基于多模型拓扑优化方法的车身结构概念设计

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　　摘要：为获得最优的初始设计方案，在车身概念设计阶段对车身结构进行拓扑优化。车身结构性能指标综合考虑整体刚度、局部动态刚度和碰撞性能，采用多模型优化（multi model optimization， MMO）方法解决此类复杂工况的拓扑优化问题，通过调节设计空间和设置参数，获得车身最优载荷路径。根据拓扑优化结果初步形成车身框架结构，可为后期详细设计提供参考。
　　关键词：
　　车身; 结构设计; 概念设计; 多模型; 拓扑优化
　　中图分类号：U463.821; TB115.1
　　文献标志码：B
　　Conceptual design of car body structure based on
　　multi model topology optimization method
　　CHEN Dong1， ZHAO Yonghong1， HOU Wenbin2，
　　WANG Fangsheng1， LI Xiaolong1
　　（
　　1. Automotive Research & Development Center， Guangzhou Automobile Group Co.， Ltd.， Guangzhou 511434， China;
　　2. School of Automotive Engineering， Dalian University of Technology， Dalian 116024， Liaoning， China）
　　Abstract：
　　To obtain the optimal initial design scheme， the topology optimization of the car body structure is carried out at the conceptual design stage. The body overall stiffness， local dynamic stiffness and collision performance are considered comprehensively as the performance index of the car body structure. The multi model optimization（MMO） is proposed to solve the topology optimization problem on so complex conditions. By adjusting the design space and the setting parameters， the optimal load path of the car body is obtained. According to the topology optimization results， a preliminary car body frame structure is formed， which can provide reference for the later detailed design.
　　Key words：
　　car body; structure design; conceptual design; multi model; topology optimization
　　0 引 言
　　车身概念设计是车身设计的重要阶段，约决定车身整体成本的70%[1]。同时，概念设计阶段一般约束比较少，车身结构设计具有最大的灵活性，因此使用拓扑优化产生创新的概念设计，可以最大程度获得更高效、更轻巧、更新颖的结构设计方案，最大程度地提高材料的利用率。FUKUSHIMA等[2]最早将拓扑优化方法引入车身结构设计中，提出一种多领域、多步骤的拓扑优化方法。雷正保等[3]针对传统分散拓扑优化不能获得整体性能最优结果的缺陷，提出一种整体拓扑优化策略，并运用到纯电动汽车车身概念优化设计中。高云凯等[4]研究载荷约束对车身拓扑优化结果的影响，在正碰工况下采用约束释放和单点约束作为碰撞分析模型，对比研究整车拓扑优化的异同;李顺利等[5]将无网格法的优势集成到结构拓扑优化中，基于无网格局部Petrov Galerkin法进行车身板结构的拓扑优化。
　　车身的结构性能主要包括整体刚度、NVH和抗撞性能。这些性能工况复杂且有耦合关系：刚度性能考虑线性静态载荷，NVH是动态载荷，碰撞为高速非线性动态载荷。在车身概念设计阶段，同时考虑3种工况难度较大。OptiStruct提供多模型优化（multi model optimization， MMO）功能，通过MMO可以非常高效地设置不同工况、不同模型的拓扑优化，并且使用不同模型得到的优化结果相同，优化结果的可用性较高。
　　因此，本文基于MMO构建车身结构多模型拓扑优化流程，定义车身结构多模型优化模型并实现某白车身结构的拓扑优化设计。根据拓扑优化结果进行分析，创建白车身概念设计模型，結果表明此优化方法和优化模型可以有效解决车身结构复杂工况的优化和概念设计问题。
　　1 MMO方法
　　MMO可以在一次优化计算中同时考虑多个计算模型，这些模型共享部分设计变量，共享的设计变量会得到相同的优化结果。[6]多模型优化的模型、载荷和参数均可以不同，目标函数、约束和响应可以单独定义也可以组合定义。这为在概念设计阶段同时考虑车身整体刚度、局部动态刚度和碰撞性能进行白车身优化设计提供有力支持。白车身多模型拓扑优化流程见图1。 　　2 车身拓扑优化模型建立
　　车身概念设计阶段主要关注车身扭转和弯曲刚度、局部动态刚度和碰撞性能。根据这3个工况建立车身刚度优化模型、局部动态刚度优化模型和碰撞优化模型等3个子模型。这3个子模型的载荷工况不相同，要求计算的车身模型也不相同，3个子模型共用白车身模型，白车身模型即为拓扑优化设计空间。
　　多模型拓扑优化表达式为
　　式中：O1、O2和O3分别为扭转和弯曲刚度模型、局部动态刚度模型和碰撞模型的性能目标; FG为整车车身设计目标，如车身质量等;CG为对应的等式和不等式约束，是全局变量约束;Cj为第j个性能变量的约束，如刚度变形量、碰撞峰值力和侵入量等。
　　MMO拓扑优化要保证白车身模型使用统一的设计变量定义，目标函数为3个子模型质量之和最小，通过Master文件定义。扭转和弯曲刚度模型约束条件为点的变形量。局部动态刚度模型约束条件转化为等效静态刚度（equivalent static stiffness， ESS）工况，即在作用点施加3个方向单位力，采用惯性释放工况计算加载点的静态位移，ESS为位移的倒数。动态刚度模型目标函数设定隔振要求，经验值一般为5～10倍的衬套刚度。
　　碰撞工况线性化拓扑优化的约束条件是车身的柔度。一般来说，性能（刚度）越大越好，质量越小越好，但同时使性能和质量达到最优是不太可能的。根据柔度与质量的Pareto曲线（见图2）定义最佳柔度，在曲线上满足质量和刚度的最优约束为拓扑优化的约束。
　　3 白车身多模型拓扑优化流程实现
　　3.1 优化设计域定义
　　根据车身外部造型曲面、动力总成和人机布置，建立能容纳车身受力结构的包络空间。在此基础上结合总体布置的限制，挖去底盘、油箱、发动机和轮胎的包络空间，形成白车身拓扑优化设计域。使用
　　Voxelmesh创建六面体网格;考虑模型规模和计算时间，网格尺寸约为20 mm，车身拓扑设计域网格模型见图3。
　　3.2 拓扑优化模型建立
　　分别建立整备车身（trimmed body， TB）模型和整车碰撞模型。TB模型是在白车身包络模型的基础上添加前副车架、四门、引擎盖、后尾箱盖、仪表板、前后座椅、假人和油箱生成的。整车碰撞模型在TB模型上增加动力总成和前后悬置。在车身概念设计阶段，如果没有参考模型，这些子系统可以用集中质量单元代替，并且通过RBE2或RBE3单元与设计空间的实体单元连接。TB车身模型见图4。
　　设计空间使用实体单元，而实际结构是薄壁型截面梁，实体单元组成的梁会比薄壁截面梁刚度大很多，因此需要对实体单元的材料参数进行缩放。设计空间材料的弹性模量为206 GPa，密度为钢的1/6，即1 317 kg/m3，泊松比为0.3。
　　3.3 载荷工况定义
　　拓扑优化的载荷工况都是线性静态载荷，弯曲和扭转工况为线性载荷工况，可直接根据要求加载;局部固定点的动态刚度为与频率相关的动态载荷，碰撞为高速非线性动态载荷，这2类载荷要进行线性化处理。
　　弯曲工况载荷见图5。左右门槛梁z向各施加载荷1 000 N，前悬架固定座中心约束z向平动自由度，后悬架固定座中心约束x、y和z向平動自由度，测量门槛梁下表面对应加载点的z向位移。扭转工况载荷见图6。在前悬置塔座施加扭矩4 000 N·m，约束后悬架弹簧固定座中心的6个自由度。
　　在局部固定点施加3个方向单位力，采用惯性释放工况计算其动态刚度。局部固定点位置见图7，其中包括底盘硬点、座椅固定点、开闭件铰链和锁固定点等30个点。
　　碰撞工况是高速非线性动态载荷工况，拓扑优化需要将高速动态载荷等效为线性静态载荷，主要方法是根据车身碰撞形态，将关键时刻车身结构压溃处的最大载荷作为等效静态载荷。根据C NCAP管理规则（2018版），目前主要考虑正面偏置碰、后碰、侧碰和顶盖静压等4种工况。[7]偏置碰碰撞载荷线性化等效为3个静力工况，见图8。静力工况一为载荷加载在前纵梁前端，静力工况二为载荷加载在上边梁和纵梁中部，静力工况三为载荷加载在门槛梁、A柱、中央通道和纵梁。侧碰主要承载部位有前后车门、门槛梁和B柱。提取参考车侧碰工况壁障上各区域的截面力，进行碰撞载荷定义，见图9。
　　后碰将碰撞工况线性化为2个静力工况，静力工况一为载荷加载在后吸能盒截面;静力工况二为载荷加载在后纵梁和左侧D柱截面上，见图10。顶盖静压工况根据美国公路安全保险协会的顶盖静压法规要求，沿试验加载方向施加4倍整备质量的力，见图11。
　　4 优化实例分析
　　依据上述流程，根据某参考车型尺寸进行新车身结构概念设计，MMO工况设置为综合工况，即刚度工况+ESS工况+碰撞工况，MMO的拓扑优化结果见图12。
　　得到拓扑优化结果后进行主要传力路径解析，以确定车身具体结构。以车身局部侧面多模型MMO结果为例，设置最小单元尺寸为70 mm，离散控制参数为Checker和Topdisc，白车身侧面拓扑优化结果对比见图13。
　　A柱、B柱、C柱、门槛梁和后减振器加强梁组成的结构，受顶盖静压、弯曲和扭转刚度影响。后减振器下部加强梁部分对扭转工况很重要，但MMO结果略有不同，是受碰撞和ESS工况的影响。车身后半部分红色路径在刚度工况、ESS工况、顶盖静压工况和后碰工况中都可以看到，从后门的右上角位置沿后门外轮廓向下，在轮罩上方分为2路连接至后纵梁。最终角度是各工况路径的综合结果。后纵梁至后减振器处的路径（黄色）由ESS工况和后碰工况而来。此处为后轮罩位置，最终可能考虑以加强筋形式体现。轮罩上方至D柱下段横梁（深绿色）是考虑ESS和后碰工况的综合结果。
　　综合车身传力路径的解读结果，最终得到的白车身框架模型见图14。对该模型进行结构性能分析，并与参考车型相应指标对比，结果见表1。由此可知，MMO优化结果可实现考虑刚度、碰撞等多种工况性能因素下的车身轻量化。 　　在上述实例中，基于多模型的拓扑优化需要通过不同的优化设置寻找最稳健的传力路径、避免遗漏重要的路径，应注意以下事项。
　　（1）根据优化结果不断更新设计空间，例如：改变优化设计空间，即对设计空间进行删除或添加材料;对部分区域添加剪切板承受剪切载荷，避免生成过多X型结构。
　　（2）更改约束条件，调整约束值以查看结果的变化，例如更改碰撞工况的柔度约束值、改变路径等。调整优化控制参数、最大最小成员尺寸、离散控制参数Checker和Topdisc等，根据不同参数优化结果选取与工程相匹配的结果。
　　（3）在优化模型中，玻璃与经材料参数缩放的实体设计空间之间用TIE连接，这相对于实际黏胶来说过于刚硬，因此在包含玻璃的模型中，玻璃本身实际上是一条重要的传力路径，其周围材料很少。删除玻璃会发现，在玻璃四周尤其是前部会生成横向传力路径。
　　5 结 论
　　基于OptiStruct的多模型优化功能，提出并建立面向白车身结构概念设计的MMO模型拓扑优化设计流程。该流程可同时考虑车身刚度、NVH和碰撞等多个模型进行拓扑优化，最后结合具体车型证实该方法可得到合理的车身结构框架模型，在概念设计阶段可实现考虑多工况的车身轻量化结构设计。
　　后期可在现有模型的基础上进行后续结构优化和设计工作，完成概念车身结构设计，例如优化各传力路径的截面形状及参数、创建CAD详细设计模型等。
　　参考文献：
　　[1] BHISE V， KRIDLI G， MAMOOLA H， et al. Development of a parametric model for advanced vehicle design[DB/OL]. （2004 03 08）[2019 08 26]. https：//www.sae.org/publications/technical papers/content/2004 01 0381/. DOI： 10.4271/2004 01 0381.
　　[2] FUKUSHIMA J， SUZUKI K， KIKUCHI N. Topology optimization of a car body with multiple loading conditions[EB/OL]. （2012 08 17）[2019 08 26]. https：//arc.aiaa.org/doi/10.2514/6.1992 2250.
　　[3] 雷正保， 肖林輝， 刘助春， 等. 纯电动汽车车身结构耐撞性的整体拓扑优化设计[J]. 汽车工程学报， 2016， 6（1）： 15 21. DOI： 10.3969/j.issn.2095 1469.2016.01.03.
　　[4] 高云凯， 田林雳. 基于等效静态载荷法的车身碰撞拓扑优化[J]. 同济大学学报（自然科学版）， 2017， 45（3）： 391 397. DOI： 10.11908/j.issn.0253 374x.2017.03.013.
　　[5] 李顺利， 龙述尧， 李光耀， et al. 基于无网格局部Petrov Galekin法的板结构拓扑优化[J]. 计算机辅助工程， 2011， 20（1）： 56 60. DOI： 10.3969/j.issn.1006 0871.2011.01.013.
　　[6] ZAGORSKI N， NELSON E， CALISKAN A， et al. Design of automotive structures using multi model optimization[DB/OL]. （2017 03 28）[2019 08 26]. https：//saemobilus.sae.org/content/2017 01 1342/.
　　[7] C NCAP管理规则（2018版）[EB/OL]. （2018 07 01）[2019 08 26]. http：//www.c ncap.org/cms/files/cncap regulation 2018.pdf.
　　（编辑 武晓英）
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