基于HyperWorks的某轿车白车身刚度分析及优化_张继伟
基于CAE仿真技术的白车身动刚度分析优化
AUTO TIME43FRONTIER DISCUSSION | 前沿探讨时代汽车 基于CAE 仿真技术的白车身动刚度分析优化吴亚萍1 秦丽萍２ 曾乐彬２1.上汽通用五菱汽车股份有限公司 广西柳州市 5450072.湖南湖大艾盛汽车技术开发有限公司 广西柳州市 545007摘 要： 人们对汽车车内噪音舒适性评价越显关注。
车辆的NVH 性能正在成为汽车开发过程中的最重要指标，白车身动刚度作为NVH 性能关键指标之一，具有重要意义。
本文以某车型为研究对象，阐述了白车身动刚度基本分析过程，并选取后悬减震器接附点动刚度为优化对象，通过CAE 仿真技术，识别后悬减震器接附点动刚度不足的主要原因并进行优化，实现了该车身NVH 性能提高。
关键词：NVH 动刚度 模态分析 ODS 诊断1 引言随着车辆普及及国民经济发展，人们对汽车车内噪音舒适性越来越关注。
各车企对汽车的NVH 性能开发也越显重视，NVH 性能成为了汽车市场竞争力的关键因素。
NVH 是指噪音Noise、振动Vibration、舒适性Harshness。
汽车NVH 特性是指在车身振动和噪音的作用下，乘员舒适性主观感受的特征。
它是人体听觉、触觉以及视觉等方面的综合表[1]。
车身分析为整车路噪分析的基础。
车身承受着各子系统结构，以及来自车路面激励及各装置系统的各种载荷激励。
车身结构分析是NVH 性能分析的基石，车身结构对整车性能有着重要影响。
白车身动刚度分析是车身分析的重要指标之一，动刚度性能的好坏体现了汽车系统隔振性能的优劣。
如果车身上关键接附点动刚度不足，容易引起车身结构振动，引起结构声传递大问题。
所以车身关键接附点的动刚度分析显得非常重要。
本文以某车型分析研究为例，阐述了白车身关键接附点动刚度的分析过程。
通过有限元建模，模态分析及模型校对，关键接附点动刚度仿真分析等CAE 仿真技术确定车型动刚度状态，其次针对后悬减震器接附点动刚度不足问题，通过ODS 工作变形分析，应变能分析等手段进行原因分析优化。
基于灵敏度分析的SUV白车身优化设计
基于灵敏度分析的SUV白车身优化设计吴哲;龚国庆【摘要】The finite element model of a SUV BIW(body-in-white) is established with software Hypermesh, the free modals of this FEA model are computed with Radioss. The sensitivity of the model some plates is analyzed with Op-tistruct, and the size optimization of the BIW is taken based on the calculation results. The target is to improve the first-order modal frequency under the condition of ensuring the mass nearly no changes.%采用Hypermesh软件建立某SUV白车身有限元模型，通过Radioss 对该模型进行自由模态分析计算；利用Optistruct对该模型的部分板件进行灵敏度分析，并以计算结果为依据，对白车身进行尺寸优化，在保证质量基本不变的情况下，提高一阶模态的频率。
【期刊名称】《客车技术与研究》【年(卷),期】2014(000)002【总页数】4页(P9-12)【关键词】模态分析;Hypermesh;灵敏度;尺寸优化【作者】吴哲;龚国庆【作者单位】北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192;北京信息科技大学机电工程学院，北京 100192【正文语种】中文【中图分类】U463.82汽车白车身模态参数反映白车身结构的基本振动特性，影响着汽车的强度、可靠性、使用寿命、乘坐舒适性等。
白车身模态为汽车的频率响应分析、NVH分析等奠定基础，也是汽车新产品开发结构分析的主要内容之一[1]。
基于全局响应面法的电动轿车白车身多目标优化
基于全局响应面法的电动轿车白车身多目标优化
尹安东;许靖;曹诚
【期刊名称】《合肥工业大学学报（自然科学版）》
【年(卷),期】2015(000)012
【摘要】文章在分析电动轿车车身结构的基础上，采用HyperWorks软件，建立了某款电动轿车白车身有限元模型，并对其进行了扭转刚度分析、弯曲刚度分析、自由模态分析；在此基础上通过灵敏度分析选出顶盖、前地板、后地板、侧围外板、外挡泥板、后轮罩、地板纵梁的板厚作为优化变量，以一阶模态避开路面对汽车的激励频率（大于25 Hz）及扭转刚度满足设计要求为约束，以白车身总质量、弯曲刚度为优化目标，运用全局响应面法进行多目标优化，以获得较好的改进方案。
【总页数】6页(P1607-1611,1616)
【作者】尹安东;许靖;曹诚
【作者单位】合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009;合肥工业大学机械与汽车工程学院，安徽合肥 230009
【正文语种】中文
【中图分类】U463.821
【相关文献】
1.基于分析驱动设计的封闭白车身轻量化多目标优化 [J], 吕天佟;王登峰;王传青
2.基于全局响应面法的电动汽车车架多目标优化 [J], 尹安东;曹诚;徐俊波;龚来智
3.基于Isight的白车身多目标优化研究 [J], 张宜;苏小平;张桃沙
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基于有限元的白车身力学性能分析及结构优化
论 文 提 交 日 期： 论 文 答 辩 日 期： 答辩委rties Analysis and Structure Optimization of Body-in-white Based on Finite Element Method
By HE Wenhua B.E.(Hunan University of Science and Technology)2010 A thesis submitted in partial satisfaction of the Requirements for the degree of Master of Engineering in Vehicle Engineering in the Graduate School of Hunan University
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I
基于有限元的白车身力学性能分析及结构优化
摘
要
现代轿车车身普遍采用承载式车身结构。承载式车身由于没有车架，可以减 轻整车质量，使整车高度降低，提高汽车的操控性能和燃油经济性。高刚度、轻 量化已经成为当今汽车车身设计追求的目标。 有限元分析作为 CAE 分析的重要组 成部分，具有极强的计算能力，其在车身工程设计领域发挥着特别重要的作用。 有限元分析能够使提高车身设计效率，使整个车身设计过程更加系统和规范，本 文的研究内容包括以下几个方面： 1. 利用有限元前处理软件 Hypermesh 在基于有限元原理的基础上建立车身有 限元模型，包括车身几何模型简化及修复、车身网格的规模和计算的经济性的平 衡，单元类型的选取，以及车身各部件焊点连接方式进行研究。 2. 探讨了白车身弯曲和扭转刚度的评价方法。 建立了弯曲和扭转工况下的约 束和加载。利用有限元求解软件 Nastran 计算车身的静态刚度计算，其中包括静 止状态下的弯曲刚度和扭转刚度计算，并且研究了车身个开口的变形量。 3. 讨论了白车身模态分析的必要性，车身进行自由模态分析，得到车身的低 阶振动频率和振型。避免车身的低阶频率与发动机怠速频率耦合产生共振。 4. 在优化设计理论为基础上，利用尺寸优化技术，以车身质量为优化设计目 标，车身扭转刚度、弯曲刚度及一阶弯曲模态、一阶扭转模态为优化设计的约束 条件，车身板厚为优化设计变量，进行了个部件的车身性能对板厚的灵敏度分析。 根据灵敏度分析的结果选取车身的某些部件板厚作为设计变量减轻车身质量，提 高了车身静动态性能指标。
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 R，XIAO H，LIU J，et al.An efficient structural topological optimization method for continuum structures with multiple displacement constraints[J］.Finite Elements in Analysis and Design，2011，47（8）：913－921.[6]姜欣，陈勇，史国宏，等.前期白车身架构优化设计[J］.汽车工程，2010，32（8）：682－685.JIANG Xin，CHEN Yong，SHI Guo－hong，et al.Body－inwhite structure optimization in early phase ofdevelopment[J］.Automotive Engineering，2010，32（8）：682－685.（In Chinese）[7]杨姝，王赢利，亓昌，等.纯电动汽车白车身拓扑优化设计及性能验证[J］.实验室科学，2012，15（6）：37－39.YANG Shu，WANG Ying－li，QI Chang，et al.Topology optimization designing and performance testing for Body－In－White of pure electric vehicle[J］.Laboratory Science，2012，15（6）：37－39.（In Chinese）[8]侯文彬，张红哲，徐金亭，等.基于概念设计的客车车身结构设计与优化系统[J］.湖南大学学报：自然科学版，2013，40（10）：58－63.HOU Wen－bin，ZHANG Hong－zhe，XU Jin－ting，et al.System of design andoptimization system for bus body structure based on conceptdesign[J］.Journal of Hunan University：Natural Sciences，2013，40（10）：58－63.（In Chinese）[9]刘宝越，侯文彬，张红哲.车身结构概念设计系统多目标优化模块设计[J］.农业机械学报，2010，42（4）：17－21.LIU Bao－yue，HOU Wen－bin，ZHANG Hong－zhe.Design of multi－objective optimization module in vehicle body structure concept design system[J］.Transactions of the Chinese Society for Agricultural Machinery，2010，42（4）：17－21.（In Chinese）[10］李楠，王明辉，马书根，等.基于多目标遗传算法的水陆两栖可变形机器人结构参数设计方法[J］.机械工程学报，2012，48（17）：10－20.LI Nan，WANG Ming－hui，MA Shu－geng，et al.Mechanismparameters design method of an amphibious transformable robot based on multi－objective genetic algorithm[J］.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（17）：10－20.（In Chinese）[11］王平，郑松林，吴光强.基于协同优化和多目标遗传算法的车身结构多学科优化设计[J］.机械工程学报，2011，47（2）：102－108.WANG Ping，ZHENG Song－lin，WU Guang－qiang.Multidisciplinary design optimization of vehicle body structure based on collaborative optimization and multi－objective genetic algorithm[J］.Journal of Mechanical Engineering，2011，47（2）：102－108.（In Chinese）。
某轻客接附点局部动刚度研究分析(精)
某轻客接附点局部动刚度分析(精)————————————————————————————————作者：————————————————————————————————日期：23 某轻客白车身接附点局部动刚度分析 BIW Input Point Inertance Analysis of Light Bus 王纯 雷应锋 崔璨 李翠霞 昃强 （长安汽车北京研究院 北京100195） 摘 要：本文应用Altair 公司的HyperWorks软件，建立了某轻型客车白车身有限元模型，对白车身接附点进行动刚度分析及优化，并通过试验与仿真结果对比，验证了模型和分析方法的正确性。
关键词：白车身 接附点 动刚度HyperWorks 有限元Abstract: To achieve the BIW IPI analysis and optimization of light bus, the CAE model of the BIW is operated by HyperWorks. By comparing the results of simulation and testing, the correctness of the model and the analytical method was verified.Key words: BIW, Input point, IPI, HyperWorks CAE 1 引言目前，随着消费者对汽车的要求越来越高，对汽车的认识也越来越成熟，汽车的NVH性能逐渐成为消费者非常关注的性能指标之一，同时也是区分汽车档次的重要指标之一。
因此，在汽车研发设计之初就必须考虑到整车的NVH 性能问题。
在整车NVH分析中，车身系统既是直接向车内辐射噪声的响应器，又是传递各种振动、噪声的重要环节，因此它的吸声、隔声特性对减少车内噪声和振动有着重要的意义[1]。
白车身接附点局部动刚度考察的是在所关注的频率范围内该点局部区域的刚度水平，刚度过低必然影响隔振效果并引起更大的噪声，因此该性能指标对整车NV H 性能有较大的影响，是在整车NVH 分析中首先要考虑的因素。
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，
8_基于HyperWorks的某乘用车机舱盖内板开裂分析与优化设计
4 参考文献
[1] 龙凯,陈广华, 张健美. 某大型结构支撑塔架强度分析[J].机械工业出版社 2010 [2] 张明阳 龙章华 ATC 天线支架断裂原因分析及设计改进 [J]. 机械工业出版社 2011 [3] 常亮 袁正 李戈操 某型叉车轮辋开裂原因有限元分析 [J] 机械工业出版社 2011 [4] Altair Engineering Inc. HyperWorks User's Guide, 2010
2 原方案机舱盖结构强度分析
2.1 模型的建立
该乘用车机舱盖主要由内外板、铰链及其加强板、锁扣及其加强板、焊点及粘胶组成的，如图 1 所示。
-1-
Altair 2013 技术大会论文集
首先对 CATIA 创建的几何模型，运用 HyperMesh 进行几何清理，最后按照有限元网格划分规 范对模型进行网格划分，模型结点数 38975，单元数 38540，如图 2 所示。
安全系数 原方案 新方案
工况一
该乘用车 对标车
9.115
3.794
17.92
150
16.46
39.54
150
8.37
该乘用车
33.38
12.73
150
4.49பைடு நூலகம்
11.78
工况二
对标车
45.62
150
3.29
该乘用车
121.74
22.98
150
1.23
6.53
基于扭转模态的某白车身结构分析与优化
基于扭转模态的某白车身结构分析与优化赵广;麻桂艳;汤湧【摘要】白车身扭转模态是评价白车身性能的重要指标,是控制汽车NVH性能的关键指标.文章采用CAE仿真分析方法,在项目初期对白车身扭转模态进行计算,通过对振型的分析,查找出导致白车身扭转模态偏低的主要原因是全景天窗开口大,结构薄弱.通过对全景天窗骨架结构刚度的优化,提升了白车身扭转模态.【期刊名称】《汽车实用技术》【年(卷),期】2018(000)006【总页数】3页(P13-15)【关键词】扭转模态;全景天窗;优化【作者】赵广;麻桂艳;汤湧【作者单位】华晨汽车工程研究院白车身工程室,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院白车身工程室,辽宁沈阳110141;华晨汽车工程研究院白车身工程室,辽宁沈阳110141【正文语种】中文【中图分类】U467前言全景天窗具有透光面积大、视野开阔的优点，已经成为目前中高端汽车的亮点配置，受到众多消费者的青睐。
但由于全景天窗比普通天窗尺寸更大，导致白车身顶盖开口尺寸更大，无法布置横梁等加强结构，使得白车身刚度性能下降，扭转模态下降。
白车身扭转模态不仅反映了汽车车身的整体刚度性能，而且是控制汽车 NVH特性的关键指标。
在本文某SUV白车身产品开发仿真分析过程中，白车身扭转模态为39.3Hz，低于设定的目标值40Hz，需要进行优化，针对以上问题，通过进行结构优化，并采用CAE方法进行分析验证，在设计开发阶段提高了产品的性能，从而避免了相关的设计缺陷，大大的减少了设计周期和成本。
1 白车身模态车身作为一个多自由度的弹性系统，其固有振动频率也就相应表现为无限多的固有模态，其低阶模态振型多为整体振型，如整体扭转、弯曲振型，高阶模态振型多为一些局部共振振型，如地板振型、车顶振型和侧围外板振型等。
有时，由于车身的局部刚度低，也有一些局部振型在低频范围出现，或与整车振型同时出现。
合理的车身模态分布对提高整车的可靠性和NVH性能等有着十分重要的意义[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。
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扭 转
21.66 20.17 19.37 23.87 20.82 16.08 13.56 9.33 5.37 1.27 1.44 0.81 角 （/ ′）
白车身扭转刚度计算公式为：
GJ=T/θ
（3）
其中，T 为扭矩；θ 为轴间相对扭转角。
由白车身 Z 向扭转变形图得左右前悬架座的最大变形分别为
- 6.438mm、6.622mm，由公式（3）和相关的数值，计算的白车身相对扭转
保险杠前部分 塑料 9.131E- 11 30.6
—
—
前横拉杆 复合材料 2.4E- 09 2800
0.3
45
白车身其它零件 低碳钢 7.9E- 09 210000 0.3 140—800
文中采用 rigid 刚性单元来模拟焊点连接，本文的白车身模型焊点 间距取在 50mm—80mm 之间。该白车身有限元模型具有 355682 个单 元，368901 个节点，3412 个焊点单元。白车身有限元模型如图 1。
度分析以及白车身优化设计进行了研究，对白车身的扭转工况和弯曲 工况进行了分析，得出该轿车白车身的扭转刚度满足国外轿车较高设 计要求，但弯曲刚度偏低。通过对白车身进行尺寸优化后，扭转刚度稍 有减小，弯曲刚度稍有增加，白车身的总质量有所减小，达到了在白车 身轻量化同时尽量少牺牲白车身刚度的目标。本文的研究对于白车身 结构改进设计具有一定的参考价值。
—3—
科技信息
博士·专家论坛
承载式轿车车身弯曲最大变形量的推荐值见表 4[4]。
挠度。
表 4 轿车车身弯曲最大变形量
由白车身 Z 向弯曲变形图知门槛的最大变形量为 - 0.9634mm，据
前门洞口对角线
2.0mm
后门洞口对角线
1.5mm
公式（5）和相关数据得白车身的相对弯曲刚度为： EI=6866.31N/mm
通过求解计算得到白车身的 Z 向弯曲变形图如图 4。和扭转工况
在保证白车身的静态扭转刚度和弯曲刚度在可行的变化范围之内
一样沿车身纵向前后纵梁下部、门槛梁下部、前围下部左右对称选取 12 的前提下，使得白车身的质量最轻。
个节点，由这些节点得到两侧平均变形曲线如图 5。
（2）设计变量的确定
以板件的厚度作为变量进行尺寸优化，根据前文中刚度分析的结
1.引言 现代轿车车身大都采用承载式车身结构，车身由许多不同形状、不 同厚度的薄壁板壳零件焊合、铆接等而成，即使是某些主要的承载梁都 是由内板和外板相互焊接而成，整体结构相对比较复杂。轿车车身刚度 对轿车整体的性能指标有着全面直接的影响，轿车合理的刚度将使轿 车的整体性能指标得到全面的提高。目前国外对轿车的研究十分重视， 轿车车身刚度的研究已是车身开发的重要指标之一[1]。 2.白车身有限元模型的建立 该轿车白车身使用的钢板厚度范围为 0.5mm- 5.35mm，大多数零件 材料厚度在 0.8mm- 4mm 之间。白车身的材料性能表如表 1。该白车身 一共有 172 个零件，部件主要有三种材料：低碳钢、复合材料和塑料[2]。 本文分析采用的单位制为 ton- mm- N。
利用 HyperWorks 中的 OptiStruct 模块进行尺寸优化计算，得到优
EI=∑F/δzmax
（5） 化结果如表 5。考虑到车身的对称性，经过圆整后对门槛、A 柱内板、B
其中，∑F为作用在车身上的垂直载荷；δzmax 为车身底架的最大垂直 柱内板取相同的值。
表 5 优化计算结果和圆整值
优优化变量
前地板
0.8
0.64
0.96
0.9415
0.94
后地板
1.2
0.96
1.44
0.96
0.96
设计变量（mm）
门槛左
1.25
1.0
1.5
1.5
1.5
门槛右
1.25
1.0
1.5
1.267
1.5
A 柱内板左
2.0
1.6
2.4
2.277
2.24
A 柱内板右
2.0
1.6
2.4
2.24
2.24
B 柱内板左
1.15
名称
初值
最小允许值
最大允许值
优化结果
圆整后计算取值
目标函数（t）
白车身总质量Biblioteka 0.317966—
—
0.310448
—
车顶
0.8
0.64
0.96
0.64
0.64
防火墙
0.75
0.6
0.9
0.6387
0.64
前地板前横梁
1.2
0.96
1.44
1.207
1.21
前地板后横梁
1.4
1.12
1.68
1.12
1.12
承载式轿车白车身扭转最大变形量的推荐值见表 2[4]。
图 2 白车身 Z 向扭转变形图
图 3 白车身测量点扭转角图
θ=arctan( U1- U2 ) B
（2）
式中，θ 为车身扭转角；U1 为左侧纵梁测点的挠度；U2 为右侧纵梁
测点的挠度；B 为前轮距。
表 3 白车身扭转角
测 量 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 点
7112.90
+3.6%
白车身总质量（t） 0.317966
0.310448
- 2.4%
由表 6 可以看出扭转刚度和总质量优化后减小，弯曲刚度增加，扭 转刚度和弯曲刚度均在约束的变化范围之内。虽然优化后扭转刚度有 所减小，但仍然满足国外轿车设计的较高要求；弯曲刚度优化后有所增
—4—
参考文献 ［1］仇彬.轿车白车身扭转刚度分析及结构优化设计［D］.合肥工业 大学硕士学位论文,2007 ［2］王志亮,刘波等.基于弯曲刚度和扭转刚度的白车身优化分析 ［J］.机械科学与技术,2008.8 ［3］段伟,石琴等.轿车白车身静刚度分析［J］.合肥工业大学学报(自 然科学版),2008.6 ［4］谷正气.轿车车身［M］.人民交通出版社,2002.10 ［5］夏国林.轿车白车身静刚度分析［J］.汽车科技第 3 期,2008.5 ［6］陈鑫,于雪,林松.轿车车身静态刚度计算及静态竖直弯曲刚度优 化分析［J］.汽车技术,2004 ［7］HeperWorks Help Documents, Altair Engineering
果，选择对车身刚度影响较大的部分的车身零件的厚度作为设计变量，
主要选择了 12 个板件作为设计变量。
（3）约束条件的确定
保证扭转刚度和弯曲刚度的性能降低不能超过 5%；并保证板件的
厚度变化范为±20%。
图 4 白车身模型在 Z 向的弯曲变形图 图 5 车身弯曲平均变形曲线
4.2 优化结果
白车身弯曲刚度计算公式为：
（1）
得：T=0.5×1101×9.8×1.633=8809.87N·m
车身结构的扭转刚度可以通过以下部位的变形情况进行评价, 即：
（1）车身地板一侧在长度方向上扭转角变化曲线；（2）窗口及洞口对角
线尺寸变化；（3）门锁锁扣位置变化；（4）前后轴间的扭转角；（5）扭转变
形曲线应连续变化无明显突变[5]。
得：F=1.8×75×5×9.8=6615N
车身结构的弯曲刚度可以通过以下部位的变形情况进行评价，即：
（1）底板在车身长度方向上的垂直挠度变化曲线；（2）前排座椅处底板
的最大变形；（3）前围板的最大垂直变形；（4）底板在车身长度方向上的
垂直挠度变化曲线应连续无明显突变[5]。
基金项目：本文系湖北省教育厅科学研究课题（D20082304）。 作者简介：张继伟（1979- ），男，山东省郓城县人，硕士生，主要研究方向为汽车结构性能分析及汽车 NVH 方向。
表 1 轿车白车身材料性能表
零件
材料
密度 弹性模量 泊松 屈服应力 （t/mm3） （MPa） 比 （MPa）
表 2 轿车车身扭转最大变形量 前后风窗对角线 5.0mm 前后门洞对角线
3.0mm
前围板下部变形量 1.5mm 前门锁扣位置变化
4.0mm
后门锁扣位置变化 7.5mm
前后轴间扭角
35′
通过求解计算得到白车身的 Z 向扭转变形图如图 2。沿车身纵向 前后纵梁下部、门槛梁下部、前围下部左右对称选取 12 个节点，根据这 些节点的竖向位移由公式 2 分别求出扭转角，求得的各对称点的扭转 角的平均值见表 3，对应的图如图 3。
0.92
1.38
0.9265
0.93
B 柱内板右
1.13
0.904
1.356
0.904
0.93
由表 5 可以看出优化后白车身质量变小，各设计变量也均在变化 范围之内，可认为该优化达到了优化目标。
对经过优化后的白车身模型再进行扭转和弯曲刚度分析，优化前 后的扭转和弯曲变形图如图 6、7。
加，但仍然与国际轿车设计的一般要求相差不小。 5.结论 本文对轿车白车身从建立白车身有限元模型到扭转刚度和弯曲刚
图 1 白车身有限元模型
3.白车身刚度分析
3.1 扭转刚度分析
计算扭转刚度采用的边界条件：约束后悬架支撑处 X、Y、Z 3 个
方向的平动自由度，在前保险杠中部约束 Z 向平动自由度，在前悬架
座的两端施加大小相等方向相反的竖直方向的均布力[6]。扭矩计算如公
式 1[3]：
最大扭转载荷 T=0.5×前轴最大负荷×轮距
刚度为：
GJ=19226.45Nm/°
该白车身的扭转刚度超出国外轿车较高设计要求刚度值
16000Nm/°，达到了设计要求。
3.2 弯曲刚度分析
计算弯曲刚度采用的边界条件和载荷工况为：约束前后悬架固定
座支撑点的所有自由度，在乘客仓内加均布载荷[3]，弯曲载荷计算公式