基于SFE參數(shù)化平臺(tái)開發(fā)優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉文慧 尹楊平 蔣兵

摘 要：隨著汽車設(shè)計(jì)技術(shù)的自動(dòng)化發(fā)展，汽車成本逐漸從原材料和制造方面轉(zhuǎn)向了新技術(shù)研發(fā)投入。理論上單一車型獨(dú)立研發(fā)的復(fù)雜程度越高，相應(yīng)的研發(fā)成本占比也越大，導(dǎo)致車企想要降低一款車的開發(fā)成本，就必須要朝平臺(tái)化方向開發(fā)思路轉(zhuǎn)變。在平臺(tái)化車身設(shè)計(jì)開發(fā)階段，為實(shí)現(xiàn)多種結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案的快速評估及優(yōu)化，以最短的周期獲得匹配的設(shè)計(jì)方案，對于降低產(chǎn)品開發(fā)成本和提高企業(yè)競爭力有著重大意義。CAE仿真技術(shù)在近年來在汽車工業(yè)內(nèi)快速發(fā)展，為快速評估研發(fā)車型的整車綜合性能并進(jìn)行輕量化，基于SFE-Concept構(gòu)建車身隱式參數(shù)化分析模型。對參數(shù)化模型進(jìn)行模態(tài)、剛度等性能的計(jì)算，基于“靈敏度分析-近似模型-優(yōu)化設(shè)計(jì)”等設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，對白車身下部車體結(jié)構(gòu)進(jìn)行平臺(tái)化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：汽車;車身平臺(tái)化;SFE;車身剛度

0 前言

汽車領(lǐng)域“平臺(tái)化”就是Car Platform，通過平臺(tái)化設(shè)計(jì)可以促使多種車型研發(fā)成本降低，同時(shí)讓消費(fèi)者有著更多的選擇。平臺(tái)車型設(shè)計(jì)不僅可以實(shí)現(xiàn)同級車型動(dòng)力總成、底盤和技術(shù)共享，甚至于可以針對低級別車型進(jìn)行尺寸縮小和成本優(yōu)化，而對高級別車型進(jìn)行強(qiáng)度和材料升級，并在尺寸上靈活放大。從大眾平臺(tái)化的成功開發(fā)經(jīng)驗(yàn)借鑒，它不僅為大眾開發(fā)更多車型做了十足的基礎(chǔ)工作，并且為其規(guī)避了因個(gè)別車型銷量不佳導(dǎo)致的大面積虧損問題[2]。

1 平臺(tái)化基本原則

平臺(tái)化結(jié)構(gòu)必須滿足車型的拓展、配置變化要求，同時(shí)要滿足性能、系統(tǒng)間協(xié)同要求，包括性能（剛度、強(qiáng)度、碰撞安全、NVH、密封、防腐、重量等）目標(biāo)。平臺(tái)系列車型零件的通用性，可匹配不同的外造型，可匹配不同的動(dòng)力總成系統(tǒng)、底盤懸掛系統(tǒng);設(shè)計(jì)容納總成的空間及安裝點(diǎn)。

針對平臺(tái)化中車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)開發(fā)，需遵循四大基本原則：車身主體結(jié)構(gòu)一致性、縱梁系統(tǒng)一致性、定位系統(tǒng)一致性及尺寸工程一致性[1]。

本文重點(diǎn)介紹某平臺(tái)車型的下車體設(shè)計(jì)方案，通過調(diào)整中后部地板的尺寸，同步調(diào)整前后懸長度以增加整車軸距，實(shí)現(xiàn)SUV車型至MPV車型之間上部車身的快速切換。某平臺(tái)車型尺寸設(shè)計(jì)變化信息如下表格1所示：

2 SFE參數(shù)化基本原理

SFE的基本概念是在早期設(shè)計(jì)階段，通過仿真驅(qū)動(dòng)概念設(shè)計(jì)的思路解決方案。它允許快速高效地創(chuàng)建和修改隱式參數(shù)表面模型，這些分析模型支持大量的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)FE求解器，如：OPTISTRUCT、LS_DYNA。同時(shí)支持對振動(dòng)、剛度、碰撞安全和聲學(xué)的并行功能評估。設(shè)計(jì)變量允許修改幾何和拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，以支持在開發(fā)過程的早期階段集成功能分析和改進(jìn)功能的全自動(dòng)工作流程[2]。

傳統(tǒng)的產(chǎn)品開發(fā)順序基本是CAD-CAE（原樣）存在重大缺點(diǎn)，提供有關(guān)最終產(chǎn)品功能性能的反饋信息在設(shè)計(jì)之后，開始詳細(xì)的 CAD 流程之前，必須對工藝可實(shí)施性進(jìn)行評估。通過采用SFE方法，由CAE補(bǔ)充CAD的流程，并將測試和仿真推向上游工作。在敏捷的產(chǎn)品開發(fā)過程中，大多數(shù)工作步驟都是并發(fā)的，通過采用SFE分析方式，可大幅度縮短產(chǎn)品開發(fā)周期。

3 某車型平臺(tái)化仿真分析結(jié)果

根據(jù)外造型初步設(shè)計(jì)方向，將平臺(tái)基礎(chǔ)車型數(shù)據(jù)下車體C環(huán)后部設(shè)計(jì)特征進(jìn)行SFE參數(shù)化優(yōu)化調(diào)整，具體平臺(tái)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)變更信息如下：

輪罩C環(huán)加強(qiáng)梁結(jié)構(gòu)取消;軸距拉長20 mm、后懸拉長20 mm;中、后地板下沉約60 mm;后縱梁截面降低25 mm;車高降低18 mm。

平臺(tái)車型及SFE數(shù)據(jù)CAE仿真分析結(jié)果，對比信息如下表2所示：

通過以上結(jié)果分析，可判定經(jīng)過尺寸變化后，其彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度降幅較大，對以上調(diào)整方案結(jié)構(gòu)進(jìn)行靈敏度分析。

3.1 剛度分析結(jié)果

通過白車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度分析，判定平臺(tái)車型的變更對BIP剛度的影響。以保證車輛操縱穩(wěn)定性（懸架側(cè)傾剛度有關(guān)），避免出現(xiàn)整車異響，門洞產(chǎn)生較大的變形量，以至于出現(xiàn)門關(guān)不上的現(xiàn)象。

從以上分析結(jié)果圖示可得出，調(diào)整軸距尺寸后的SFE模型彎曲剛度12638 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度10848 N·m/deg，其中扭轉(zhuǎn)剛度較平臺(tái)原始車型降幅達(dá)35%，需進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析。進(jìn)行差異化結(jié)構(gòu)分析后，判定影響白車身扭轉(zhuǎn)剛度關(guān)鍵結(jié)構(gòu)：C環(huán)區(qū)域需進(jìn)行優(yōu)化。

3.2 靈敏度分析結(jié)果

在白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度分析過程中，需要優(yōu)化車身關(guān)鍵結(jié)構(gòu)以達(dá)到預(yù)期的目標(biāo)。本文通過靈敏度法分析，確認(rèn)下車身結(jié)構(gòu)C環(huán)區(qū)域結(jié)構(gòu)變化對BIP彎/扭剛度影響較大，CAE分析測算結(jié)果如下表：

通過結(jié)構(gòu)靈敏度系數(shù)分析，對1#至4#件進(jìn)行兩種組合方案分析。CASE1增加輪罩斜撐梁②和橫梁件①、③，如下圖4：

CASE2在CASE1方案基礎(chǔ)上增加彈簧座Y向加強(qiáng)梁④件，如下圖5：

兩種優(yōu)化方案經(jīng)CAE仿真分析，其中CASE1扭轉(zhuǎn)剛度提升2 423 Nm/deg，彎曲剛度提升1 070 N/mm，重量提升5.6 Kg;CASE2方案扭轉(zhuǎn)剛度提升480 Nm/deg，彎曲剛度提升176 N/mm，重量增加2.9 Kg;BIP彎/扭剛度分析結(jié)果及重量變化信息如下表4所示：

3.3 減重優(yōu)化方案

通過CAE分析可得出，以性能綜合指標(biāo)要求為基準(zhǔn)，車輛后部C環(huán)位置結(jié)構(gòu)對車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的重要影響度。

以影響B(tài)IP彎扭剛度的截面形狀關(guān)鍵因子結(jié)合輕量化需求，通過優(yōu)化CASE1、CASE2方案的關(guān)鍵梁結(jié)構(gòu)截面尺寸以提升BIP彎扭剛度。

具體優(yōu)化方案如下圖6所示，其中綠色橫梁向X方向移約100 mm，紅色梁后移100 mm，將兩個(gè)Y向路徑融合成一條路徑;將截面單一的雙口字設(shè)計(jì)調(diào)整為階梯狀口字梁，其余搭接位置梁結(jié)構(gòu)接頭梁形狀隨動(dòng)配合。

將以上輕量化方案進(jìn)行CAE仿真分析，剛度結(jié)果如下表5所示，將梁截面合并優(yōu)化設(shè)計(jì)后，方案較CASE2結(jié)果彎曲剛度提升2 213 N/mm，扭轉(zhuǎn)剛度提升1 013 Nm/deg，重量可降低4.5 Kg。整體滿足性能指標(biāo)需求。

分析結(jié)果如下表5所示，不僅降低增加件的整體重量且BIP彎扭剛度保持可觀的增幅。通過結(jié)合輕量化目標(biāo)貢獻(xiàn)度幅值，評審選定最終平臺(tái)設(shè)計(jì)可實(shí)施工程方案。

4 結(jié)論

同一平臺(tái)的車型在整車的輪距、軸距及外形變化的情況下，對應(yīng)的動(dòng)總、底盤、電器等系統(tǒng)是不變的。而且從平臺(tái)的設(shè)計(jì)理念也是要最大限度地保障這些件的通用化[3]。

本文從車身下部模塊化平臺(tái)開發(fā)分析優(yōu)化結(jié)果可知，車身平臺(tái)化開發(fā)就是要在全面掌握了車身設(shè)計(jì)性能要點(diǎn)基礎(chǔ)上，將平臺(tái)化的設(shè)計(jì)理念引入到設(shè)計(jì)工作中。關(guān)鍵結(jié)構(gòu)的貢獻(xiàn)度優(yōu)化同時(shí)，綜合考慮各方面指標(biāo)。充分運(yùn)用CAE仿真分析技術(shù)，在數(shù)據(jù)階段將各個(gè)方案的指標(biāo)貢獻(xiàn)度分析對比。[4]從仿真角度對汽車平臺(tái)化開發(fā)流程進(jìn)行分析，提出汽車基本性能平臺(tái)化開發(fā)的思路和方法，由此可大大縮短車型設(shè)計(jì)研發(fā)周期，快速響應(yīng)市場需求。

參考文獻(xiàn)：

[1]周丹鳳，李德根，涂金剛.汽車平臺(tái)架構(gòu)開發(fā)過程中安全性能的設(shè)計(jì)和仿真[J].計(jì)算機(jī)輔助工程.

[2]袁煥泉.車身平臺(tái)開發(fā)與關(guān)鍵技術(shù)研究[J].大眾汽車，2014（08）：32-36，39.

[3]楊茂華.淺談?wù)嚻脚_(tái)與平臺(tái)化開發(fā)[J].2015（20）：9-11，14.

[4]姚文軒.汽車零部件產(chǎn)品平臺(tái)化研究及案例分析[D].上海交通大學(xué)，2012：1-79.

作者簡介：劉文慧（1985-），女，安徽蕪湖人，碩士，工程師，研究方向：現(xiàn)代化汽車設(shè)計(jì)理論、方法及CAE碰撞仿真分析技術(shù)。