電動汽車全參數化車身平臺化與模塊化建模及性能帶寬研究

謝嘉悅， 陳有松， 沈國民

（上汽集團商用車技術中心，上海 200438）

當前，汽車行業面臨著前所未有的競爭格局，促使各大汽車企業開始研究如何縮短電動汽車車身與電池包的開發周期，提高研發效率。汽車概念設計階段具有信息量少、結構更改自由度大、產品方案更改成本低、降低成本的幾率大等特點。隨著產品開發階段向后推移，汽車產品的設計自由度變小、開發成本逐漸升高。因此，汽車概念設計階段是實現電動汽車車身與電池包的高性能正向開發的關鍵階段。然而，在汽車車身概念設計階段，CAD工程師很難建立詳細的車身模型，缺少CAD數模信息輸入，CAE工程師無法獲得用于仿真分析的有限元模型，更無法進行概念車身的結構優化設計。概念設計階段在車身開發過程中起著至關重要的作用，但該階段往往缺乏詳細的CAD/CAE數據，很大程度上限制了汽車車身的快速迭代和優化設計。

為了降低車身開發成本、縮短開發周期，HILMANN等［1］建立了高精度參數化概念模型數據庫，開發了參數化概念車身碰撞安全性結構優化的高效設計流程。H?FER［2］結合CATIA-V5軟件的參數化功能、HyperMesh軟件以及Batch Assembler軟件的批處理功能開發了概念車身模型的快速參數化建模技術。然而該方法難以開展概念車身碰撞安全性的結構優化，存在一定局限性。德國SFE公司［3］開發了隱式全參數化概念車身建模軟件，為實現基于性能驅動的車身多學科優化設計提供了模型基礎。Future Steel Vehicle協會［4］致力于研究基于性能驅動的汽車車身多學科優化設計。DUAN Libin等［5］構建了一種基于隱式參數化技術的輕量化設計策略，結合了隱式參數化技術、全局靈敏度分析（GSA）和Pareto集追蹤（PSP）算法來進行白車身的輕量化設計。單春來等［6］提出了一種基于圖分解法的車輛模塊化分割方式，以車身底盤為算例，證明該方法可有效縮減開發周期和降低制造成本。侯文彬等［7］提出了一套劃分并篩選共享模塊和非共享模塊的方法，可以在概念設計階段基于汽車模塊化思想對汽車白車身結構實現模塊化。王登峰等［8-9］研究了轎車白車身隱式全參數化建模與多目標優化，取得了明顯的輕量化效果。張忠元等［10］提出了一種構建轎車白車身隱式參數化模型的方法，在此基礎上通過多目標優化實現白車身的輕量化。然而，基于平臺化與模塊化的電動汽車車身的全隱式參數化模型構建方法尚未完善，未能實現電動汽車車身CAD/CAE一體化模型的模塊化快速建模，拉長了電動汽車車身與電池包的開發周期，降低了研發效率。

本文基于隱式參數化方法提出一種電動汽車全參數化車身的平臺化與模塊化建模策略。首先將車身結構分解為上車體結構與下車體結構，根據設計要求對上下車體各自進行區域劃分，定義各區域關鍵平臺化衍生尺寸并進行基線總布置，形成平臺化建模策略；然后基于平臺化建模對下車體進行功能性模塊劃分，對上車體進行匹配性模塊劃分，分別進行參數化建模，形成模塊化建模策略；最終建立了電動汽車車身的全參數化模型，實現不同車型的快速衍生，并且根據性能帶寬規律研究，探究了輪距、軸距、車高、前端長度以及后端長度變化對剛度和模態性能的影響。

1 隱式參數化建模方法簡介

白車身是整車的重要組成部分，白車身的性能是整車的耐撞性、乘坐舒適性、經濟性等相關性能的基礎，提高白車身的設計效率對降低整車成本、縮短整車的開發周期有著積極的作用。無論是傳統燃油車還是純電動汽車，在概念設計階段，由于整車造型、車身總布置和整車性能定位的不確定性，導致該階段的車身設計過程靈活，往往需要根據不同的布置架構適配不同的車身結構，開發過程極為繁瑣。但如果在概念設計階段得不到理想的車身結構形式，到詳細設計階段時，車身總體與局部的裝配關系基本確定，很難對某一部分做出大的改動，這種結構帶來的限制必然會對整體的性能提升造成極大的影響。傳統車身設計的路線如圖1所示，首先是對車身結構進行CAD設計，在有了CAD數據的支撐之后，CAE開始網格建模并進行相應的分析，對CAE分析的結果進行后處理。眾所周知的是，概念設計階段需要對模型進行反復修改，這必然導致設計過程的繁復并因此浪費大量時間。

圖1 傳統車身設計路線

隱式參數化建模方法的出現將CAD數據與CAE數據有效地結合起來，幾何模型的修改將直接驅動網格的變形。隱式參數化模型中的最基本元素是點（Point）、線（Line）和截面（Section），通過主點和從點生成基線，基線與基截面生成梁，各元素之間通過映射構建關系，這是隱式參數化模型幾何變形可以驅動網格變形的根本原因。隱式參數化建模的實現過程如圖2所示。

圖2 隱式參數化建模實現過程

2 基于平臺化與模塊化策略的車身參數化建模

平臺化與模塊化建模策略的制定是實現電動汽車平臺車型快速衍生的保證，只有平臺化建模策略與模塊化建模方法的共同作用，才能實現性能的快速驗證和車型的快速衍生。本文所采用的建模思想導圖如圖3所示，該部分內容將在2.1節與2.2節中詳細介紹。

圖3 平臺化與模塊化建模流程

2.1 平臺化建模策略

為更好地介紹本文的電動汽車車身，將平臺化建模過程進行歸納概括，形成以下平臺化建模的規范。

步驟1：將車體結構分解為上車體結構與下車體結構。上車體決定整車造型的同時還為整車提供一部分保護功能，上車體與下車體共同組成籠型車身結構。下車體為整車重要的承載件，對純電動汽車而言，電機、電子電器件以及電池包等均掛載于下車體，這些部件的安裝點即為車身硬點，因此，對下車體的布置決定了整個電動平臺的架構形式，是整個架構平臺的基礎和性能保證。

步驟2：對下車體結構進行平臺化分區。本文的下車體分區如圖4所示，主要為：前艙區域、前地板區域和后地板區域。

圖4 下車體平臺化分區

步驟3：定義前艙區域關鍵平臺化衍生尺寸。前艙總成主要包括前圍板總成、前減振塔總成、前縱梁總成、前保險杠總成、前彎梁總成和流水槽總成。如圖5所示的尺寸“a”與尺寸“e”的引出點為減振塔中心點，通過調節尺寸“e”，可以匹配不同的減振塔模塊，從而匹配不同的前懸系統，滿足SUV、MPV、轎車等不同車型的要求。同時，前艙是新能源電機的放置區，是正面碰撞的主要吸能區，因此，在正面碰撞各工況中，前艙扮演著極其重要的角色。通過調整尺寸“a1”，可以有效控制吸能盒組件的設計空間，自由替換滿足不同性能要求的吸能盒。通過控制尺寸“a2”，可以調節前縱梁長度，從而對前艙進行加長或縮短。尺寸“a1”與“a2”為新能源電機和乘員的安全性設計提供了選擇。

圖5 平臺化前艙示意圖

步驟4：定義前地板區域關鍵平臺化衍生尺寸。前地板總成主要包括各地板橫梁、大梁、門檻梁總成等。根據整車總布置要求和人機工程要求，汽車前輪到踏板的x向尺寸是固定不變的且前排座椅應該有一定的調節空間，因此，如圖6所示的尺寸“b1”與“b2”一般情況下不會變化，該尺寸存在的作用將在“2.2 模塊化建模策略”中詳細解釋。純電動汽車的動力來源為電池包，電動汽車的定位不同，對電池包的需求往往也不同，通過調整尺寸“b3”可以匹配不同電量的電池包，從而滿足不同車型的續駛里程需求。

圖6 平臺化前地板示意圖

步驟5：定義后地板區域關鍵平臺化衍生尺寸。后地板總成主要包含各地板橫梁、后縱梁、后減振塔等。圖7所示的尺寸“c1”與“c2”的公共引出點為后減振塔中心點，通過調整尺寸“b3”與“c1”的長度，可以實現整車軸距尺寸的變化。通過調整尺寸“c3”，可以實現后懸尺寸的變化，從而匹配不同類型的后懸架。

圖7 平臺化后地板示意圖

步驟6：基于上述區域劃分和關鍵衍生尺寸的下車體平臺基線總布置。從隱式參數化建模角度講，基線的布置決定了后續平臺變化的方式，是平臺化建模策略的關鍵所在，因此，為實現車型的快速衍生，對下車體進行如圖8a所示的基線布置。使用隱式參數化建模軟件建立下車體，具體細節此處不再贅述，根據基線布置建成的下車體如圖8b所示。

圖8 考慮平臺化建模的下車體

本章所提供的電動平臺架構為后面的模塊化建模提供了支撐，能很好地實現架構零部件的共用，在級別跨度范圍內，車身關鍵過渡區域和關鍵硬點具有較高的兼容性，能滿足本文優化或后續工程規劃的性能帶寬和尺寸帶寬。

2.2 模塊化建模策略

從前期建模角度來說，模塊化建模可以按分層結構來組織系統模型，使模型條理清晰，便于管理。共用的模塊可以大大減少建模工作量，在降低建模成本的同時大大提高模型可靠性。因為模塊的劃分，所以模型可實現并行開發，加快建模速度。從后期生產的角度來說，零件共用和生產線共用在極大程度上節約了成本，可實現車型的快速衍生，滿足市場需求，因此，模塊化建模是極為有意義的。在整車模塊化建模策略上，上車體為匹配性模塊劃分（即其模塊劃分依據主要是匹配下車體）；下車體為功能性模塊劃分（即下車體建模主要考慮共用零件的區域、平臺衍生區域、子系統性能驗證的便捷性等）。對本文的模塊化建模策略進行歸納總結，形成如下模塊化建模的規范。

步驟1：在平臺化區域劃分的基礎上進行區域界限細分。按照平臺化分區策略，將下車體模塊分為前艙模塊、前地板模塊和后地板模塊。其中，前艙模塊的劃分區間為前防撞梁到前地板與防火墻的焊接分縫線位置；后地板模塊的劃分區間為后段地板與輪罩前焊接分縫線以后的區域；前地板區域的劃分區間為前艙模塊與后地板模塊之間的部分。

步驟2：對前艙模塊中的功能性部件進行模塊化建模。前艙模塊中考慮衍生的功能性總成有前縱梁總成和前減振塔總成，其余模塊變化較小，可根據實際情況作為沿用件在其他車型中使用。前縱梁總成如圖9所示：將前縱梁總成分為3段，第1段為前縱梁的最前端到減振塔最前端，該段是正面碰撞過程中的主要能量吸收段；第2段為減振塔最前端到減振塔中心位置，該段在碰撞過程中吸能較少，整體變形較小，在正面碰撞中對電機可以起到很好的保護作用；第3段為減振塔中心到防火墻，在發生碰撞時，該段的變形行為主要表現為整體折彎，這種變形模式可以避免前縱梁受到沖擊直接插入乘員艙，因此能對前排乘員起到很好的保護作用。為考慮模塊的快速衍生，上述前縱梁總成采用“主點”的方式進行建模。

圖9 前縱梁總成建模策略

減振塔采用“T”字型的基線布置，基線的交點處采用“主點”，其余點為“從點”，采用“主、從點”建模的優勢在于只需要通過“主點”的移動，就能實現前懸的前移或后移。建模完成后的減振塔模型如圖10所示。

圖10 減振塔總成建模策略

步驟3：對后地板模塊進行模塊化建模。為方便對各個部件的管控，將后地板分為3段，建模完成的后地板如圖11所示。第1段為前地板后端焊接分縫線到后輪罩中心，與前減振塔類似的，后輪罩也采用“主、從點”的建模方法，后輪罩中心采用“主點”，其余采用 “從點”。采用這種建模方法的主要目的在于通過對“主點”的控制即可快捷地實現整車軸距的拉長與縮短。后地板的第2段為后輪罩中心到后輪罩最后端，該段一般變化較小，可以考慮作為沿用區。第3段為后輪罩中心到后防撞梁端面，該區域可作為沿用區考慮，也可以根據實際車型要求進行加長或縮短從而實現車廂空間的變化。

圖11 后地板總成建模策略

步驟4：對前地板模塊進行模塊化建模。前地板主要包含前地板主體部分、各橫梁及縱梁，是乘員艙的主要承載區。建模時，將前地板分為如圖12所示的5個區域，其中，A區域由前地板前端開始到A柱下接頭的末端結束，B區域由A柱下接頭的末端開始到B柱下接頭前端結束。C區域對應的是B柱存在的位置。D區域為B柱下接頭末端到C柱下接頭前端之間的部分，E區域為C柱下接頭到前地板末端之間的部分，D區域與E區域可作為前地板模塊的長度變化區滿足SUV、MPV等各種車型的要求。建模完成后的前地板總成如圖13所示。

圖12 前地板總成建模策略

圖13 前地板總成模型

步驟5：對上車體進行基于下車體模塊的匹配性建模。上車體的模塊化分區及建模方式與下車體類似，此處不再贅述。建模完成后的隱式參數化模型如圖14所示。

圖14 整車模塊化建模

2.3 實現平臺車型譜

如圖3的建模思想導圖所示，2.1節初步形成了電動汽車平臺化建模策略，2.2節初步形成了電動汽車模塊化建模策略，平臺化建模思想與模塊化建模方法共同作用，即可實現車型的快速衍生。本節給出了以下幾種車型衍生方法。

衍生1：加長或縮短前端長度。如圖15所示，前端長度的變化主要是通過調節尺寸a2來實現的，即對前減振塔基線的“主點”進行前移或后移，為滿足更多的性能要求或空間布置要求，還可以配合修改前縱梁不同功能區的尺寸。

圖15 前端的衍生

衍生2：加長或縮短后端長度。如圖16所示，后端長度的變化方式與前端長度類似，主要是通過調節后地板區域的A區與C區來實現的，而這兩個區域的調節即為對后輪罩模塊和后減振塔模塊“主點”的調節。

圖16 后端的衍生

衍生3：加寬或減小輪距。如圖17所示，輪距的變化主要是通過調節尺寸e2與j2來實現的，即同時對前減振塔模塊的“主點”、后減振塔模塊的“主點”以及后輪罩模塊的“主點”進行調節。

圖17 輪距的衍生

衍生4：車高變化。如圖18所示，通過上下移動各頂蓋橫梁及頂蓋的基點和基線可以實現車高的變化。

圖18 車高的衍生

由上述幾種典型的車型衍生方式也可以看出，采用本文所提出的平臺化與模塊化建模策略，通常只需要對關鍵模塊的基線或基點進行簡單地移動即可實現車型的快速衍生，大大提高了建模效率。

3 車身與電池包架構平臺的性能帶寬規律探究

同一架構平臺下不同車型由于配置不同、外形尺寸不同從而導致車身的各性能指標也不盡相同，因此，對不同尺寸變化導致的性能變化規律進行探究。在白車身各項性能中，基于3節的全參數化模型，探究了目標車型軸距、輪距、車高、前端長度、后端長度的變化對扭轉剛度、一階扭轉模態、一階彎曲模態和前端橫擺模態的影響。

圖19 尺寸變化示意圖

通過控制尺寸“e”和尺寸“j”進行輪距的調整，調整后的性能變化曲線如圖20所示。對比質量曲線與扭轉剛度曲線可以發現，隨著輪距的增加，白車身質量增加，各模態呈現下降趨勢，扭轉剛度呈現增加的趨勢，但是犧牲質量而帶來的扭轉剛度增加收益不高。

圖20 輪距變化各性能曲線

通過控制2.1節平臺化建模策略所示的尺寸“a”和尺寸“c”進行軸距的調整，調整后的性能變化曲線如圖21所示。隨著軸距的增加，各模態呈線性下降的趨勢，而與輪距變化不同的是，扭轉剛度呈現線性下降趨勢，因此，當設計空間較大時，可以靈活地組合輪距與軸距實現扭轉剛度的提升，同時保證較高的輕量化水平。

圖21 軸距變化各性能曲線

通過對頂蓋基點與基線的調整，可以實現整車高度的變化，變化后的性能曲線如圖22所示。隨著車高的增加，各模態呈線性下降趨勢，扭轉剛度呈現線性上升趨勢。

圖22 車高變化各性能曲線

通過移動如3.2節所述前懸與后懸“T”型基線的主節點，可以實現前端長度與后端長度的加長與縮短，變化后的性能曲線如圖23和圖24所示。其中，當前端長度與后端長度變化時，扭轉剛度的變化趨勢是一致的，但是后端長度變化導致的扭轉剛度變化率大于前端長度變化導致的扭轉剛度變化率，即縮短后端長度帶來的扭轉剛度提升收益更高。同時，對比各模態的變化曲線可以看出，隨著前端長度或后端長度的增加，各模態呈下降趨勢。

圖23 前端長度變化各性能曲線

圖24 后端長度變化各性能曲線

同時對比了如圖25所示的軸距與輪距變化時各模態性能的變化：通過對比前端橫擺模態曲線和一階扭轉模態曲線可以發現，輪距對應的質量曲線斜率比軸距對應的質量曲線斜率大，當衍生比目標車型更大的車型時，軸距增加所帶來的前端橫擺模態和一階扭轉模態的提高收益更大。當軸距或輪距增加時，輪距變化對應的一階彎曲模態均大于軸距變化對應的一階彎曲模態且二者下降的曲率接近，考慮到輪距對應的質量曲線斜率比軸距對應的質量曲線斜率大，因此，小范圍的輪距增加對一階彎曲模態是有益的，但是當輪距增加較大時，用較大的質量增加換來的一階彎曲模態是不可取的。

圖25 輪距與軸距變化各模態性能對比曲線

4 結論

本文將平臺化與模塊化建模的思想引入到實際建模的工作中，提出了基于隱式參數化方法的電動汽車平臺化與模塊化建模策略。

（1）基于隱式參數化建模方法提出了純電動汽車車身與電池包的平臺化與模塊化的建模策略，建立了一款純電動汽車的CAD/CAE一體化全參數化模型。

（2）基于該建模技術建立了目標車型的隱式參數化模型，然后給出了幾種典型車型衍生的方法。

（3）基于建立好的模型對目標車型進行了車身與電池包架構平臺的性能帶寬規律研究，探究了輪距、軸距、車高、前端長度以及后端長度變化對剛度以及模態性能的影響。為電動汽車車身與電池包的平臺化設計提供了參考和依據，有助于實現基于性能驅動的電動汽車車身與電池包的短周期開發。