基于整体拓扑优化的白车身轻量化设计
拓扑优化设计在轻量化结构中的应用研究
拓扑优化设计在轻量化结构中的应用研究轻量化结构设计目前已经成为了工程领域中的一个热点话题。
轻量化不仅可以有效地提高产品的功能，还可以降低结构成本以及对环境的影响。
而拓扑优化设计则是一种基于形状优化的新技术，它可以优化产品的结构形状，从而使得结构更加轻便，性能更加出色。
本文将深入探讨拓扑优化设计在轻量化结构中的应用研究。
一、拓扑优化设计的基本原理拓扑优化设计是一种结构优化的方法，其目的是在给定的约束条件下，寻找出最优的结构形状，以便达到某种性能需求。
拓扑优化一般分为两种，一种是基于密度的拓扑优化，另一种则是基于位形的拓扑优化。
基于密度的拓扑优化是通过对结构内部的某种密度函数进行优化，来实现最终设计结构的轻量化。
在该方法中，研究人员通常会将结构划分成像素或有限元网格的形式，然后通过调整像素或有限元的密度来改变资料的位置和形状，以实现设计目标。
基于位形的拓扑优化是将结构的固有位形变量视为设计变量，通过调整位形的取值来获得更好的设计。
在该方法中，位形的取值范围通常是一个代数表达式，该表达式包含了一些参数，通过优化这些参数，可以得到更加适合的设计。
不管是基于密度的拓扑优化还是基于位形的拓扑优化，其核心原理都是通过优化结构的形状，来达到轻量化的效果。
二、拓扑优化设计在轻量化结构中的应用在轻量化结构的应用中，拓扑优化设计已经得到了广泛的应用。
当前，拓扑优化设计多数被用于轻量化材料的应用，包括复杂结构的钛合金部件，高强度结构材料的几何设计等。
在实际应用中，拓扑优化设计主要被用于以下几个方面：1. 功能集成设计在功能集成设计中，拓扑优化设计可以将不同的部件通过优化满足不同的功能，从而实现针对性的功能集成。
例如可以利用拓扑优化方法进行热设计，实现汽车发动机的氧气输送管和冷却水管的综合优化设计，使得发动机更加轻便。
2. 级数优化设计在级数优化设计中，拓扑优化设计可以通过改变部件的大小、形状及位置等方法，从而优化级数的大小。
设计报告内容-轻量化设计分析报告
零件
轻量化方案
备注
PA
3
加油口盖
PPO/PA
4
防撞杆
防撞杆连接板
高强度钢
5
车门内板
激光拼焊
6
前纵梁
激光拼焊、高强度钢
7
A/B柱加强板
高强度钢、激光拼焊
8
前、后保险杠横梁
超高强度钢、热压成形
9
车身结构件、加强件
高强度钢
10
白车身
有限元分析
根据分析结果进行结构优化
设计报告内容-轻量化设计分析报告
设计报告
车型
T13
文件编号
系 统
白车身系统
日 期
项 目
T13
编 制
属 性
新材料新技术及轻量化设计分析报告
审 核
白车身的轻量化设计主要是通过开减重孔、应用新材料新技术的方法。可以考虑加以利用的新材料新技术有以下几点：
一、采用（超）高强度钢板代替普通钢板
目前高强度钢板的生产及加工技术已经很成熟，用来代替普通钢板生产零件可以减小零件厚度，可以实现车身减重的目的，同时还能获得比普通钢板更优的碰撞安全性能。
四、利用有限元分析进行优化设计
利用有限元分析和优化设计方法进行结构分析和结构优化设计，在保证强度和钢度的前提下在适当的地方开减重孔，也可以减小车身的重量。
设计报告
车 型
T13
文件编号
系 统
白车身系统
日 期
项 目
T13
编 制
属 性
新材料新技术及轻量化设计分析报告
审 核
综上所述，T13可供考虑的轻量化设计清单如下：
高强度钢可用于各结构件、加强件如前纵梁、A/B柱及其加强板等零件。超高强度钢主要可用于防撞杆/梁、前后保险杠安装横梁。
张继游_基于OptiStruct的白车身拓扑优化研究
图 3 弯曲刚度工况优化结果 (2）扭转刚度工况
图 4 柔度迭代过程
图 5 优化结果解析
扭转刚度工况优化结果如图 6 所示。柔度经过 80 迭代，最终优化的最小柔度为 97.7N·mm，迭 代过程如图 7 所示。由图 8 可知，材料在备胎前横梁①和后横梁堆积②，可知该两个结构对扭转刚度 作用大，同时后纵梁中段前横梁①通过载荷传递路径与门槛梁③前端相连。
图 12 后面碰撞工况优化结果 (5）侧面碰撞工况
图 13 柔度迭代过程
图 14 优化结果解析
侧面碰撞工况优化结果如图 15 所示。柔度经过 18 迭代，最终优化的最小柔度为 9.5KN·mm，迭 代过程如图 16 所示。由图 17 可知，载荷传递路径有 3 条，分别是门槛梁前端横梁①、门槛梁中部横 梁②和门槛梁末端横梁③。
图 15 侧面碰撞工况优化结果
图 16 柔度迭代过程
图 17 优化结果解析
本研究通过对五个单独分析工况进行拓扑优化，获取各个工况的最佳材料分布和载荷传递路径， 载荷传递路径上的零件， 即为保证对应工况性能要求的关键部件， 为前期车身架构设计提供指导意见， 将在后期的性能优化中获得重点关注。
3.3 综合工况优化结果分析
综合优化工况包括刚度工况 （弯曲刚度和扭转刚度） 、 碰撞工况(正面碰撞、 后面碰撞和侧面碰撞)。 对于每一种工况，都会有不同的拓扑优化结构与之对应，为了找到满足各主要工况的拓扑结构，本文 采用折衷规划法，参见公式（3.1） ，其中，
汽车白车身铝合金应用策略和结构设计简析
汽车白车身铝合金应用策略和结构设计简析近年来，汽车行业对于轻量化材料的需求越来越高，白车身铝合金作为一种重要的轻量化材料被广泛应用于汽车制造中。
本文将从应用策略和结构设计两个方面对汽车白车身铝合金进行简析。
一、应用策略1. 轻量化需求推动白车身铝合金应用随着环保意识的增强和燃油效率的要求，汽车制造商对于汽车整车重量的控制越来越严格。
白车身铝合金因其轻质高强度的特点成为了替代传统钢材的理想材料。
通过使用白车身铝合金，可以降低车身重量，提高车辆的燃油经济性和操控性能，满足消费者对于节能环保的需求。
2. 不同车型应用策略的差异白车身铝合金的应用策略在不同车型之间存在差异。
一般来说，高端豪华车型更倾向于采用白车身铝合金，因为其制造成本较高，但可以提供更好的操控性能和燃油经济性。
而中低档车型则更多采用钢材，以降低制造成本。
然而，随着白车身铝合金生产工艺的不断改进和成本的降低，中低档车型也逐渐开始采用白车身铝合金，以提升整车性能和节能环保指标。
二、结构设计1. 材料选择与强度设计在白车身铝合金的结构设计中，首先需要根据车辆的使用场景和预期的性能要求选择合适的铝合金材料。
不同的铝合金材料具有不同的强度和韧性特点，需要根据车身结构的受力情况进行合理的选择。
同时，还需要进行强度设计，确保白车身铝合金在正常使用过程中具有足够的强度和刚度，以保证车辆的安全性和稳定性。
2. 结构设计优化白车身铝合金的结构设计需要考虑到多个因素，包括强度、刚度、疲劳寿命、安全性等。
通过优化设计，可以在保证结构强度的前提下，尽可能减少材料的使用量，实现车身的轻量化。
例如，可以采用蜂窝结构、梁柱结构等设计方法，提高结构的刚度和强度。
此外，还可以通过应用高强度铝合金和复合材料等新材料，进一步减轻车身重量。
3. 制造工艺和连接技术白车身铝合金的制造工艺和连接技术对于车身结构的性能和质量至关重要。
制造工艺包括板料成形、焊接、涂装等过程，需要保证每个环节的精准控制，以确保车身结构的精度和表面质量。
SAE-ChinaJ0703-2013《轿车白车身轻量化设计方法》讲解
GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》；
GB20071-2006《乘用车侧面碰撞的乘员保护》；
GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》；
SAE-China J0702－2013技术规范“普通乘用车白车身弯曲刚度测试方法”；
4.2
按照国家标准GB20071-2006《乘用车侧面碰撞的乘员保护》，进行基于侧面碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如侧面压溃量、白车身吸能量、B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。
4.3
按照国家标准GB/T20913-2007《乘用车正面偏置碰撞的乘员保护》，进行基于正面偏置碰撞的白车身结构轻量化设计时，只考虑白车身结构的抗撞性评价指标如前端压溃量、白车身吸能量、防火墙侵入量和B柱加速度等，不考虑车内假人的伤害指标。
5.2
在进行整车被动安全性分析模型验证时，考虑到车身的四门两盖和门窗玻璃对整车被动安全性仿真分析结果有重要影响，车身有限元模型中包含四门两盖和门窗玻璃模型。
5.2.1
按照国家标准GB11551-2003《乘用车正面碰撞的乘员保护》，进行刚性壁障整车正面碰撞仿真分析，其假人伤害指标应满足标准规定要求；提取白车身结构抗撞性评价指标，如前端最大压溃量、B柱碰撞加速度曲线、防火墙最大侵入量、白车身吸能量曲线。
3.2
白车身产生单位扭转角所需要的外加扭矩，它表征了白车身抵抗扭转弹性变形的能力。
3.3
使白车身产生单位弯曲变形所需的弯矩，它表征了白车身抵抗弹性弯曲变形的能力。
3.4
指轿车前后轮距的平均值与轴距的乘积。
3.5
指白车身的性能指标，如弯曲刚度、扭转刚度、一阶整体弯曲频率、一阶整体扭转频率等，相对白车身结构设计变量如板厚、梁截面面积和形状尺寸等的一阶导数。
车身扭转刚度分析及拓扑优化
白车身扭转刚度分析及拓扑优化Torsion Stiffness Analysis and TopologyOptimization of Body in White摘要: 白车身（Body in White, BIW）的扭转刚度是车身重要的力学性能之一，对整车各方面的性能有着直接或间接的影响。
本文在已有量产车型基础上，运用HyperMorph工具建立了轴距加长150 mm对应的Morph模型。
以Morph模型为研究对象，以扭转工况对应的柔度最小化为目标，利用OptiStruct软件进行了拓扑优化分析。
基于拓扑优化结果，对后地板横梁加强板、连接板、后围结构进行了形状优化和截面优化，优化后扭转刚度提升了4.85 %，对后续的设计具有一定的指导意义。
关键词:白车身，Morph模型，扭转刚度，OptiStruct，拓扑优化Abstract:The torsion stiffness of the Body in White (BIW) is one of the important mechanical properties of the body, and has a direct or indirect effect on the performance of all aspects of the vehicle. In this paper, based on the existing production models, the corresponding Morph model with 150 mm longer wheelbase was established by using HyperMorph tool. Then, taking Morph model as the research object and aiming at minimizing the compliance corresponding to the BIW torsion condition, topology optimization analysis was carried out by using OptiStruct software. Finally, based on the results of topology optimization, shape and section optimization were carried out for the rear floor beam reinforcing plate, connecting plate and the rear frame structure. As a result, the torsion stiffness is improved by 4.85 % after optimization, which has certain guiding significance for the subsequent design.Key words:Body in White, Morph model, torsion stiffness, OptiStruct, topology optimization1 概述随着经济的快速发展，汽车已经成为人们日常生活中不可缺少的交通工具。
白车身骨架模态研究与结构优化设计
2024年第2期47白车身骨架模态研究与结构优化设计马保林，熊辉，张略（奇瑞汽车股份有限公司，芜湖 241000）摘 要：为了提高某承载式车身骨架的模态，解决其在汽车行驶过程中与外界激励频率重合产生共振和异响，改善白车身骨架的NVH性能，对某轿车白车身进行研究并对关键零部件进行了结构优化设计，并进行有限元分析验证。
根据有限元分析及实车验证，这些结构优化方案对改善车身模态频率具有良好的效果，为其他车型提供设计参考。
关键词：模态分析，结构优化，白车身，有限元分析中图分类号：U463.8 文献标识码：A 文章编号：1005-2550（2024）02-0047-05Research on the BIW Modal and Optimization Design of theStructuralMA Bao-lin, XIONG Hui, ZHANG Lue (Chery Automobile Co., Ltd., WuHu 241000, China)Abstract: In order to improve the mode of a load-bearing body frame, solve the resonance and abnormal noise caused by its overlap with the external excitation frequency during the driving process of the car, and improve the NVH performance of the BIW skeleton, the BIW of a car was studied, and the structural optimization design of key components was carried out, and the finite element analysis was carried out to verify it. According to the finite element analysis and actual vehicle verification, these structural optimization schemes have a good effect on improving the modal frequency of the body, and provide design reference for other models.Key Words: Modal Analysis; Structural Optimization; Body-In-White; Finite Element Analysisdoi:10.3969/j.issn.1005-2550.2024.02.008 收稿日期：2024-01-021 前言随着我国汽车行业的飞速发展，乘员对于汽车振动噪声品质的要求不断提高。
基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计
10.16638/ki.1671-7988.2019.17.066基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计李铁柱，华睿，黄维（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽合肥230601）摘要：车身扭转刚度对整车操纵稳定性和NVH性能具有重要的影响，是车身设计的重点和难点。
文章针对某车型白车身的扭转刚度性能提升设计，通过采用局部结构拓扑优化的方法，有效识别了提升性能的局部拓扑优化结构，以最少的重量增加实现性能最大化设计，并制作了实际加强方案，白车身仿真分析验证了方案的有效性。
关键字：拓扑优化；白车身；扭转刚度；轻量化中图分类号：U467.1 文献标识码：A 文章编号：1671-7988(2019)17-180-03Torsional Stiffness Performance Design of Body-in-White Based onTopology OptimizationLi Tiezhu, Hua Rui, Huang Wei( Anhui Jianghuai Automotive Group Co. Ltd, Anhui Hefei 230601 )Abstract:Torsion stiffness of the body structure has an important impact on vehicle handling stability and NVH performance, and is the focus and difficulty of body design. In this paper, the torsional stiffness performance improvement design of a body-in-white of a vehicle model is studied. The topology optimization method is used for the local body structure design. The structure of the improving performance is effectively identified, and the performance maximization design is realized with the least weight increase, and the actual reinforcement scheme is produced. The simulation analysis of the body-in-white verifies the effectiveness of the scheme.Keywords: Topology Optimization; Body In White; Torsion Stiffness; LightweightCLC NO.: U467.1 Document Code: A Article ID: 1671-7988(2019)17-180-031 引言汽车行业竞争日益加剧，消费者对汽车的安全性、NVH、操纵驾驶性和疲劳耐久性也越来越重视。
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基于整体拓扑优化的白车身轻量化设计
作者：杨蔚胡朝辉陈涛
来源：《汽车科技》2012年第06期
摘要：传统拓扑优化技术主要集中在单个零部件的减重孔位置以及大小进行优化设计，而忽略整体车身结构的空间优化。
本研究针对某微车，在概念设计阶段，通过采用整体拓扑优化技术，着眼整体空间结构，以车身弯曲刚度和扭转刚度作为优化目标，对整体车身结构进行优化设计，得到最优的车身承载骨架，实现整体车身结构的空间布局优化，从而为车身详细设计阶段的轻量化设计提供指导。
关键词：轻量化设计；拓扑优化；白车身；刚度
中图分类号：U464.82 文献标志码：A 文章编号：1005-2550（2012）06-0031-09。