面向車身剛度的敞篷車底部空間拓?fù)鋬?yōu)化

蘇松松　吳龍質(zhì)　羅茂康　黎謙

摘 要：敞篷車頂蓋總成和部分側(cè)圍關(guān)鍵接頭缺失導(dǎo)致扭轉(zhuǎn)剛度較低的問(wèn)題，論文以提升敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度為目的，通過(guò)有限元軟件OptiStruct模塊對(duì)敞篷車下車體空間進(jìn)行拓?fù)浞治?，解析扭轉(zhuǎn)工況車身拓?fù)鋫髁β窂剑Y(jié)合工程實(shí)際情況，提出在電池包底部增加抗扭管梁方案，且抗扭管梁與電池包螺栓連接，使得敞篷車身扭轉(zhuǎn)剛度提升51.2%，效果顯著。

關(guān)鍵詞：敞篷車 扭轉(zhuǎn)剛度 拓?fù)鋬?yōu)化 抗扭管梁

Topology Optimization of the Cabriolet Floor Space for Body Stiffness

Su Songsong，Wu Longzhi，Luo Maokang，Li Qian

Abstract：In order to improve the torsional stiffness of the convertible， the topological analysis of the body space under the convertible is analyzed by the Finite Element Software OptiStruct module， the topological transmission path of the torsional working body is analyzed， and the scheme of adding the torsional pipe beam at the bottom of the battery pack is proposed in combination with the actual situation of the project， and the torsional pipe beam is bolted with the battery pack， which increases the torsional stiffness of the convertible body by 51.2%， which has a significant effect.

Key words：convertible， torsional stiffness， topology optimization， torsional pipe beam

1 引言

國(guó)家“雙碳”目標(biāo)對(duì)新能源汽車發(fā)展提出更高的需求，新能源乘用車滲透率近兩年快速提升，目前已達(dá)到30%以上。為了滿足消費(fèi)者更多需求，新能源敞篷汽車順應(yīng)而生。

白車身側(cè)圍承受車頂和地板傳給的力產(chǎn)生彎矩扭矩，側(cè)圍上的A柱、B柱、C柱、D柱是主要的受力件，只有當(dāng)立柱、頂蓋橫梁、地板橫梁在一個(gè)橫斷面上構(gòu)成環(huán)結(jié)構(gòu)時(shí)，才能有效的抵抗彎矩扭矩[1]；敞篷車相對(duì)于常規(guī)車，結(jié)構(gòu)形式存在較大差異，車身整體骨架連續(xù)性被打斷，導(dǎo)致車身扭轉(zhuǎn)剛度性能急劇下降，而與剛度相關(guān)的操穩(wěn)、凹凸路面車身抗變形能力、NVH以及疲勞耐久也將受到影響[2]。所以解決敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度低的問(wèn)題，是敞篷車在開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)中的基礎(chǔ)重大問(wèn)題。

拓?fù)鋬?yōu)化是在給定的優(yōu)化區(qū)間內(nèi)，尋求結(jié)構(gòu)基于設(shè)計(jì)目標(biāo)的最優(yōu)形狀或材料分布的一種方法[3]。本文采用拓?fù)鋬?yōu)化手段，尋找扭轉(zhuǎn)工況下車身拓?fù)鋫髁β窂讲牧戏植记闆r，依據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果尋找最優(yōu)的設(shè)計(jì)方案是論文的研究重點(diǎn)；

2 白車身剛度分析

2.1 有限元建模

本敞篷車白車身剛度分析有限元模型包含部件有白車身總成（含防滾架總成）、前擋風(fēng)玻璃以及電池包總成。將各總成導(dǎo)入Hypermesh前處理軟件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，鈑金采用殼體單元，網(wǎng)格大小8mm，螺栓、涂膠及燒焊采用相關(guān)對(duì)應(yīng)單元模擬，各部件賦予對(duì)應(yīng)材料與屬性。

2.2 扭轉(zhuǎn)剛度分析

敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度分析，左、右前懸中心加載沿Z向大小相同，方向相反的兩個(gè)力，左側(cè)加載沿+Z向，右側(cè)沿-Z向，力的大小根據(jù)各車前懸中心Y向距離確定，即F=1345N.m/L，L為前懸中心的Y向距離；在前防撞梁中心處約束自由度3，后螺簧座中心處左側(cè)約束自由度13，右側(cè)約束自由度123。白車身扭轉(zhuǎn)剛度工況邊界約束如圖2所示。

在進(jìn)行白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算時(shí)，利用扭矩除以消除剛度位移的扭轉(zhuǎn)角度，既可得到白車身的扭轉(zhuǎn)剛度。計(jì)算公式如下：

K= （1）

公式中K為扭轉(zhuǎn)剛度，F(xiàn)為施加在車身扭轉(zhuǎn)載荷，L為車身前懸中心距，θ為消除剛度位移的扭轉(zhuǎn)角度。

車身扭轉(zhuǎn)角計(jì)算公式：

θ=atan（（Z1+Z2）/L1）-atan（（Z3+Z4）/L2） （2）

公式中Z1、Z2、Z3、Z4分別為前大梁左側(cè)、前大梁右側(cè)、后大梁左側(cè)以及后大梁右側(cè)測(cè)點(diǎn)Z向絕對(duì)位移，L1、L2分別為前懸后懸測(cè)點(diǎn)Y向距離。前大梁測(cè)點(diǎn)為左右加載點(diǎn)Z向投影到前大梁下表面Y向中點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)，后大梁測(cè)點(diǎn)為后螺簧座約束點(diǎn)Z向投影到后大梁下表面Y向中點(diǎn)處節(jié)點(diǎn)。

2.3 剛度分析結(jié)果

將完成的有限元模型以fem文件形式導(dǎo)出，并導(dǎo)入到OptiStruct軟件中計(jì)算結(jié)果，提取得到的白車身測(cè)點(diǎn)Z向扭轉(zhuǎn)位移。計(jì)算結(jié)果如下表1：

由計(jì)算結(jié)果可以看出，敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度結(jié)果要遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于常規(guī)車扭轉(zhuǎn)剛度，相比常規(guī)車扭轉(zhuǎn)剛度下降約70%，并且對(duì)比國(guó)外對(duì)標(biāo)敞篷車也相差36.6%，扭轉(zhuǎn)剛度性能較低，需進(jìn)行優(yōu)化提升。

造成敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度低下的原因，主要是敞篷車相對(duì)于傳統(tǒng)常規(guī)車，敞篷車頂蓋總成和部分側(cè)圍關(guān)鍵接頭缺失（圖4黃色框），造成車身關(guān)鍵接頭被打斷，沒(méi)能形成閉環(huán)框架結(jié)構(gòu)，而代替頂蓋總成和側(cè)圍接頭部分功能的軟頂敞篷機(jī)構(gòu)，不能為車身提供足夠的剛度，造成敞篷車扭轉(zhuǎn)剛度的大幅下降。

3 拓?fù)鋬?yōu)化分析

3.1 拓?fù)鋬?yōu)化

OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化的材料模式采用變密度法（SIMP方法），即將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個(gè)單元“單元密度”作為設(shè)計(jì)變量。“單元密度”與結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)，在0～1之間連續(xù)取值，優(yōu)化求解后單元密度為1（或靠近1）表示該單元位置處的材料很重要，需要保留；單元密度為0（或靠近0）表示該單元位置處的材料不重要，可以考慮去除，從而達(dá)到材料的高效利用，實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[4]。由此，變密度方法是將結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為材料在有限空間內(nèi)的分布問(wèn)題，具有較強(qiáng)的實(shí)用性、求解效率高等優(yōu)點(diǎn)[5]。

敞篷車受限于敞篷機(jī)構(gòu)影響，上車體關(guān)鍵接頭缺失，導(dǎo)致上車體提升扭轉(zhuǎn)剛度的設(shè)計(jì)空間比較??；本敞篷車型以下車體框架為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間，尋找增強(qiáng)白車身扭轉(zhuǎn)剛度框架傳遞路徑，并根據(jù)傳遞路徑對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行解析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)空間如下圖。

本敞篷車型以設(shè)計(jì)空間每個(gè)單元的密度作為設(shè)計(jì)變量，應(yīng)變能最小做為優(yōu)化目標(biāo)，以體積分?jǐn)?shù)V<0.3做為響應(yīng)約束，制造約束最小成員尺寸60mm，最大成員尺寸120mm，并且設(shè)置Z向拔模約束，用OptiStruct求解器進(jìn)行優(yōu)化求解。

4 優(yōu)化結(jié)果分析

4.1 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析

拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量單元密度為1（或靠近1）材料保留，拓?fù)鋬?yōu)化如下圖結(jié)果顯示，地板下方一條明顯傳遞路徑呈現(xiàn)X字型。

4.2 優(yōu)化方案結(jié)果分析

根據(jù)拓?fù)浣Y(jié)果，結(jié)合工程實(shí)際情況，對(duì)下車體底部車架結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化更改，方案如下：

方案一：在電池包下方，增加兩根X字型抗扭管梁，為避免方案造成離地間隙不足問(wèn)題，管梁截面的結(jié)構(gòu)形式是偏平狀的橢圓；抗扭管梁中間交叉位置增加鈑金燒焊連接，預(yù)防抗扭管梁鈑金在實(shí)際使用過(guò)程中相互振動(dòng)造成異響問(wèn)題；與車身位置前點(diǎn)安裝在雪橇支架上，后點(diǎn)車身增加一個(gè)安裝支架。

方案二：在方案一的基礎(chǔ)上，抗扭管梁與電池包吊耳位置采用螺栓連接，借助電池包結(jié)構(gòu)傳力路徑進(jìn)一步提升扭轉(zhuǎn)剛度。

從優(yōu)化方案一、二的結(jié)果看，方案一扭轉(zhuǎn)剛度提升849N·m/deg，提升比例17.8%，重量增加5.5kg；方案二扭轉(zhuǎn)剛度提升2437N·m/deg，提升比例51.2%，重量增加5.6kg，效果顯著，主要原因是抗扭管梁與電池包的鏈接，借助電池包結(jié)構(gòu)傳力路徑進(jìn)一步提升扭轉(zhuǎn)剛度。

4.3 方案驗(yàn)證

為驗(yàn)證方案二的有效性，對(duì)該方案二零件改制并進(jìn)行白車身剛度試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果7770N·m/deg，較仿真值高570N·m/deg，方案實(shí)際效果更優(yōu)、性價(jià)比較高。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)敞篷車車身沒(méi)能形成閉環(huán)框架結(jié)構(gòu)，對(duì)白車身剛度較低問(wèn)題。本文考慮客觀因素，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化手段對(duì)下車體開(kāi)展的拓?fù)浞治黾皟?yōu)化，得出以下結(jié)論：

（1）以車身底部作為設(shè)計(jì)空間開(kāi)展拓?fù)鋬?yōu)化，傳力路徑較清晰，證明該方法有效的、科學(xué)的；

（2）根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，下車體地板下的X字形抗扭管梁結(jié)構(gòu)對(duì)白車身扭轉(zhuǎn)剛度有較大提升作用；

（3）X字形抗扭管梁與電池包增加鏈接關(guān)系，能進(jìn)一步加強(qiáng)下車體框架結(jié)構(gòu)剛度，扭轉(zhuǎn)剛度會(huì)有顯著提升，性價(jià)比很高。

參考文獻(xiàn)：

[1]王銀.基于環(huán)結(jié)構(gòu)的某商用車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[D].湘潭：湘潭大學(xué)碩士論文， 2018.

[2]吳利廣，王晗景，立新，蒙啟恩.某乘用車車身扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)操縱穩(wěn)定性的影響[J].汽車工程師，2018（10）：46-47.

[3]雷正保，李鐵俠，王瑞.純電動(dòng)汽車車身多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)[J].大連理工大學(xué)學(xué)報(bào)，2015（5）：484-491.

[4]洪清泉，趙康，張攀.OptiStruct&HyperStudy理論基礎(chǔ)與工程應(yīng)用[M].機(jī)械工程出版社.2013：25-26.

[5]王勝永，周美娟，李育文.新能源汽車車架結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化初步設(shè)計(jì)[J].汽車實(shí)用技術(shù)，2018（13）：10-11，18.