新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究
基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计
基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计张伟;侯文彬;胡平【摘要】针对电动汽车的独特承载要求，提出一种结合拓扑优化和车身尺寸优化的优化设计方法。
以某型电动汽车为实例，通过建立白车身拓扑优化模型、有限元概念模型、尺寸优化模型和样车制造，进行了从整车拓扑结构到车身梁截面的优化设计过程，实现了电动汽车白车身的正向设计。
在优化过程中采用遗传算法，以弯曲刚度和扭转刚度同时作为优化目标，白车身质量最小作为优化约束，选取了灵敏度较高的梁作为变量进行多目标优化。
通过与样车参数的比较表明，该方法能够满足设计和工艺要求，实现轻量化设计，对提高白车身设计效率和精度有着重要的意义。
%According to the special requirements of the electric vehicle,a method on the basis of topolo-gy optimization and genetic algorithm was presented.In a sample of an electric vehicle,the optimization process includes structural topology optimization and section optimization through topology optimization model,finite element conceptual model,size optimization and manufacture of prototype,which indicates that the forward design can be achieved.In the process of optimization,the obj ectives are bending stiffness and torsional stiffness,and meanwhile,the minimum weight was set as a constraint.By choosing high sensitive beams,the multi-obj ective optimization was presented with genetic pared with the results of the real car,this method can meet the requirements of light weight design and manufacture, which provides theoretical significance in increasing the efficiency and accuracy of optimization.【期刊名称】《湖南大学学报（自然科学版）》【年(卷),期】2014(000)010【总页数】7页(P42-48)【关键词】拓扑优化;遗传算法;电动汽车;白车身【作者】张伟;侯文彬;胡平【作者单位】大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连 116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024;大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室，辽宁大连116024; 大连理工大学汽车工程学院，辽宁大连 116024【正文语种】中文【中图分类】U463.811电动汽车（EV）在近几年得到了高速发展，其高效率、绿色环保等特点也吸引了越来越多学者的关注.而对于电动汽车白车身的研究也从改装传统动力汽车逐步发展到符合电动汽车特殊要求的专用白车身.高云凯等[1］在客车车身的优化中，采用了拓扑优化方法来获得车身的最优设计.谢伦杰等[2］在单目标拓扑优化的基础上引入了更全面的优化目标，实现了电动汽车白车身的多目标优化.上述文献虽然证明了拓扑优化在车身设计中的有效性，但单独应用拓扑优化得到的模型是车身质量的分布，因此并不能很好地描述车身截面的形状和尺寸，不能提供精确的车身模型.文献[3－4］提出了白车身梁截面的多目标优化方法，能够实现白车身的轻量化设计，并提供较为精确的白车身模型.但是这些多目标优化方法只能基于现有的车身模型进行优化设计，并不能在正向设计中实现车身拓扑结构的优化.本文结合上述两种优化方法，首先将拓扑优化引入到电动汽车白车身的正向设计中去，以拓扑优化结果为基础，建立白车身概念模型并根据遗传算法原理，以质量最小为约束，弯曲刚度、扭转刚度为目标，实现白车身梁截面多目标优化.使优化后的电动汽车白车身能够直接用于生产制造过程，从而达到轻量化设计的目的.通过某型电动汽车的设计和制造过程，充分验证了上述方法的有效性和高效性.1 白车身拓扑优化模型结构的拓扑优化过程实际是在给定的设计区域内寻求最优材料分布的问题[5］.对于连续体问题，拓扑优化能够精确和高效地实现最佳结构，因此在汽车车身设计的早期阶段其扮演着越来越重要的角色.本文采用的是基于变密度法的SIMP（Solid Isotropic Microstructures with Penalization）优化方法.SIMP方法做了如下假设：引入一种假想的相对密度在0～1的可变材料；并假设该材料的宏观弹性模量与其密度具有非线性关系；采用惩罚因子约束抑制为0～1的单元.SIMP优化方法的原理是在假设的材料用量下，寻求在某种量度条件下的具备最大刚度结构的材料最佳分布形式[6］.因此电动汽车白车身的拓扑优化公式表达为[7］：式中：ρe为第e个单元的相对密度；V为初始材料设计体积，被定义为长度为3 000mm，宽度为1 600mm，高度为1 500mm的长方体；V0为优化后要保留的体积，一般由相对密度与单元真实体积加权之和求得，即为体积约束，在拓扑优化过程中为了满足设计域的要求，体积约束取值小于1.在优化过程中，刚度最大化问题可转化为结构柔度最小化，函数c（ρe）为柔度目标函数，可写为：式中：ue为单元的位移向量；Ke为单元的刚度矩阵；P为惩罚因子.根据SIMP方法有：式中：Ke0为第e个单元的初始刚度矩阵.在工程应用中，惩罚因子的取值范围通常为3～5.在电动汽车白车身的拓扑优化过程中，将车身外形和尺寸作为几何约束，并考虑乘员舱、动力系统及行李舱等设计空间，同时综合考虑车身的弯曲工况、扭转工况进行拓扑优化设计.与传统动力汽车不同的是，本文中的电动汽车动力系统采用中置布局，将电动机和电池等布置在乘员舱与后轴之间，因此在拓扑优化过程中需要重新考虑车身的载荷分布并在传统动力汽车发动机舱部分得到更多的设计空间.车身外形如图1所示.图1 某型电动汽车车身外形Fig.1 A electric vehicle body style电动汽车的设计参数见表1.其中弯曲工况和扭转工况模拟了电动汽车车身在匀速行驶时车身的承载情况.在优化过程中弯曲工况按如下方式定义：约束4个悬架支座的6个自由度，施加动力系统模块和乘员舱及行李舱的负荷，计算多种负荷同时施加时的车身有效弯曲刚度；弯曲工况按如下方式定义：约束后轴2个悬架支座的6个自由度，在前轴2个悬架支座分别施加大小相等、方向相反的等效力[8］.表1 某型电动汽车设计参数Tab.1 The design parameters of a electric vehiclemm 2 100前轮距/mm 1 244后轮距/mm 1 186弯曲刚度/（N·m－1）8 000扭转刚度/（N·m·deg－1） 7 000动力系统模块负荷/kg 150（距前轴800mm）乘员舱负荷/kg 200（距前轴1 000mm）参数数值轴距/在车身的拓扑优化过程中，取2种工况的权重相等，取惩罚因子等于2，经过反复验证得到的拓扑优化结果如图2所示.车身的拓扑优化结果实质是车身的质量单元的分布情况，通过质量单元分布的疏密程度形成了车身中每一根梁.如图2所示，车身前半段的质量单元确定了防火墙位置，从而基本确定了前设备舱的轮廓及其在车身中的比例.拓扑优化结果中的侧围位置的质量单元确定了B柱的位置，由于该型车是单排座椅，因此根据B柱的位置，乘员舱的尺寸及其在车身中的位置也确定了下来.跟上述分析过程类似的是，优化结果中质量单元最为集中的部分是两根贯穿整个车身的形状类似“彩虹”的梁，它们将成为车身中的主要承载部件.图2 白车身拓扑优化结果Fig.2 The results of body in white topology optimization白车身拓扑优化结果是一个比较抽象的车身模型，它定义了车身主要承载结构的位置和形状，为车身的设计提供了重要参考，但并没有详细描述出白车身中每根梁的参数细节.因此需要结合白车身设计制造的工程经验和资料，来得到车身概念模型.基于拓扑优化结果构建的车身梁结构如图3所示，根据拓扑优化的结果建立车身概念模型的过程主要分为3个部分：车厢地板、侧围、其他附属部件.在构建车厢地板的过程中，首先根据拓扑优化结果，按照最大化乘员舱的原则，确定乘员舱的位置及地板梁的分布情况；再以前轮罩的形状作为约束，确定前设备舱的梁的位置和尺寸；最后再根据车身的设计长度确定货厢的形状和尺寸.在车厢地板的设计过程中，A柱和B柱的位置也同时能够确定下来，因此再结合“彩虹梁”的尺寸，车身侧围的梁结构也较为容易地构建出来.图3中放大图所示为“彩虹”梁构建过程，在拓扑优化结果中，“彩虹”梁的截面形状接近圆形，并大致确定了梁的走向.为了保证梁的平滑，按照B样条线的生成原则，建立了“彩虹梁”的实体模型，并根据实体模型建立了车身的概念模型.图3 白车身梁的拓扑结构Fig.3 The topology structure of a beam in body in white图4所示是根据拓扑优化结果建立的白车身概念模型，其中主要承载梁的数量和位置是依据拓扑优化结果来确定的，并根据车身功能和生产工艺要求做了适当的修改.有别于传统的车身概念有限元模型，以图中的概念模型为基础建立的有限元模型在A柱、B柱等位置引入了柔性接头概念，能够有效地提高仿真的精度，缩短白车身的设计周期.车身概念有限元模型采用梁单元与壳单元相结合，在计算速度与计算精度上达到了较好的统一，模型中梁的个数为36根，单元数为396，采用铝合金作为主要材料，即密度为2.7g/cm3，弹性模量为72GPa，泊松比为0.31.施加载荷按如下定义：弯曲工况下，在距前轴886mm处施加竖直向下的等效载荷3 430N；扭转工况下，在前轴两减振器支座上分别施加竖直向上和向下的力463N.2 应用遗传算法的白车身优化模型2.1 多目标优化数学模型多目标优化的过程是对每一个子项单独应用优化算法，再对每一项加权从而叠加得到多目标优化的解.对于白车身的刚度优化问题的一般数学模型为：式中：x为优化变量，在本文中优化变量选取的是灵敏度较高梁的截面几何尺寸；f1（x）为弯曲刚度的目标函数，f2（x）为扭转刚度的目标函数，根据该型电动汽车设计参数的要求，弯曲刚度应不低于8 000 N/m，扭转刚度应不低于7000N·m/deg.g（x）为车身质量约束函数，在优化过程中该约束被定义为车身质量增加量最小，即满足整车刚度要求的最小车身质量.图4 白车身概念模型Fig.4 Body in white conceptual model2.2 优化目标式中：E1为白车身的弯曲刚度；F0为施加在车身上的等效载荷；u为门槛梁的垂直位移.白车身的扭转刚度按式（6）定义：式中：E2为白车身的扭转刚度；M0为施加在前轴的扭矩，在有限元模型中被定义为M0＝2Fw，其中F为施加在前轴上两个方向相反的力，w为前轴距；θ为前后轴的扭转角度.因此目标函数可以写为：式中：E1，obj和E2，obj分别为设计弯曲刚度和设计扭转刚度；α和β分别为弯曲刚度和扭转刚度在目标函数中的权重.多目标优化问题的实质是对各个子目标进行协调和折中处理，使各个子目标函数尽可能达到最优，因此需要合理地选择子目标的权重.白车身刚度的优化目标为弯曲刚度和扭转刚度，并且它们对于车身性能的影响都比较大，因此采用线性加权法赋予它们相同的权重，归一化后，2个权重的取值均为0.5.2.3 优化变量在选择优化变量时，由于薄壁圆管的刚度质量比与圆管的直径成正比，而与圆管的厚度没有关系，因此将圆管的直径作为优化变量.在考虑对称性和几何连接的因素后，优化变量见表2，总计25个.在优化过程中，首先需要计算的是优化变量的灵敏度，即优化变量对目标函数的贡献值，剔除对车身刚度贡献较小的优化变量，从而提高计算效率.在优化过程中，灵敏度被定义为：式中：Fn为第n个变量对应的目标函数值；Xn为第n个变量值，本文中灵敏度的含义是目标函数值相对于梁截面直径的变化率.本次优化过程中的优化变量灵敏度计算结果见表2.由于目标函数值越小，车身刚度越大[9］，因此灵敏度绝对值越大，对目标函数的贡献值越大.通过灵敏度计算结果的分析可知，“彩虹”梁对车身刚度的贡献最大，是车身中的主要承载部位，这同时也验证了拓扑优化的结果.表2 多目标优化变量Tab.2 The optimization variables编号变量名称灵敏度1前防撞梁－0.009 2发动机舱横梁－0.005 3防火墙上横梁－0.009 4 A柱横梁－0.016 5 B柱横梁－0.018 6地板前横梁－0.015 7地板中横梁－0.013 8地板后横梁－0.010 9行李舱前横梁－0.008 10 行李舱后横梁－0.007 11 后防撞梁－0.003 12 前纵梁－0.018 13 防火墙下横梁－0.005 14 门槛梁－0.017 15 地板纵梁－0.019 16 中央通道－0.023 17 行李舱中央纵梁－0.012 18 行李舱纵梁－0.009 19 后防撞梁连接梁－0.000 3 20 A柱－0.011 21 B柱－0.019 22 彩虹梁－0.031 23 B柱连接纵梁－0.013 24 行李舱连接梁－0.000 2 25 行李舱横梁－0.000 52.4 遗传算法的实现在众多求解多目标问题的算法中，遗传算法以其高效率、适应性强等特点被越来越多地应用在多目标优化问题中.遗传算法是一种具备自我调节能力的优化方法，它参考了进化论和遗传学的原理，实现了对连续变量或离散变量的优化.遗传算法在种群的繁殖过程中，以适应度作为种群中个体是否淘汰的标准，通过交叉和变异实现种群的最优化，从而得到问题的最优解.在白车身的多目标优化过程中，设优化参数的取值范围为40～100mm.通过采用浮点数进行编码来提高优化的效率，同时综合考虑遗传算法的效率和计算量取种群数为200.遗传算法在优化过程中不依赖任何外部的信息，仅以个体的适应度作为进化的依据.因此，选择合适的适应度函数对遗传算法的效率尤其重要.本文采用的适应度拉伸方法如式（9）[10］所示：式中：fm为第m个个体的适应度；g为遗传代数；θ为温度；θ0为初始温度；n 为种群规模.按上述公式定义的适应度使得在遗传算法的前期，个体的适应度相近，从而产生的后代概率相近.当温度不断下降后，拉伸作用加强，使个体的差异性被放大，从而使得优秀的个体优势更明显.在优化过程中，有时会碰到种群无法进化的现象.这是因为当个体具有同样的染色体、拥有相同的适应度时，种群无法选择出最佳的个体.这时需要引入适当的概率算法，能够增大交叉和变异的概率，从而推动种群的进化.采用自适应交叉概率和变异概率的计算公式为[11］：式中：fc为要交叉的2个个体中适应值较大的一个；fm为要变异的个体的适应值；fmax和favg分别为群体的最大适应值和平均适应值；Pc1，Pc2，Pm1，Pm2均为常数.3 白车身多目标优化结果在VCD（Vehicle Concept Design）系统中，按照上述有限元模型计算得到的应力云图如图5和图6所示.图中表示的是Mises等效应力云图，在弯曲工况下，白车身的最大应力出现在“彩虹”梁的中段；在扭转工况下，白车身的最大应力出现在“彩虹”梁的前段，因此作为车身的主要承载结构，“彩虹”梁的直径应是所有梁中最大的.图5 弯曲工况应力云图Fig.5 The stress nephogram of bending图6 扭转工况应力云图Fig.6 The stress nephogram of torsion在VCD系统的优化模块中调用Nastran求解器对初始车身模型进行优化.在优化模型的建立过程中，经过反复验证，综合考虑了车身质量和车身刚度，将圆管的初始直径设定为40mm，厚度为1 mm.为了提高优化效率，优化过程中选取了灵敏度较高的梁，总计14根.同时为了满足薄壁管件的工艺要求，优化后的取用值按四舍五入取整，梁截面优化的结果见表3.优化前后的车身质量、函数值、刚度等对比见表4，车身的初始设计刚度约达到了设计要求的50%，而优化后虽然质量有了35%的降低，但弯曲刚度和扭转刚度分别提高了87%和84%.结果表明，在刚度达到设计要求的同时，实现了白车身质量最小，达到了轻量化设计的目的.表3 圆管直径优化结果Tab.3 The optimization results of tubes40 45.61 46 B柱横梁 40 47.45 47地板前横梁 40 45.31 45地板中横梁 40 44.17 44地板后横梁 40 40.65 41前纵梁 40 48.77 49门槛梁 40 46.21 46地板纵梁 40 51.65 52中央通道 40 54.78 55行李舱中央纵梁 40 43.11 43 A柱 40 41.89 42 B柱 40 51.65 52彩虹梁 40 65.34 65 B柱连接纵梁变量名称初始数值优化数值取用值A柱横梁40 44.17 44表4 白车身多目标优化结果Tab.4 The optimization results of body in white? 车身的优化设计结果为样车的设计和制造提供了重要的依据，根据拓扑优化结果构建的车身结构模型确定了样车前设备舱、乘员舱、货舱3部分的轮廓及其在车身中的相对位置，从而确定了车身中主要梁的位置和形状.在拓扑优化的基础上，通过对主要梁截面的多目标优化，得到了满足车身性能要求的最佳梁截面，为薄壁管件的选择提供了依据.多目标优化的结果是小数，因此需要根据标准薄壁管件的许用值选用最接近的标准件.白车身中梁与梁的接头采用螺栓和焊接结合的办法来增强接头的刚度，外覆盖件通过采用工程塑料和碳纤维板来同时满足美观和轻量化的要求.根据优化结果制造的某型电动汽车样车如图7所示.经过刚度和称重实验，样车白车身的实际参数见表5.与样车结果相比，优化结果的平均误差大约为14.67%.误差主要来源于有限元模型计算误差以及实车的制造误差.有限元概念模型是基于梁单元的简化模型，因此计算结果会存在5%～10%的误差.同时在样车的制造过程中受限于制造工艺，“彩虹”梁的曲率与设计不完全相同，并且考虑标准件的采购，部分灵敏度较低的梁厚度大于设计值，因此最终的车身质量和性能均超过了设计值，但误差在合理的范围内，基本满足车身设计的要求.车身中的梁直径在40～65mm之间，除了“彩虹”梁以外，梁截面变化较为连续，满足制造工艺和美观的基本要求.图7 某型电动汽车样车Fig.7 The prototype of an electric vehicle表5 优化结果与实验结果比较Tab.5 The comparison between optimization and experiment优化结果实验结果误差122.14 135.45 11%弯曲刚度/（N·mm－1） 8 046.32 9 145.64 14%扭转刚度/（N·m·deg－1）质量/kg 7 139.28 8 530.67 19%4 结论本文提出了一种结合车身拓扑优化和车身梁截面多目标优化2种优点的优化方法，通过构建拓扑优化模型、概念模型、多目标优化模型，从车身的拓扑结构到车身的梁截面尺寸进行了全面的优化，实现了电动汽车白车身的正向设计过程.优化结果表明，在满足刚度要求的同时，能够实现白车身的轻量化设计.同时通过制造和测试样车，验证了该优化设计方法在车身性能和车身制造工艺上的有效性，为电动汽车车身的设计制造过程提供了重要参考.参考文献[1]高云凯，王婧人，汪翼.基于正交试验的大型客车车身结构多工况拓扑优化研究[J］.汽车技术，2011（11）：16－19.GAO Yun－kai，WANG Jing－ren，WANG Yi.Multi－case topology optimization of bus body structure based on orthogonaltest[J］.Automobile Technology，2011（11）：16－19.（In Chinese）[2]谢伦杰，张维刚，常伟波，等.基于SIMP理论的电动汽车车身多目标拓扑优化[J］.汽车工程，2013，35（7）：583－587.XIE Lun－jie，ZHANG Wei－gang，CHANG Wei－bo，et al.Multi－objective topology optimization for electric car body based on SIMP theory[J］.Automotive Engineering，2013，35（7）：583－587.（In Chinese）[3]BLASQUES J P，STOLPE M.Multi－material topology optimization of laminated composite beam cross sections[J］.Composite Structures，2012，94（11）：3278－3279.[4]YANG S，QI C，GUO D，et al.Topology optimization of a parallel hybrid electric vehicle body in white[J］.Applied Mechanics and Materials，2012，148/149：668－671.[5]JIAN H 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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，
白车身强度分析及优化设计
10.16638/ki.1671-7988.2020.10.054白车身强度分析及优化设计刘小会，杨越（安徽江淮汽车集团股份有限公司技术中心，安徽合肥230001）摘要：文章首先阐述了车身强度分析的目的以及CAE分析的方法，然后分析了基于强度考虑的车身优化设计方法。
以某型汽车C柱区域的强度问题为例，进行了原因分析和方案优化，经CAE分析验证，结果满足要求。
关键词：汽车；强度；CAE 分析；应力中图分类号：U467 文献标识码：B 文章编号：1671-7988(2020)10-181-03The Optimal Design of The White Body StrengthLiu Xiaohui, Y ang Y ue（The technology center of the jiang huai automobile, Anhui Hefei 230001）Abstract: This paper first describes the purpose of the body strength analysis and the method of CAE analysis, then analyzes the body design method based on intensity is considered. Finally, this paper takes the strength of the column with a certain type of car C area problem as example, has carried on the analysis of the causes and scheme optimization, the final CAE analysis verify again, can meet the requirements.Keywords: Automobile; Strength; CAE; StressCLC NO.: U467 Document Code: B Article ID: 1671-7988(2020)10-181-03前言汽车的结构强度主要由车身强度来决定。
分析纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计
分析纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计摘要：在环境问题日益突显的今天，国家对于新能源的开发和利用程度正在不断的加深，而随着清洁能源在社会中的作用加大，行业变革也开始在悄然进行。
以汽车行业为例，燃油汽车是汽车行业的主流，但是在目前的大环境下，纯电动汽车的推进已经成为了不可逆转的趋势，可以说在未来的我国，纯电动汽车的大量使用会是必然的结果。
针对这样的趋势进行电动汽车的设计和生产可以较好的抢占市场，为企业的发展打好基础。
在全面推进电动汽车的未来社会中，纯电动客车车身的骨架拓扑优化设计会成为一个研究的重点，所以本文就此问题展开分析，旨在为具体的设计提供理论思路和指导。
关键词：电动客车；车身骨架；拓扑优化；设计纯电动客车在目前的社会中已经得到了推广和应用，从具体的使用效果来看，其环保性比较强，所以国家在大力提倡电动车辆的生产和使用。
电动客车必然会成为未来客车的发展主流，这是从现如今的趋势进行判断和确定的。
从电动客车的具体分析来看，因为动力形式的转变，车身的骨架结构等也会发生明显的变化。
这既是出于动力装置的要求，也是出于安全性的需求。
本文就纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计进行分析，旨在为其设计优化工作提供帮助，实现实际上的具体提升。
一、有限元分析要进行纯电动客车车身骨架的拓扑优化设计，需要对骨架的结构受力等情况进行具体的掌握，而这些要素具有综合性和复杂性，需要有科学的方法才能获得较好的结果，所以利用有限元分析法进行具体的分析。
从概念理解来看，所谓的有限元分析指的是用较简单的问题代替复杂问题后再求解。
它将求解域看成是由许多称为有限元的小的互连子域组成，对每一单元假定一个合适的（较简单的）近似解，然后推导求解这个域总的满足条件（如结构的平衡条件），从而得到问题的解。
因为实际问题被较简单的问题所代替，所以这个解不是准确解，而是近似解。
由于大多数实际问题难以得到准确解，而有限元不仅计算精度高，而且能适应各种复杂形状，因而成为行之有效的工程分析手段。
某SUV白车身模态分析及优化设计
某SUV白车身模态分析及优化设计文章介绍了某SUV车型的白车身模态分析，并针对计算结果对车身结构和布局进行优化，使整车刚度趋于合理。
优化结果显示：优化后结构、刚度更加合理，并且一阶扭转提高了4HZ，车身重量减少1.5KG。
标签：模态分析；结构优化；有限元分析前言现代汽车设计领域，有限元分析得到了广泛的运用。
车身作为汽车的关键总成，其力学特征对整车的动力学特征起关键作用。
车身模态分析则关系到整车刚度、常规震动和车身减重。
实践证明对白车身结构进行有限元分析可以提前发现、避免相关的设计缺陷，及时整改、优化设计。
从而缩短开发周期，节约试验费用。
文章通过对白车身的模态分析对设计进行结构优化，使得车身结构局部模态和整体刚度特征满足模态规划要求。
1 有限元模型有限元分析基本是利用一组离散化单元组集代替连续体机构进行分析，这种单元组集体称结构力学模型。
车身模型建立原则为能反映车身主要力学结构特征和边界约束条件，其次可考虑在保证正确性的基础上对模型进行适当的简化。
模型建立过程需考虑：模型的简化、网络划分、材料属性确定、单元选择及模型的连接与装配。
为此对模型建立进行了如下处理：1.1 模型建立采用了基准尺寸为10mm的QUASD4划分SHELL单元，局部采用了大于3mm的小尺寸划分，在非关键区域几何过度区少量采用了TRIA3单元。
TRIA3单元占总数的比率小于5%。
1.2 孔径6mm～10mm，用方孔代替；孔径大于10mm，保留孔，孔周围两圈偶数个单元，其他非重要小孔可忽略。
1.3 翻边至少要划分两排网格，圆角大于3mm可以保留，螺栓用RIGID或梁连接。
1.4 焊点采用CWELD/ACM单元，方向同连接壳单元法向量平行。
焊缝则采用CQUAD4和CTRIA3模拟，对不考察局部应力的情况下，有选择性采用节点重合，并保证网络的几何匹配。
根据车身提供的数字模型，最终白车身带玻璃有限元模型单元547，219，节点569，580个，见图1。
白车身接附点动刚度优化设计
白车身接附点动刚度优化设计白车身接附点动刚度优化设计随着车辆制造技术的不断发展，汽车的安全性能、舒适性能以及使用寿命等方面的要求越来越高，白车身的接附点动刚度优化设计成为了一项非常重要的工作。
接附点动刚度是指车辆受力后在车身车轮接触点产生的位移值与施加的受力的比值，通常也叫做车辆的高速稳定性。
以下介绍一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法。
1、轻质化设计将白车身轻量化是提高接附点动刚度的一种有效方法。
在设计过程中，可以采用高强度钢材、铝合金、碳纤维等轻量化材料来替换传统材料。
轻质化设计不仅可以减少车身重量，提高燃油经济性，而且可以提高车身的接附点动刚度。
2、前后轴重分配设计这是一种有效的设计方法，通过将车辆的前后轴荷载比例调整，使得车辆在行驶时的重心更加稳定，同时减小了车辆的滚动摆动。
前后轴重分配设计需要将引擎舱、乘员室等设备布置合理，实现前后轴重量分配的最佳状态，从而使车辆的接附点动刚度得到优化。
3、悬挂系统设计悬挂系统是车辆接收路面振动的关键部件，同时也是影响车辆接附点动刚度的重要因素。
在设计悬挂系统时，可以通过合理选择弹簧、避震器的硬度和减震器参数来优化车辆的接附点动刚度。
合理设计的悬挂系统可以使车辆在行驶时获得更好的稳定性。
4、结构优化设计通过优化白车身各组成部分的结构设计，有效地提高车辆的接附点动刚度。
例如，在车辆的底盘结构设计中，合理设计受力部位的加强筋和连接结构，可以有效地提高接附点动刚度。
另外，在车辆前后桥结构优化设计中，可以通过增加连接点的数量和降低连接点之间的距离等措施来提高接附点动刚度。
总之，白车身接附点动刚度是汽车制造中非常重要的一项指标，对于提高车辆的安全性能和使用寿命都有非常重要的意义。
通过合理运用以上设计方法，对白车身接附点动刚度进行优化设计，可以为汽车的制造企业提供更加优质的汽车产品，同时满足消费者不断提高的需求。
除了以上介绍的一些常见的白车身接附点动刚度优化设计方法，还有一些其他的设计方法可以帮助优化车辆的稳定性和运行平稳性。
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。
新能源汽车车身结构优化设计技术研究
新能源汽车车身结构优化设计技术研究一、引言随着全球能源危机和环境污染问题日益严重，新能源汽车的发展已经成为汽车产业的重要趋势。
新能源汽车，包括纯电动汽车、混合动力汽车等，具有节能减排、绿色环保等特点。
而车身结构优化设计是新能源汽车研发中的关键技术之一，旨在提高车身结构的安全性能、舒适性能和经济效益。
本文将对新能源汽车车身结构优化设计技术进行研究，以期为新能源汽车的研发提供参考。
二、新能源汽车车身结构特点新能源汽车的车身结构与传统燃油汽车相比，具有一定的特殊性。
首先，新能源汽车的车身结构需要满足电池、电机等新能源部件的布置要求，确保这些部件的安全性和稳定性。
其次，新能源汽车的车身结构需要考虑轻量化设计，以降低整车质量，提高能源利用效率。
此外，新能源汽车的车身结构还需要考虑碰撞安全性、NVH性能（噪声、振动、刺激）等因素，以满足用户的舒适性和安全性需求。
三、新能源汽车车身结构优化设计方法1. 有限元分析方法有限元分析方法是新能源汽车车身结构优化设计的重要手段。
通过对车身结构进行离散化处理，建立有限元模型，对车身结构进行静力学、动力学等分析，以评估车身结构的性能。
通过有限元分析方法，可以预测车身结构在不同工况下的应力、应变分布，为车身结构的优化设计提供依据。
2. 多目标优化方法新能源汽车车身结构优化设计涉及多个目标函数，如车身质量、碰撞安全性、NVH性能等。
因此，需要采用多目标优化方法，综合考虑各个目标函数，寻求最优解。
常用的多目标优化方法包括遗传算法、粒子群算法等。
3. 拓扑优化方法拓扑优化方法是一种新兴的车身结构优化设计方法。
通过对车身结构进行拓扑优化，可以在满足性能要求的前提下，实现车身结构的轻量化设计。
拓扑优化方法可以在设计初期对车身结构进行概念设计，为后续详细设计提供参考。
四、新能源汽车车身结构优化设计实例以某款纯电动汽车为例，其车身结构优化设计过程如下：1. 建立有限元模型首先，利用CAD软件建立车身结构的几何模型，并将其导入有限元分析软件中进行离散化处理，建立有限元模型。
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新能源汽车白车身结构拓扑及尺寸优化设计研究
摘要随着科学技术的不断进步，新能源汽车凭借高能效、低污染的优势成为汽车行业发展的新潮流。
但是很多新能源汽车只更换了动力系统，却依旧沿用传统汽车的车身结构，然而使用电动机替换发动机且增加蓄电池的使用就一定会导致车身载荷发生变化，从而使得新能源汽车和传统汽车在结构设计上有很大不同，这就要求必须要改变车身结构设计。
此外，新能源汽车的动力系统被大大简化，这也为车身结构轻量化提供了更大的可能。
所以，加强新能源汽车白车身结构和尺寸优化成为汽车行业的重要研究方向，而结构拓扑技术成为实现上述设想的重要技术。
关键词新能源汽车；结构拓扑；尺寸优化
随着社会经济的快速发展，汽车数量在迅速增加，由燃油汽车造成的环境问题和能源问题成为人们面临的重要问题。
作为一种新型的绿色交通工具，新能源汽车凭借其能效高、噪音低、污染少等优势成为世界各国关注的热点。
当前阶段，对整车结构的拓扑优化相关研究较少，应用于新能源汽车整个车身设计的研究成果更是缺乏。
在汽车整车概念设计过程中，如果能够依据新能源汽车的特征有针对性的对白车身结构进行设计，就能够在很大程度上提升材料利用率，更好地实现轻量化设计。
1 结构拓扑优化方法
随着学者们的不但探究，现在的拓扑优化技术已经日渐成熟，结构拓扑优化方法主要包括均匀化方法、水平集法及变密度法等，且从这些方法中又演变出很多新形式。
1.1 均匀化方法
在连续体结构拓扑优化的众多方法中，均匀化方法是使用最广泛的方法，这种方法的基本思想是把拓扑结构材料划分成众多单胞微结构，确保单胞的尺寸、形状参数和材料的弹性模型密度呈现出线性关系，这样单胞尺寸的变化就决定了微结构的有无。
通过对形状参数的优化，可以影响设计区域的密度分布情况，从而最大程度提升结构拓扑优化和尺寸优化的性能。
对均匀化方法的研究成果主要分为理论研究、实际应用两个方面，其中理论研究更多在微结构模型中应用，而实际应用更多的应用在均匀化模型中[1]。
微型结构模型的理论研究侧重于对方形结构掏空、挖洞的理论探究，均匀化模型实际应用则主要是指对三维连续问题、多工况二维平面问题等的探究。
1.2 变密度法
在连续体结构拓扑优化中，变密度法也是十分常见的一种方法，它是材料描
述方式方法中的一种。
这种方法是把密度和材料的属性相联系，从而形成线性的对应关系。
因为此方法无须引入细胞微结构，此外在求解过程中也无须对过程进行均匀化处理，就能够有效规避均匀化方法的缺陷[2]。
变密度法假设各个单元的材料具有相同的密度结构，并且材料的密度在0-1之间，确定材料弹性模量和单元相对密度的对应关系，从而简化优化程序编写过程，提升优化过程的收敛速度，提高计算效率。
变密度法主要包括固体各项同性惩罚微型结构模型-SIMP和合理近似材料属性模型-RAMP两种结构模型。
SIMP插值模型是一种被广泛应用的密度插值模型。
RAMP能够通过承接因子惩罚模型结构中的中间密度值，从而使得惩罚因子的大小发生改变，这样中间密度值就逐渐趋向0或者1，0说明单元内没有材料存在，1则说明单元内是有材料存在的。
这种情况下，连续变量的拓扑模型就能够近似看作0-1离散变量模型了。
1.3 水平集法
水平集法在构建标数法向速度的基础上，依据法向速度来驱动优化区域材料发生边界运动，从而导致结构边界的拓扑及几何形状出现变化，使得拓扑结构边界变得光滑同时密度趋于0-1型，不存在中间密度。
水平集法最初在界面传播等研究领域中得以应用，后来应用范围变得越来越广泛，主要包括获取多向流体的动力学运动、界面形状和法向方向处理图像、查找运动体、结构拓扑优化设计等各个方面。
1.4 渐近结构优化法
渐近结构优化法是最近几年逐渐兴起的一种新型的算法，其效率非常高。
渐近结构优化法的基本思想是逐步去除无用的材料，确保最后留下来的材料均为有用材料。
渐近结构优化法更加容易与当前的各种分析软件进行结合，同时迭代更加方便简单，收敛也更加迅速。
2 尺寸优化设计
新能源汽车尺寸的优化，主要通过改变一维梁单元的截面尺寸和二维板单元的厚度来优化结构件的截面尺寸使之满足汽车驾驶性能的相关要求。
在新能源汽车尺寸优化的过程中，结构件的形状和拓扑结构并不发生改变，在保证汽车性能的基础上达到轻量化的目的。
2.1 一维梁单元的截面尺寸
新能源汽车尺寸的优化的首要方面是对一维梁元的截面尺寸进行优化，通过不断的改进一维梁单元结构达到尺寸优化的目的。
梁单元的结构经过早期的桁架结构，经过逐代的改进，目前已发展成为工业上的钢梁构造，其对汽车尺寸的优化已有固定的方案。
既在给定的外形、布局和单元类型的前提下，以截面尺寸为可变量，寻找刚性最大，或者重量最小，或者节点较少的方案，在优化性能基础
上寻找轻量化方案，从而降低成本，提高汽车质量。
2.2 二维板单元的厚度
在汽车尺寸优化的过程中，不仅要通过改变截面的尺寸，以达到优化体积的目的，更要通过优化二维板单元的厚度，以达到优化汽车质量的目的[3]。
在优化二维板单元的厚度时可以通过敏度分析和合理数学算法，在保证刚性与安全性的基础上，合理选择复合材料中的材料铺层方向和厚度。
综合考虑汽车的应力情况、节点位移情况和加速应变情况，优化新能源汽车自身的拓扑结构，加强关键节点强度，优化新能源汽车尺寸设计，从而达到减轻汽车重量，优化汽车性能的目的。
3 结束语
随着人们生活水平的不断提升，汽车數量越来越多，由此带来的能源问题和环境问题成为我国面临的重要问题，为了有效解决这一问题，世界各国都开始重视对新能源的开发和研究。
由于新能源汽车具有不同于常规能源汽车的动力系统和储能系统，其载荷位置也具有很大区别，如果依旧沿用常规能源汽车的设计方法就会出现各种问题。
所以，对新能源汽车白车身进行拓扑优化和尺寸优化就显得尤为重要。
只有这样才能提升汽车车身的合理性、确保刚度要求的同时，实现车身结构的轻量化，促进新能源汽车行业的健康发展。
参考文献
[1] 陆波，刘波，陈海波，等.基于刚度的铝合金汽车前罩轻量化结构设计及分析[J].机械科学与技术，2015，（7）：1109-1113.
[2] 何德禄，任立飞，王建启，等.汽车轻量化技术发展方向[J].卷宗，2015，（4）：315-315，316.
[3] 张伟，侯文彬，胡平.基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计[J].湖南大学学报（自然科学版），2014，（10）：42-48.。