的車身結構，可從根本上保證車身各項性能的實現。以下針對車身正向概念設計中的各階段，分別進行了車身結構拓撲優化，靜態尺寸優化和前縱梁的耐撞性優化等研究。

2 轎車車身拓撲優化

拓撲優化應在概念設計階段首先進行，其優化結果是一切后續設計的基礎。當結構的初始拓撲不是最優時，尺寸和形狀優化可能導致次優結構的產生，因此，在初始概念設計階段確定結構的最佳拓撲形式非常重要［8］。

在一款新車型的設計過程中，最原始的數據為由造型確定的車身外表面，見圖3。要進行拓撲優化設計，找到在車身可用空間上最優的材料分布，就須要創建實體網格，作為拓撲優化的設計空間［9］。此設計空間為車身外載荷和邊界條件施加的區域。在概念設計階段，動力總成、底盤和乘員空間等還沒有具體的定義，因此要根據現有的車型設定這些部件位置和總體尺寸，去掉車門、風窗、發動機艙和行李箱等處的材料，得到的設計空間見圖4。

對于每一種工況，都會有不同的拓撲優化結構與之對應，為了找到滿足各主要工況的拓撲結構，須將各工況加權組合。本文中綜合考慮彎曲、扭轉和前后碰撞工況，各工況權重分配如表1所示。

表1 工況權重分配

這是一個多目標優化問題，通過多工況加權將其轉化為單目標優化問題。優化參數設定如下。

設計變量:定義設計域內所有體單元密度。

目標函數:加權變形最小。

約束條件:體積比上限為0.3。

應用變密度法進行拓撲優化計算，得到的拓撲優化結構如圖5所示。

3 梁單元簡化模型的建立

得到優化的車身拓撲結構后，經過一定的修改和完善，再利用梁單元簡化模型快速驗證拓撲結構的可行性，梁單元簡化模型如圖6所示。梁單元簡化模型由于建模簡便，計算耗時短等優點，已廣泛應用于車身概念設計階段，進行車身性能分析。

梁單元簡化模型的建模思路和流程如下［10］。

建模思路:薄壁梁構件用梁單元模擬，地板和頂蓋等大面積板件用殼單元模擬，梁單元與殼單元之間為剛性連接。

建模流程:由車身拓撲結構構造白車身特征線，劃分梁單元;由特征線構造特征面，劃分殼單元;梁單元與殼單元之間為剛性連接。

梁單元簡化模型建好后作為后續階段概念設計的研究對象。初期階段白車身首先要滿足一定的靜力要求，耐撞性設計要基于此靜態分析優化的尺寸，一般處于概念設計的后期階段。因此，首先要進行基于靜態仿真分析的薄壁梁截面尺寸優化，再以此為基礎，考慮正撞的耐撞性，探討前縱梁的概念設計方法。

4 基于靜力分析的梁截面尺寸優化

通過拓撲優化后，獲得白車身主要結構件的拓撲形狀，須進一步對車身模型進行尺寸優化［8］，以下是考慮扭轉工況，對梁單元簡化模型進行尺寸優化的實例。

4.1 問題描述

優化梁截面參數，使梁單元簡化模型的扭轉剛度達到設定要求，模型及其加載狀況如圖7所示。1、2、3分別對應約束位置 x、y、z方向的平動自由度。

車身的扭轉剛度計算公式為

式中:GJ為扭轉剛度;M為扭轉力F與力臂L的乘積;L為前懸架左右筒形結構中心點連線的距離;ΔZ1、ΔZ2為左右加力點處的變形量。

從式(1)可以看出，扭轉剛度的優化可以轉化為加力點位移的優化。

4.2 優化參數的設定

設計變量:梁單元截面尺寸(自定義為矩形截面，截面方向參考現有車型主慣性矩的方向)。

約束條件:加力點位移小于1mm。

目標函數:質量最輕。

4.3 優化結果

應用改進的可行方向法進行尺寸優化，經15次迭代后，目標函數收斂，得到優化的車身梁截面尺寸，其中A柱梁截面優化前后的數據如表2所示。

表2 優化前后A柱截面數據 mm

優化后截面的尺寸可作為詳細設計階段的參考，再對梁截面進行形狀優化等。

5 基于正撞的前縱梁概念設計優化

國內外對車輛耐撞性優化的方法主要有拓撲優化、參數優化和近似模型與等效模型優化。綜合考慮各方法的優缺點和應用場合，認為等效模型比較適合于概念設計階段的優化。

等效模型是一種與精細模型具有類似變形模式和剛度特性的模型，且能容易地還原為詳細的有限元模型。本研究結合 Karim Hamza等［11］提出的梁單元-非線性彈簧等效模型，提出了用梁單元等效模型進行碰撞優化的新方法:即用賦予剛度曲線的梁單元等效地模擬精細的有限元模型，用軸向潰縮特性曲線模擬縱梁的軸向壓潰變形，鉸接處賦予彎曲特性曲線以模擬縱梁的彎曲變形。由于篇幅所限，文中只對薄壁梁的軸向潰縮特性進行介紹。

5.1 問題描述

梁單元等效模型以10m/s的初速度撞擊剛性墻，如圖8所示。末端施加集中質量，以模擬車體的慣性屬性［12］。

定義單位質量的薄壁梁吸收能量，即比吸能SEA(specific absorbed energy)為目標函數，使吸能最大，且質量最小［13］。

基于保護乘員的考慮，約束最大碰撞力小于特定值，以保證加速度值滿足法規要求。優化問題描述為

目標函數:SEA(h，w)最大

約束:最大碰撞力≤50kN

式中:h、w 為截面高和寬，如圖 9(a)所示;hL、hU、wL、wU分別為對應參數的下限和上限。

5.2 響應面近似模型建立

梁單元的潰縮變形通過定義潰縮特性曲線來模擬，傳統的簡化模型建模方法是根據經驗公式，由截面參數直接求取梁單元潰縮特性曲線的平均碰撞力，這種模擬方法雖然能方便地構造剛度曲線，但峰值碰撞力的誤差較大。為減小模擬誤差，直接提取不同截面形狀的梁單元剛度特性曲線。利用響應面法，建立梁截面參數(以h、w為例)與剛度特性曲線特征點之間的響應面近似模型，作為設計變量與碰撞特征參數聯系的橋梁，以便進行優化。剛度特性曲線提取初始模型如圖9(b)所示。

以h=24mm，w=16mm為初始截面尺寸提取的軸向潰縮特性曲線和簡化曲線如圖10所示。

以［10，30］作為參數 h、w的取值范圍，通過4水平正交試驗，經16次迭代，求得的h、w與簡化剛度特性曲線峰值Fmax及穩定值Fmean關系的響應面近似模型如圖11所示，其表達式為

其中Fmax和Fmean的決定系數和調整的決定系數均達到了0.98，滿足精度要求。

5.3 梁單元等效模型耐撞性優化

本優化問題中有兩個連續型設計變量，因此選用序列二次規劃法進行直接優化。這種算法假設目標函數連續可微。基本思想是將目標函數以二階拉氏方程展開，并把約束條件線性化，使轉化為一個二次規劃問題。二階方程通過quasi-Newton公式得到改進，而且加入了直線搜索以提高算法的穩定性。

優化流程如圖12所示。

得到的優化結果為:h=24.501mm，w=25.500mm，對應的 SEA=13.472kJ/kg。

利用同樣的方法，可對車身前部吸能構件進行耐撞性概念優化設計。經過上述一系列優化后，得到車身初步的幾何尺寸，經過相應的試驗驗證，對梁單元概念模型進行相應的修改與完善，用于指導車身結構詳細設計。

6 結論

針對現有車身逆向概念設計流程存在的缺點與不足，提出了基于正撞的轎車車身正向概念設計流程，并結合某企業一款特定車型進行了流程應用實例研究，取得了滿意效果。結果表明，該設計流程切實可行，且易于實現。

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