基于SFE模型的白車身性能優(yōu)化

張福路，李鐵柱，華睿，李華偉

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基于SFE模型的白車身性能優(yōu)化

張福路，李鐵柱，華睿，李華偉

（安徽江淮汽車集團(tuán)股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介紹了在整車開(kāi)發(fā)過(guò)程中的概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用SFE參數(shù)化設(shè)計(jì)軟件建立相應(yīng)的3D模型與有限元模型。并進(jìn)行了相應(yīng)的分析優(yōu)化，提升了白車身的剛度性能，降低了白車身的重量。通過(guò)全參數(shù)化SFE模型的應(yīng)用，優(yōu)化了汽車開(kāi)發(fā)流程，縮短了開(kāi)發(fā)周期。

SFE模型；參數(shù)化；白車身；剛度性能；重量

引言

2017年我國(guó)汽車銷量達(dá)到了2887多萬(wàn)輛，位居世界第一。隨著國(guó)民經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，國(guó)民生活水平的日益提高，汽車在人們的生活中扮演的角色愈加重要。低油耗、高性能、更好的舒適性，是用戶對(duì)汽車產(chǎn)品一致需求。據(jù)研究標(biāo)明，轎車每減重10%，燃油消耗降低6%～8%。各汽車主機(jī)廠為響應(yīng)國(guó)家發(fā)展節(jié)約型社會(huì)的號(hào)召，不斷提高用戶滿意度，努力降低白車身重量，降低汽車的油耗與排放，已成為汽車研發(fā)過(guò)程中的重要項(xiàng)目。

白車身結(jié)構(gòu)復(fù)雜，設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)過(guò)程周期長(zhǎng)、成本高，開(kāi)發(fā)過(guò)程中問(wèn)題較多，是汽車研發(fā)過(guò)程中的一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。在傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程下，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)初期，無(wú)法有效識(shí)別車身性能問(wèn)題，致使留下隱患。本文采用SFE全參數(shù)模型，在白車身概念設(shè)計(jì)階段對(duì)車身性能、重量進(jìn)行優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)降低白車身重量，提升白車身性能，縮短開(kāi)發(fā)周期的目標(biāo)

1 基于SFE模型分析驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的流程優(yōu)化

汽車車身傳統(tǒng)的開(kāi)發(fā)流程為造型設(shè)計(jì)、概念設(shè)計(jì)、CAD數(shù)據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)、CAE分析。傳統(tǒng)的概念設(shè)計(jì)階段，主要是依據(jù)白車身設(shè)計(jì)人員的工作經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的斷面設(shè)計(jì)，并對(duì)造型可行性、車身布置、工藝約束進(jìn)行初步的確認(rèn)，無(wú)法對(duì)白車身的重量及性能問(wèn)題進(jìn)行有效的識(shí)別與優(yōu)化。往往只能是在完成詳細(xì)的3D數(shù)據(jù)后，統(tǒng)計(jì)車身重量，并通過(guò)CAE分析識(shí)別相關(guān)性能問(wèn)題，進(jìn)而進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。性能問(wèn)題發(fā)現(xiàn)較晚帶來(lái)的風(fēng)險(xiǎn)就是車身CAD數(shù)據(jù)制作、造型開(kāi)發(fā)、車身布置等相關(guān)工作的反復(fù)，拖慢了整車項(xiàng)目的進(jìn)度，增大了研發(fā)周期。

基于性能分析驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，優(yōu)化白車身開(kāi)發(fā)流程，在概念設(shè)計(jì)階段，就通過(guò)SFE軟件，建立全參數(shù)化模型，對(duì)白車身相關(guān)性能及重量進(jìn)行初步的識(shí)別與優(yōu)化，從而指導(dǎo)車身設(shè)計(jì)人員開(kāi)展斷面設(shè)計(jì)、CAD數(shù)據(jù)詳細(xì)設(shè)計(jì)工作的開(kāi)展。

2 全參數(shù)化SFE模型的建立

本文研究應(yīng)用的分析模型是使用全參數(shù)化建模軟件SFE構(gòu)件的一種隱式全參數(shù)化模型，主要按照點(diǎn)-線-面-梁-接頭的順序快速完成模型構(gòu)建。單個(gè)模型的幾何形狀采用控制點(diǎn)的位置、線曲率和截面形狀三個(gè)參數(shù)構(gòu)成。可以構(gòu)成車身結(jié)構(gòu)中的覆蓋件、梁?jiǎn)卧⒔Y(jié)構(gòu)加強(qiáng)件等模型。同時(shí)，通過(guò)Map建立模型間的拓?fù)潢P(guān)系，實(shí)現(xiàn)模型裝配的參數(shù)化。因此，通過(guò)點(diǎn)、線、斷面控制單個(gè)模型的幾何形狀。當(dāng)單個(gè)模型的幾何形狀發(fā)生調(diào)整時(shí)，因?yàn)檠b配關(guān)系的參數(shù)化，與之相連的模型也會(huì)改變。而不像其他CAD軟件，需要逐個(gè)修改與之相鄰的部件。下圖所示：即為某SUV車型SFE全參數(shù)化模型的建立。通過(guò)全參數(shù)化模型的建立，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工程師可以方便的創(chuàng)建和調(diào)整車身結(jié)構(gòu)和拓?fù)潢P(guān)系。這非常有利于車身開(kāi)發(fā)前期結(jié)構(gòu)改變大、多方案靈活處理的需求。

圖1 SFE全參數(shù)化模型建立

3 SFE有限元模型的建立與分析

傳統(tǒng)有限元模型的建立是在完整的CAD模型建立之后進(jìn)行的，而且需要對(duì)CAD模型進(jìn)行大量的前處理工作。傳統(tǒng)有限元模型建立時(shí)間較長(zhǎng)，效率低下。而SFE軟件可以在無(wú)詳細(xì)CAD數(shù)據(jù)模型的支撐下，直接利用全參數(shù)模型創(chuàng)建有限元模型。且車身結(jié)構(gòu)中的連接元素（焊點(diǎn)、焊縫、和結(jié)構(gòu)膠等連接方式）可以自動(dòng)生成，并可以根據(jù)幾何模型的修改自適應(yīng)調(diào)整。

傳統(tǒng)有限元模型在CAD數(shù)據(jù)更新后，無(wú)法自動(dòng)更新，需要根據(jù)新的CAD模型重新制作有限元模型。采用SFE全參數(shù)化模型，當(dāng)幾何模型改變時(shí)，有限元模型可以實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)更新。極大的縮短了有限元模型建模時(shí)間。

車身的模態(tài)、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度是車身結(jié)構(gòu)的重要力學(xué)性能，這三個(gè)指標(biāo)反映了車身結(jié)構(gòu)最基本的靜動(dòng)態(tài)特性。對(duì)SFE有限元模型進(jìn)行分析，得出相關(guān)結(jié)果如下表。從分析可以看出，該車身概念方案超重約10kg，且車身扭轉(zhuǎn)剛度、基頻、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)也均未達(dá)到目標(biāo)值。

圖2 分析模型

表1 剛度性能Base分析值

4 靈敏度分析

車身系統(tǒng)的剛度性能是由構(gòu)成車身系統(tǒng)每個(gè)零部件的屬性（材質(zhì)、厚度、尺寸等）決定的，但每個(gè)零部件及相應(yīng)的屬性對(duì)車身系統(tǒng)性能的影響程度大小不一。調(diào)整不同零部件同樣大小的屬性參數(shù)，車身性能變化不一。通過(guò)靈敏度分析可以有效識(shí)別哪些零部件及參數(shù)對(duì)車身性能有較大的影響。

通過(guò)靈敏度分析的方法，分別識(shí)別出對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、基頻、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、一階彎曲模態(tài)影響最大的零件,并進(jìn)行優(yōu)化。如下圖所示。

圖3 靈敏度分析結(jié)果（1）

通過(guò)鈑金靈敏度的分析方法，依照對(duì)性能影響程度對(duì)鈑金料厚進(jìn)行排序，針對(duì)靈敏度不高的部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。經(jīng)過(guò)梳理和確認(rèn)可對(duì)39個(gè)鈑金件進(jìn)行方案減薄。如下圖所示。

圖4 靈敏度分析結(jié)果（2）

5 優(yōu)化方案與分析驗(yàn)證

通過(guò)靈敏度分析，識(shí)別出了后縱梁斷面、C柱下連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、B柱下連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、A柱下連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、后地板橫梁兩端連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、D柱下連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)、D柱上連接點(diǎn)鉸接結(jié)構(gòu)為性能高靈敏區(qū)域，故針對(duì)以上區(qū)域進(jìn)行了針對(duì)性優(yōu)化。

優(yōu)化方案具體為：1、對(duì)后縱梁斷面尺寸及零部件厚度進(jìn)行增加；2、對(duì)C柱下鉸接點(diǎn)增加了連接支架；3、對(duì)B柱下鉸接點(diǎn)、A柱下鉸接點(diǎn)增加了焊點(diǎn)連接、4、優(yōu)化了后地板橫梁兩端鉸接板的型面及搭接結(jié)構(gòu)；5、在D柱下鉸接點(diǎn)內(nèi)部增加了連接支架；6、優(yōu)化了D柱上鉸接點(diǎn)內(nèi)部加強(qiáng)板的型面及搭接結(jié)構(gòu)。

通過(guò)對(duì)性能優(yōu)化方案及輕量化方案的驗(yàn)證分析，白車身重量、扭轉(zhuǎn)剛度、基頻、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)均達(dá)到目標(biāo)要求。具體分析結(jié)果如下表。

表2 剛度性能優(yōu)化分析值

6 總結(jié)

本文通過(guò)對(duì)白車身開(kāi)發(fā)流程的優(yōu)化，采用性能分析驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的理念，在概念設(shè)計(jì)階段，應(yīng)用全參數(shù)化SFE模型對(duì)某汽車白車身進(jìn)行了分析優(yōu)化的相關(guān)工作,并取得了顯著的效果，達(dá)成了相應(yīng)的目標(biāo)。在整車項(xiàng)目開(kāi)發(fā)中具有一定的實(shí)際意義和應(yīng)用價(jià)值。

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Optimization of body-in-white performance based on SFE model

Zhang Fulu, Li Tiezhu, Hua Rui, Li Huawei

（Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

This paper introduces the conceptual design stage in the whole vehicle development process, and uses the SFE parametric design software to establish the corresponding 3D model and finite element model.And the corresponding analysis and optimization have been carried out to improve the rigidity of the body-in-white and reduce the weight of the body-in-white.Through the application of the fully parameterized SFE model, the vehicle development process is optimized and the development cycle is shortened.

SFE model; Parameterized; body-in-white; stiffness performance; weight

B

1671-7988(2018)24-228-03

U462

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1671-7988(2018)24-228-03

U462

張福路，男，2011年畢業(yè)合肥工業(yè)大學(xué)、學(xué)士學(xué)位、工程師，就職于安徽江淮汽車技術(shù)中心，主要從事乘用車車身設(shè)計(jì)工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.082