某概念白车身正向开发流程

某概念白车身正向开发流程作者：瞿元张林波王志超刘向红王洪斌

来源：《计算机辅助工程》2022年第01期

摘要：為在车身概念设计早期实现对白车身方案的快速评估，根据白车身结构拓扑优化结果和竞品车型的结构特点，采用等效模型构建不同架构方案进行分析比较，先筛选合适的架构，再用SFE软件建立精细模型并分析，从而将拓扑分析、等效模型分析和细致建模与分析串联起来，形成一整套可操作流程，指导车身概念设计。

关键词：白车身; 等效模型; 缩减模型; 概念设计

中图分类号： U463.82文献标志码： B

Process of forward development of concept body-in-white

QU Yuan ZHANG Linbo WANG Zhichao LIU Xianghong WANG Hongbin

（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To quickly evaluate the body-in-white scheme in the early stage of body conceptual design， the different architecture schemes are analyed and compared using the equivalent model according to the structural topology optimization results of body-in-white and the structural characteristics of competitive models. First， the appropriate architecture is selected， and then the detailed model is established and analyzed by SFE software. The topology analysis， equivalent model analysis and detailed modeling and analysis are connected in series and formed a set of operable processes to guide the conceptual design of vehicle body.

Key words： body-in-white; equivalent model; reduced model; concept design

作者简介：瞿元（1979—），男，江苏阜宁人，高级工程师，硕士，研究方向为汽车CAE及智能控制，（E-mail）*******************引言

车身结构概念设计是汽车研发的重要组成部分，且正在获得更多的关注。传统的设计方法通常采用从CAD到CAE的过程，CAE介入分析的时间点比较靠后，因此整车开发周期长，难以满足当前的市场需求。各主机厂均将整车开发周期压缩到24个月以内，甚至更短。在平台化开发模式下，车身设计最关键的是白车身开发。如何在概念设计初期快速构建车身模型并进行快速评估，具有重要意义。

在过去的几十年中，许多研究人员对概念设计阶段如何快速建立模型这一问题进行探讨，有不少主机厂或者科研机构，比如Toyota、Volvo、Ford、吉林大学等，均提出各自的解决方法[1-2]。这些方法主要是基于梁、接头和壳单元建立等效模型[3-10]。SFE软件是商业化的概念车身建模工具，可以在没有详细CAD数据的情况下建立有限元分析模型[11]，目前在国内多个主机厂应用。该方法具有较强的专业性，对人员经验要求较高，并且计算模型详细，分析效率低于简化模型[12]。从车身结构的材料分布看，在正向开发过程中，合理的材料布局离不开结构拓扑分析技术的应用。如何组合上述方法、工具，有效提升概念阶段的研发效率，是需要进一步研究的问题。本文以某款车型前期开发过程为例，探讨将拓扑优化技术和等效模型技术运用到车身结构选型中，通过等效车身对不同的架构方案进行先期评估，以减少详细模型分析的工作量，缩短开发周期。

1白车身拓扑优化

拓扑优化是在特定的载荷工况、约束条件和目标需求下，对给定设计空间内的材料进行优化，实现最佳材料分布的数学方法。

白车身拓扑优化通常采用变密度法，将网格的材料密度作为设计变量，以白车身的体积分数作为约束，以加权柔度最小作为目标进行优化。在加权柔度方面，需要充分考虑多种工况，比如白车身弯曲刚度、扭转刚度等，还需要考虑门洞等开口处的变形量。必要时，还需要考虑碰撞安全工况准静态化。典型的白车身拓扑设计空间见图1。

2白车身等效模型

白车身等效模型通过对复杂模型进行简化，可以快速评估车身的刚度和模态，特别适用于概念阶段，其关键技术是接头的简化。

2.1接头模型

接头是车身上不同结构梁的连接部位，构型比较复杂，可以采用解耦法和自由度缩减法建立简化模型。但结构一旦经过刚度转化，在后续的优化分析过程中将难以直接转化成合适的结构。为减少中间转化环节，采用一种比较直观、简单的处理方法。

首先，对接头每一个支脚进行拉伸刚度和扭转刚度分析;然后，将接头每个支脚用Timoshenko梁模拟，每个支脚的梁单元在接头中心处用6个零长度无质量弹簧模拟（假设其具有共同的中心点），其中3个为整车坐标系下的拉伸弹簧，另外3个为整车坐标系下的扭转弹簧，弹簧刚度分别采用上述支脚计算。

接头模型见图2。pc为接头中心点，pg为接头某个支脚端点，每个支脚具有6个刚度，用6个弹簧模拟。在支脚建模过程中，需要将孔洞闭合，焊接边也合并处理。接头分析结果见表2，可进一步用于白车身的等效模型。

2.2车身骨架模型

除接头外，车身骨架主要是梁结构与覆盖件。在简化建模过程中，只对车身主要框架结构建模，且只对主要连接部位采用接头单元，其他连接通过梁节点的重合表示，剩下的骨架结构用Timoshenko梁单元模拟。对B柱等变截面梁，可以进行分段建模[13]。在连接梁段，若钣金厚度有变化，则分别提取截面，在梁连接位置布置节点。典型车身主要梁结构简化模型（半车身）见图3。

后轮罩以及后侧围部分主要是外侧围钣金与内钣金形成的腔体，没有显著的梁截面，因此该部位直接使用壳单元近似模拟，不考虑细节特征（如加强筋、孔等）。对于减震器座等钣金厚度变化剧烈的部件，可以对钣金分块，使不同钣金所赋的材料厚度差异化。