基于自由尺寸优化的车身结构嵌件优化设计

周源 梁名佳 莫贵文

摘 要：为研究车身结构嵌件对白车身扭转刚度的影响，基于白车身扭转刚度仿真分析模型，首先通过自由尺寸优化方法找到结构嵌件在车身关键接头的嵌入位置，再用工程塑料内外饰零件的建模方法设计嵌件骨架结构，然后再次通过自由尺寸优化方法对嵌件骨架进行结构优化和轻量化，从而得到兼顾白车身扭转刚度和重量的嵌件结构。仿真分析结果表明：白车身在重量仅增加0.4%的情况下，扭转刚度提升5.5%，整体一阶扭转模态频率提升5.9%。

关键词：自由尺寸优化;白车身;结构嵌件;扭转刚度

中图分类号：U463.82  文献标识码：A  文章编号：1671-7988（2020）16-96-03

Abstract： In order to study the effect of structural insert to BIW torsional rigidity， firstly， findout the structural insert location on the key joint of the BIW by freesize optimization based on the BIW torsional rigidity simulation analysis model， using the modeling method of engineering plastics interior and exterior parts to design the structural insert structure， then do the optimization and lightweight of the structural insert by freesize optimization again， an optimal structural insert which is considered both BIW torsional rigidity and weight is obtained. The simulation analysis result shows that， the weight of the BIW increases only 0.4%， the torsional rigidity of BIW increases 5.5%， the 1st torsional mode frequency of BIW increases 5.9%.

Keywords： Freesize optimization; Body In White; Structural insert; Torsional rigidity

CLC NO.： U463.82  Document Code： A  Article ID： 1671-7988（2020）16-96-03

引言

随着汽車轻量化技术的发展，复合材料在汽车上的应用越来越广泛，其应用方向也正在由内外饰件向结构件和功能件延伸[1]。逐渐掌握碳纤维等纤维增强复合材料特性、零部件结构设计方法、高效制造工艺、性能控制方法和连接技术，逐渐赶超汽车工业发达国家汽车轻量化技术水平，已经作为我国汽车轻量化发展战略和路径中车身轻量化的长期发展目标。纤维增强复合材料中就包括长纤维增强热塑性复合材料（LFT），LFT是一个广义的塑料专用词汇，在汽车复合材料工业中有一个非正式但约定俗成的定义，即指长度超过10mm的增强纤维（一般是玻璃纤维）和热塑性聚合物（一般是聚丙烯）进行混合并生产而成的制品。LFT具有密度低、比强度高、比模量高和抗冲击性强等特性。[2] LFT材料可以替代部分结构件、金属件材料用于汽车零部件，满足零件各项性能指标的同时，对整车减重降本有明显的贡献，因此在提倡轻量化的整车上具有广泛应用前景。[3]

根据欧洲车身会议材料的记录，早在2003年，法国标致就在其307 CC车型的A柱下接头腔体内应用过PA6.6+环氧树脂制成的车身结构嵌件，如图1所示。但至今这种复合材料结构嵌件仍未在车身设计中大量应用，国内有应用的案例则更少。当前车身结构嵌件一般是由长玻纤（或尼龙）+PP（聚丙烯）通过注塑成型，通过热膨胀结构胶胶粘于钣金表面，结构如图2所示。由于是注塑成型，因此可以通过更复杂的结构设计来保证其自身的刚度。通常嵌于车身接头位置或者传力路径的空腔内，如A/B/C/D柱及其接头、门槛梁、前后纵梁等。是很好的加强车身强度、刚度、疲劳耐久性能的解决方案，同时也有机会替代或者减薄钣金从而实现车身的轻量化。

本文基于某SUV白车身扭转刚度，首先采用自由尺寸优化方法分析车身的薄弱接头，作为结构嵌件嵌入位置的参考，然后通过内外饰零件的建模方法在该接头钣金腔体内设计嵌件结构，接着再次采用自由尺寸优化方法，基于白车身扭转刚度对嵌件骨架进行结构优化和轻量化，最后对优化后的结构进行性能校核，并简单探讨复合材料嵌件在车身性能提升和轻量化上的应用前景。

1 自由尺寸优化确定嵌件嵌入位置

为了研究复合材料结构嵌件对白车身扭转刚度的提升效果，以某SUV的白车身为研究对象。传统的零件开发流程为CAD建模后输入到CAE分析及优化，再将CAE的优化方案更新到CAD数模中，这种开发流程早期的CAD结构设计主要依赖于工程师的经验或对标车的逆向数据，具有一定的盲目性。近年来，CAE驱动设计越来越多地被应用到车身正向开发中，如车身概念设计阶段运用拓扑优化技术找到车身结构最有效的传力路径，结合参数化有限元模型，得到兼顾性能和重量的车身结构，并缩短了车身正向开发的周期[4]。本文将这种思路引入到零部件结构的正向设计中，首先利用优化方法找到嵌件嵌入的最佳位置。

常用的优化设计方法包括拓扑优化、参数化优化、形貌优化、形状优化等。优化问题是一种数学方法，其数学模型可以表达为：

设计目标：最小化f（X）或最小化[f（X）的最大值]

设计变量：XiL≤Xi≤XiUi=1，2，3，…N

设计约束：gj（x）≤0 j=1，2，3，…，M

式中：

X——设计变量;

f（X）——设计目标;

g（X）——设计约束。

自由尺寸优化是以2D单元的厚度为设计变量，优化后可以生成不同厚度在2D结构上的重新分布，这些厚度分布显示了2D结构上的传力路径，可以作为结构优化或轻量化的参考。自由尺寸优化可以将有限元模型的现有部件直接定义为设计变量进行优化，而不像拓扑优化那样需要在设计空间内另外构建设计变量，是一种简洁高效的优化方法。

针对该SUV白车身的优化设计定义如下：

设计目标：白车身整体应变能（compliance）最小;

设计变量：白车身所有钣金部件的厚度;

设计约束：质量分数（massfrac）<30%。

其中应变能可以理解为结构刚度的倒数，在拓扑优化和自由尺寸优化中常将应变能最小定义为设计目标。质量分数表示当前迭代步质量与初始质量的比值，常用<0.3作为设计约束[5]。

优化分析迭代完成后车身厚度分布如图3所示，可以看到，尾门框上、下圆角处聚集了大量的厚单元，说明对这些区域加厚可以有效地提升扭转刚度，同样，在相应位置嵌入结构嵌件提升局部刚度，也能间接提升扭转刚度。因此考虑在尾门框上、下圆角腔体内设计结构嵌件。

2 CAD结构设计及仿真分析

根据尾门框上、下圆角腔体空间，用工程塑料内外饰零件的建模方法，设计出尺寸稍大、结构较复杂、预留足够的涂胶面、同时满足注塑工艺的嵌件结构，定义嵌件骨架肋板平均厚度为4mm，如图4所示。

对结构嵌件CAD数模进行有限元建模，由于其几何特征复杂，可采用更小的单元尺寸划分网格，以便更好地反映零件结构，本文采用3mm的平均网格尺寸。嵌件骨架及发泡涂胶材料参数如表1所示。将建好的嵌件连接到白车身模型中分析扭转刚度，并校核白车身自由模态，结果如表2中初版CAD结构方案所示，相比原状态，在尾门框上、下圆角内增加结构嵌件后车身抗扭性能有显著提升。

3 嵌件骨架结构优化及轻量化

可以看到增加的嵌件骨架重达3.5kg，根据经验换成同质量的钣金结构也能达到相同的性能提升效果，并不能体现复合材料密度小的优势，因此需要对嵌件骨架进行进一步的结构优化和轻量化。嵌件骨架采用注塑工艺成型，各肋板的厚度可以任意控制，因此很适合采用自由尺寸優化方法对其进行优化。优化设计定义与前述对白车身的优化有所区别，具体如下：

设计目标：白车身整体应变能（compliance）最小;

设计变量：嵌件骨架的厚度;

设计约束：嵌件骨架质量分数（massfrac）<30%。

优化分析迭代完成后厚度分布如图5所示，可见厚度主要分布在骨架与尾门框圆角的胶粘面附近，与白车身自由尺寸优化厚度分布结果高度一致。将结果中厚度大于1.5mm的单元导出.stl文件，导入到白车身扭转刚度分析模型中，参照优化结果，对嵌件骨架结构进行裁剪、拆分，分别赋予不同的厚度（本文主要采用2mm和3mm两种厚度），在此基础上再次对白车身扭转刚度和模态进行校核，结果如表2中仿真优化方案所示。此时骨架结构净重降至1.46kg，相比初版数模方案减轻了2.04kg，且性能基本不变，从而实现了零件的轻量化设计。按仿真方案对CAD结构进行修改，嵌件骨架最终结构如图6所示，其中红色部分肋板厚度为3mm，蓝色部分均为2mm。

4 结论

（1）在白车身关键接头内通过胶粘的方式嵌入复合材料结构嵌件，能在增重较少的情况下有很好的性能提升效果，零件成型工艺成熟，连接工艺简单，可以作为钣金的补强或替代件，为车身结构优化和轻量化提供了新的思路。

（2）基于白车身刚度对白车身进行自由尺寸优化能快速确定车身的薄弱环节，从而为确定嵌件位置提供参考。

（3）基于白车身刚度对嵌件骨架进行自由尺寸优化能准确地对零件局部厚度进行优化，为零件尺寸及局部料厚设计提供参考，非常适合用于这类结构复杂的工程塑料或复合材料结构件的优化及轻量化设计。

（4）CAE驱动的零件正向开发，可以使结构设计方向更明确，避免盲目设计，缩短开发周期。

参考文献

[1] 武胜军.长玻纤增强PP材材料在汽车蓄电池托盘上的应用[J].材料应用，2013，9：45-49.

[2] 中国汽车轻量化发展——战略与路径[M].北京：北京理工大学出版社，2015.9.

[3] 李彬，谢静雅，付丹.长玻纤增强PP材料在汽车上的应用[J].时代汽车，2017，12： 78-79.

[4] 史国宏，吴锦妍，宋正超.车身正向开发过程中的优化设计[J].汽车安全与节能学报，2014，5（3）： 238-243.

[5] 柯志强.机翼下壁板维修孔自由尺寸优化设计[J].科技视界，2015， 24：107-108.