基于自由尺寸優化的車身結構嵌件優化設計

周源 梁名佳 莫貴文

摘 要：為研究車身結構嵌件對白車身扭轉剛度的影響，基于白車身扭轉剛度仿真分析模型，首先通過自由尺寸優化方法找到結構嵌件在車身關鍵接頭的嵌入位置，再用工程塑料內外飾零件的建模方法設計嵌件骨架結構，然后再次通過自由尺寸優化方法對嵌件骨架進行結構優化和輕量化，從而得到兼顧白車身扭轉剛度和重量的嵌件結構。仿真分析結果表明：白車身在重量僅增加0.4%的情況下，扭轉剛度提升5.5%，整體一階扭轉模態頻率提升5.9%。

關鍵詞：自由尺寸優化;白車身;結構嵌件;扭轉剛度

中圖分類號：U463.82 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-96-03

Abstract： In order to study the effect of structural insert to BIW torsional rigidity， firstly， findout the structural insert location on the key joint of the BIW by freesize optimization based on the BIW torsional rigidity simulation analysis model， using the modeling method of engineering plastics interior and exterior parts to design the structural insert structure， then do the optimization and lightweight of the structural insert by freesize optimization again， an optimal structural insert which is considered both BIW torsional rigidity and weight is obtained. The simulation analysis result shows that， the weight of the BIW increases only 0.4%， the torsional rigidity of BIW increases 5.5%， the 1st torsional mode frequency of BIW increases 5.9%.

Keywords： Freesize optimization; Body In White; Structural insert; Torsional rigidity

CLC NO.： U463.82 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-96-03

引言

隨著汽車輕量化技術的發展，復合材料在汽車上的應用越來越廣泛，其應用方向也正在由內外飾件向結構件和功能件延伸[1]。逐漸掌握碳纖維等纖維增強復合材料特性、零部件結構設計方法、高效制造工藝、性能控制方法和連接技術，逐漸趕超汽車工業發達國家汽車輕量化技術水平，已經作為我國汽車輕量化發展戰略和路徑中車身輕量化的長期發展目標。纖維增強復合材料中就包括長纖維增強熱塑性復合材料（LFT），LFT是一個廣義的塑料專用詞匯，在汽車復合材料工業中有一個非正式但約定俗成的定義，即指長度超過10mm的增強纖維（一般是玻璃纖維）和熱塑性聚合物（一般是聚丙烯）進行混合并生產而成的制品。LFT具有密度低、比強度高、比模量高和抗沖擊性強等特性。[2] LFT材料可以替代部分結構件、金屬件材料用于汽車零部件，滿足零件各項性能指標的同時，對整車減重降本有明顯的貢獻，因此在提倡輕量化的整車上具有廣泛應用前景。[3]

根據歐洲車身會議材料的記錄，早在2003年，法國標致就在其307 CC車型的A柱下接頭腔體內應用過PA6.6+環氧樹脂制成的車身結構嵌件，如圖1所示。但至今這種復合材料結構嵌件仍未在車身設計中大量應用，國內有應用的案例則更少。當前車身結構嵌件一般是由長玻纖（或尼龍）+PP（聚丙烯）通過注塑成型，通過熱膨脹結構膠膠粘于鈑金表面，結構如圖2所示。由于是注塑成型，因此可以通過更復雜的結構設計來保證其自身的剛度。通常嵌于車身接頭位置或者傳力路徑的空腔內，如A/B/C/D柱及其接頭、門檻梁、前后縱梁等。是很好的加強車身強度、剛度、疲勞耐久性能的解決方案，同時也有機會替代或者減薄鈑金從而實現車身的輕量化。

本文基于某SUV白車身扭轉剛度，首先采用自由尺寸優化方法分析車身的薄弱接頭，作為結構嵌件嵌入位置的參考，然后通過內外飾零件的建模方法在該接頭鈑金腔體內設計嵌件結構，接著再次采用自由尺寸優化方法，基于白車身扭轉剛度對嵌件骨架進行結構優化和輕量化，最后對優化后的結構進行性能校核，并簡單探討復合材料嵌件在車身性能提升和輕量化上的應用前景。

1 自由尺寸優化確定嵌件嵌入位置

為了研究復合材料結構嵌件對白車身扭轉剛度的提升效果，以某SUV的白車身為研究對象。傳統的零件開發流程為CAD建模后輸入到CAE分析及優化，再將CAE的優化方案更新到CAD數模中，這種開發流程早期的CAD結構設計主要依賴于工程師的經驗或對標車的逆向數據，具有一定的盲目性。近年來，CAE驅動設計越來越多地被應用到車身正向開發中，如車身概念設計階段運用拓撲優化技術找到車身結構最有效的傳力路徑，結合參數化有限元模型，得到兼顧性能和重量的車身結構，并縮短了車身正向開發的周期[4]。本文將這種思路引入到零部件結構的正向設計中，首先利用優化方法找到嵌件嵌入的最佳位置。

常用的優化設計方法包括拓撲優化、參數化優化、形貌優化、形狀優化等。優化問題是一種數學方法，其數學模型可以表達為：

設計目標：最小化f（X）或最小化[f（X）的最大值]

設計變量：XiL≤Xi≤XiUi=1，2，3，…N

設計約束：gj（x）≤0 j=1，2，3，…，M

式中：

X——設計變量;

f（X）——設計目標;

g（X）——設計約束。

自由尺寸優化是以2D單元的厚度為設計變量，優化后可以生成不同厚度在2D結構上的重新分布，這些厚度分布顯示了2D結構上的傳力路徑，可以作為結構優化或輕量化的參考。自由尺寸優化可以將有限元模型的現有部件直接定義為設計變量進行優化，而不像拓撲優化那樣需要在設計空間內另外構建設計變量，是一種簡潔高效的優化方法。

針對該SUV白車身的優化設計定義如下：

設計目標：白車身整體應變能（compliance）最小;

設計變量：白車身所有鈑金部件的厚度;

設計約束：質量分數（massfrac）<30%。

其中應變能可以理解為結構剛度的倒數，在拓撲優化和自由尺寸優化中常將應變能最小定義為設計目標。質量分數表示當前迭代步質量與初始質量的比值，常用<0.3作為設計約束[5]。

優化分析迭代完成后車身厚度分布如圖3所示，可以看到，尾門框上、下圓角處聚集了大量的厚單元，說明對這些區域加厚可以有效地提升扭轉剛度，同樣，在相應位置嵌入結構嵌件提升局部剛度，也能間接提升扭轉剛度。因此考慮在尾門框上、下圓角腔體內設計結構嵌件。

2 CAD結構設計及仿真分析

根據尾門框上、下圓角腔體空間，用工程塑料內外飾零件的建模方法，設計出尺寸稍大、結構較復雜、預留足夠的涂膠面、同時滿足注塑工藝的嵌件結構，定義嵌件骨架肋板平均厚度為4mm，如圖4所示。

對結構嵌件CAD數模進行有限元建模，由于其幾何特征復雜，可采用更小的單元尺寸劃分網格，以便更好地反映零件結構，本文采用3mm的平均網格尺寸。嵌件骨架及發泡涂膠材料參數如表1所示。將建好的嵌件連接到白車身模型中分析扭轉剛度，并校核白車身自由模態，結果如表2中初版CAD結構方案所示，相比原狀態，在尾門框上、下圓角內增加結構嵌件后車身抗扭性能有顯著提升。

3 嵌件骨架結構優化及輕量化

可以看到增加的嵌件骨架重達3.5kg，根據經驗換成同質量的鈑金結構也能達到相同的性能提升效果，并不能體現復合材料密度小的優勢，因此需要對嵌件骨架進行進一步的結構優化和輕量化。嵌件骨架采用注塑工藝成型，各肋板的厚度可以任意控制，因此很適合采用自由尺寸優化方法對其進行優化。優化設計定義與前述對白車身的優化有所區別，具體如下：

設計目標：白車身整體應變能（compliance）最小;

設計變量：嵌件骨架的厚度;

設計約束：嵌件骨架質量分數（massfrac）<30%。

優化分析迭代完成后厚度分布如圖5所示，可見厚度主要分布在骨架與尾門框圓角的膠粘面附近，與白車身自由尺寸優化厚度分布結果高度一致。將結果中厚度大于1.5mm的單元導出.stl文件，導入到白車身扭轉剛度分析模型中，參照優化結果，對嵌件骨架結構進行裁剪、拆分，分別賦予不同的厚度（本文主要采用2mm和3mm兩種厚度），在此基礎上再次對白車身扭轉剛度和模態進行校核，結果如表2中仿真優化方案所示。此時骨架結構凈重降至1.46kg，相比初版數模方案減輕了2.04kg，且性能基本不變，從而實現了零件的輕量化設計。按仿真方案對CAD結構進行修改，嵌件骨架最終結構如圖6所示，其中紅色部分肋板厚度為3mm，藍色部分均為2mm。

4 結論

（1）在白車身關鍵接頭內通過膠粘的方式嵌入復合材料結構嵌件，能在增重較少的情況下有很好的性能提升效果，零件成型工藝成熟，連接工藝簡單，可以作為鈑金的補強或替代件，為車身結構優化和輕量化提供了新的思路。

（2）基于白車身剛度對白車身進行自由尺寸優化能快速確定車身的薄弱環節，從而為確定嵌件位置提供參考。

（3）基于白車身剛度對嵌件骨架進行自由尺寸優化能準確地對零件局部厚度進行優化，為零件尺寸及局部料厚設計提供參考，非常適合用于這類結構復雜的工程塑料或復合材料結構件的優化及輕量化設計。

（4）CAE驅動的零件正向開發，可以使結構設計方向更明確，避免盲目設計，縮短開發周期。

參考文獻

[1] 武勝軍.長玻纖增強PP材材料在汽車蓄電池托盤上的應用[J].材料應用，2013，9：45-49.

[2] 中國汽車輕量化發展——戰略與路徑[M].北京：北京理工大學出版社，2015.9.

[3] 李彬，謝靜雅，付丹.長玻纖增強PP材料在汽車上的應用[J].時代汽車，2017，12： 78-79.

[4] 史國宏，吳錦妍，宋正超.車身正向開發過程中的優化設計[J].汽車安全與節能學報，2014，5（3）： 238-243.

[5] 柯志強.機翼下壁板維修孔自由尺寸優化設計[J].科技視界，2015， 24：107-108.