王园MORPH在汽车设计概念阶段中的应用

MORPH在汽车设计概念阶段中的应用
王园昝建明王卓周定陆
长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE工程所
MORPH在汽车设计概念阶段中的应用 Morph Application in Automobile Design
Concept Phase
王园昝建明王卓周定陆
（长安汽车股份有限公司汽车工程研究院CAE工程所）
摘要:汽车产品开发的典型过程是这样的：市场部门进行市场调研，确立产品定位；设计部门根据市场部门的输入确定产品的开发平台，然后确定新车型相对于旧车型的变更信息。

过去在设计阶段才会借助CAE进行辅助分析，那么不可避免的继承原有车型的某些顽疾或产生新的设计失误。

本文基于HyperMesh中的MORPH模块，在旧车型有限元模型的上进行网格变形，得到新车型的概念白车身有限元模型。

分析变形后的白车身的弯曲和扭转刚度及自由模态，与相近车型进行比较，对设计提出预见性的建议，从而避免后期设计中可能出现的问题。

关键词:概念阶段，变形，模态，刚度，有限元分析，HyperMesh
Abstract This is a process of a vehicle development: The market department made market research and then oriented the new product. The design department made sure the product development platform and different from the base car. In a general way, assistant analyze the model in design phase by CAE. But the disadvantage of the base car will be kept or make new mistakes. Based on MORPH module of HyperMesh, morph the FE model of the base car to get the BIW FE model of the new car in concept phase. According to the analysis of the bending stiffness, the torsion stiffness and the mode for the new FE model and the compare of the new result and the other parallel cars, this paper gives some advice to the design department to avoid some problem.
Key words:Concept Phase, morph mode, stiffness, finite element analysis, HyperMesh
1 概述
当一个汽车企业发展到一定阶段，产品会逐渐系列化，后期的产品相对于前期的产品有一定的继承性。

在某成熟产品的基础上，开发新的产品，而利用在概念阶段的有限元分析可以很快速地分析出新产品的主要NVH特性。

在概念阶段，仅有产品的轮廓和所继承内容，根据这些输入信息，在已有产品的有限元模型上利用MORPH进行网格变形，而不需要重新建立有限元模型，预测新产品的整体NVH性能，为概念阶段的有限元分析节约大量时间
和人力。

本文在介绍了一种新产品的概念阶段应用MORPH ，对原有某车型的有限元模型进行网格变形，完成部分整车的NVH 性能分析，为后期汽车设计提出了指导建议，并进行了计算验证。

2 变形信息输入
由于是概念阶段，无法获得车身的外形数据，但可以依据提供的变形信息确定模型，因此变形信息，是整车网格变形的前提条件和必需的输入内容。

在新产品的研发初期，通过市场部门的调研，确定产品市场定位，设计部门确定主要参数，比如新产品的长宽高，基于老产品的变化方向等等，在这些信息明确的基础上完成网格变形。

正处于概念阶段的某款车，根据前期的市场输入，提出基于一款旧车型的变形方案，具体变形信息如下：
顶盖高度增加100mm
A 柱角度变化5度
前车体上部抬高
50mm 整车宽度单边增加40mm
背门向后增长40mm
轮毂包放大 根据以上输入，利用HyperMesh 中的HyperMorth 对网格变形，过程如下图1所示。

在初步变形后，一些网格质量不能满足计算要求，部分连接信息失效，一些区域需要增加连接，在网格初步变形后进行网格的细调，最后得出新产品的概念模型。

前期产品模型 变形 新产品的概念模型
图1有限元模型模型过程
3 白车身概念阶段分析
对变形得到的有限元模型进行NVH 性能分析。

虽然网格变形后网格的质量较好，但是
在概念分析阶段，造型数据的欠缺使计算结果存在很多不确定因素，因此这里对NVH性能
计算有选择地进行，主要是选择体现整体性能的计算内容，因此这里选择首先计算整车弯曲
和扭转刚度以及白车身自由模态，分析结果如下表1和表2所示。

表1 刚度结果对比表
扭转刚度弯曲刚度
变形前480968 7501
变形后453350 6776
比率（%）-5.7% -9.67%
表2 模态结果对比表
描述变形前变形后比率（%）
一阶整体搓动29.10 27.78 4.54% 一阶整体扭转34.90 30.79 11.78% 发动机舱横向弯曲,乘员舱整体扭转38.25 36.48 4.63% 一阶整体弯曲46.49 45.69 1.72% 发动机舱垂直弯曲,后地板弯曲, 顶盖前
51.73 47.70 7.79%
端弯曲
发动机舱扭转58.19 54.38 6.55%
对比刚度和模态的计算结果，从刚度计算结果方面上，弯曲刚度降低的多，而从模态分
析结果上，扭转特性降低的较多，这两个计算结果表面上是矛盾的。

因此对比变形前后的结构，发现新模型前悬约束处的局部连接比较原模型降低较多，这主要是由于防火墙抬高，而
前悬的高度不变，使原先与前悬有连接的零件脱离，这样计算刚度时，受局部影响大，不能
反映出真实的整体结构的刚度，同时，也为后面的设计提出了预见：前悬处的零件需要加强。

如果忽略局部变形的影响，弯曲特性变化较少2%，左右整车扭转特性降低10%左右。

弯曲特性虽然减少量低，但变形后的整车弯曲模态中伴随有地板局部的翕动，这对NVH性
能影响很大，很可能会对乘员舱空腔产生压缩作用，产生boom声。

地板中间的零件需要加强。

扭转特性降低，分析原因，主要是整车结构放大，使相对刚度降低，应变能结果显示背
门处的应变能较高，说明在背门处的刚度相对较弱，在设计时，需要重点加强背门框的刚度。

4 结果优化
根据以上分析结果，对设计提出三点方向：1.前悬局部加强；2.地板中间加强；3.背门框加强。

为了验证其有效性，直接在有限元模型上进行方案设计。

由于暖风机室抬高，但前悬高度不变，使暖风机室与前悬支座原先的连接失效，前悬支座处的局部刚度较弱，因此弯曲刚度计算结果相对弯曲模态降低偏高。

这里是在有限元上进行方案设计，几何的准确性不高，只是起到方向性指导作用，因此直接在暖风机室与前悬支座的空隙处增加一个起到连接作用的“盒子”，如图2所示。

整车弯曲模态中地板中间处出现的局部翕动，是不能忽略的问题，0.002m 3
的体积变化就可以产生97dB，可见车身内对体积变化非常敏感，因此对地板中间出的横梁截面形状进行了优化，如图3所示。

对于这类两厢车，一般背门框对于扭转模态影响较高，如应变能云图4所示，也验证了背门框所承受的变形较大，因此对背门框零件的搭接进行优化，如图5所示。

图2 前悬支座与暖风机室处支撑“盒子” 图3 地板中间横梁的截面变化
图4背门框应变能云图 图5背门框搭接优化
优化后的结果如表3和4所示，将变形前的数据作为目标，变形后的数据作为基础数据。

从结果中可知，扭转还有待提高，但验证了方向的正确性，为后面进一步的优化提供了基础。

表3 优化后刚度结果对比表
扭转刚度 弯曲刚度
目标值 480968 7501
盒子
基础值453350 6776 优化值496880 7371
提高比率9.60% 8.78%
待提高比率0 1.73%
表4 优化后模态结果对比表
描述目标值基础值优化值提高比率待提高比率
一阶整体搓动29.10 27.7829.04 4.54% 0.21%
一阶整体扭转34.90 30.7933.468.67% 4.13%发动机舱横向弯曲,乘员舱整体扭转38.25 36.4842.5916.75% 0 一阶整体弯曲46.49 45.6946.56 1.90% 0
发动机舱垂直弯曲,后地板弯曲,
顶盖前端弯曲
51.73 47.7048.94 2.60% 5.39%
发动机舱扭转58.19 54.3858.858.22% 0 5 结论
应用MORPH，可以快速地得到一款新车概念阶段的有限元模型，通过对模型分析刚度和模态，对设计提出三点方向，并提出了可行的方案。

这为设计提供了很预见性的意见，避免设计中的重复工作，能够为一款新车的开发节约大量的时间。

6 参考文献
[1] 张胜兰、郑冬黎等编《基于HyperWorks的结构优化设计技术》机械工业出版社，2007
[2] 庞剑、谌刚、何华编《汽车噪声与振动——理论与应用》北京理工大学出版社，2006。