某概念白車(chē)身正向開(kāi)發(fā)流程

瞿元　張林波　王志超　劉向紅　王洪斌

摘要：? 為在車(chē)身概念設(shè)計(jì)早期實(shí)現(xiàn)對(duì)白車(chē)身方案的快速評(píng)估，根據(jù)白車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果和競(jìng)品車(chē)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，采用等效模型構(gòu)建不同架構(gòu)方案進(jìn)行分析比較，先篩選合適的架構(gòu)，再用SFE軟件建立精細(xì)模型并分析，從而將拓?fù)浞治?、等效模型分析和?xì)致建模與分析串聯(lián)起來(lái)，形成一整套可操作流程，指導(dǎo)車(chē)身概念設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞：? 白車(chē)身; 等效模型; 縮減模型; 概念設(shè)計(jì)

中圖分類(lèi)號(hào)：? U463.82文獻(xiàn)標(biāo)志碼：? B

Process of forward development of concept body-in-white

QU Yuan ZHANG Linbo WANG Zhichao LIU Xianghong WANG Hongbin

（Chery Automobile Co.， Ltd.， Wuhu 241000， Anhui， China）

Abstract： To quickly evaluate the body-in-white scheme in the early stage of body conceptual design， the different architecture schemes are analyed and compared using the equivalent model according to the structural topology optimization results of body-in-white and the structural characteristics of competitive models. First， the appropriate architecture is selected， and then the detailed model is established and analyzed by SFE software. The topology analysis， equivalent model analysis and detailed modeling and analysis are connected in series and formed a set of operable processes to guide the conceptual design of vehicle body.

Key words： body-in-white; equivalent model; reduced model; concept design

作者簡(jiǎn)介： 瞿元（1979—），男，江蘇阜寧人，高級(jí)工程師，碩士，研究方向?yàn)槠?chē)CAE及智能控制，（E-mail）quyuan@mychery.com0引言

車(chē)身結(jié)構(gòu)概念設(shè)計(jì)是汽車(chē)研發(fā)的重要組成部分，且正在獲得更多的關(guān)注。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法通常采用從CAD到CAE的過(guò)程，CAE介入分析的時(shí)間點(diǎn)比較靠后，因此整車(chē)開(kāi)發(fā)周期長(zhǎng)，難以滿(mǎn)足當(dāng)前的市場(chǎng)需求。各主機(jī)廠(chǎng)均將整車(chē)開(kāi)發(fā)周期壓縮到24個(gè)月以?xún)?nèi)，甚至更短。在平臺(tái)化開(kāi)發(fā)模式下，車(chē)身設(shè)計(jì)最關(guān)鍵的是白車(chē)身開(kāi)發(fā)。如何在概念設(shè)計(jì)初期快速構(gòu)建車(chē)身模型并進(jìn)行快速評(píng)估，具有重要意義。

在過(guò)去的幾十年中，許多研究人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段如何快速建立模型這一問(wèn)題進(jìn)行探討，有不少主機(jī)廠(chǎng)或者科研機(jī)構(gòu)，比如Toyota、Volvo、Ford、吉林大學(xué)等，均提出各自的解決方法[1-2]。這些方法主要是基于梁、接頭和殼單元建立等效模型[3-10]。SFE軟件是商業(yè)化的概念車(chē)身建模工具，可以在沒(méi)有詳細(xì)CAD數(shù)據(jù)的情況下建立有限元分析模型[11]，目前在國(guó)內(nèi)多個(gè)主機(jī)廠(chǎng)應(yīng)用。該方法具有較強(qiáng)的專(zhuān)業(yè)性，對(duì)人員經(jīng)驗(yàn)要求較高，并且計(jì)算模型詳細(xì)，分析效率低于簡(jiǎn)化模型[12]。從車(chē)身結(jié)構(gòu)的材料分布看，在正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中，合理的材料布局離不開(kāi)結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治黾夹g(shù)的應(yīng)用。如何組合上述方法、工具，有效提升概念階段的研發(fā)效率，是需要進(jìn)一步研究的問(wèn)題。本文以某款車(chē)型前期開(kāi)發(fā)過(guò)程為例，探討將拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)和等效模型技術(shù)運(yùn)用到車(chē)身結(jié)構(gòu)選型中，通過(guò)等效車(chē)身對(duì)不同的架構(gòu)方案進(jìn)行先期評(píng)估，以減少詳細(xì)模型分析的工作量，縮短開(kāi)發(fā)周期。

1白車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化是在特定的載荷工況、約束條件和目標(biāo)需求下，對(duì)給定設(shè)計(jì)空間內(nèi)的材料進(jìn)行優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)最佳材料分布的數(shù)學(xué)方法。

白車(chē)身拓?fù)鋬?yōu)化通常采用變密度法，將網(wǎng)格的材料密度作為設(shè)計(jì)變量，以白車(chē)身的體積分?jǐn)?shù)作為約束，以加權(quán)柔度最小作為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化。在加權(quán)柔度方面，需要充分考慮多種工況，比如白車(chē)身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度等，還需要考慮門(mén)洞等開(kāi)口處的變形量。必要時(shí)，還需要考慮碰撞安全工況準(zhǔn)靜態(tài)化。典型的白車(chē)身拓?fù)湓O(shè)計(jì)空間見(jiàn)圖1。

2白車(chē)身等效模型

白車(chē)身等效模型通過(guò)對(duì)復(fù)雜模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，可以快速評(píng)估車(chē)身的剛度和模態(tài)，特別適用于概念階段，其關(guān)鍵技術(shù)是接頭的簡(jiǎn)化。

2.1接頭模型

接頭是車(chē)身上不同結(jié)構(gòu)梁的連接部位，構(gòu)型比較復(fù)雜，可以采用解耦法和自由度縮減法建立簡(jiǎn)化模型。但結(jié)構(gòu)一旦經(jīng)過(guò)剛度轉(zhuǎn)化，在后續(xù)的優(yōu)化分析過(guò)程中將難以直接轉(zhuǎn)化成合適的結(jié)構(gòu)。為減少中間轉(zhuǎn)化環(huán)節(jié)，采用一種比較直觀(guān)、簡(jiǎn)單的處理方法。

首先，對(duì)接頭每一個(gè)支腳進(jìn)行拉伸剛度和扭轉(zhuǎn)剛度分析;然后，將接頭每個(gè)支腳用Timoshenko梁模擬，每個(gè)支腳的梁?jiǎn)卧诮宇^中心處用6個(gè)零長(zhǎng)度無(wú)質(zhì)量彈簧模擬（假設(shè)其具有共同的中心點(diǎn)），其中3個(gè)為整車(chē)坐標(biāo)系下的拉伸彈簧，另外3個(gè)為整車(chē)坐標(biāo)系下的扭轉(zhuǎn)彈簧，彈簧剛度分別采用上述支腳計(jì)算。

接頭模型見(jiàn)圖2。pc為接頭中心點(diǎn)，pg為接頭某個(gè)支腳端點(diǎn)，每個(gè)支腳具有6個(gè)剛度，用6個(gè)彈簧模擬。在支腳建模過(guò)程中，需要將孔洞閉合，焊接邊也合并處理。接頭分析結(jié)果見(jiàn)表2，可進(jìn)一步用于白車(chē)身的等效模型。

2.2車(chē)身骨架模型

除接頭外，車(chē)身骨架主要是梁結(jié)構(gòu)與覆蓋件。在簡(jiǎn)化建模過(guò)程中，只對(duì)車(chē)身主要框架結(jié)構(gòu)建模，且只對(duì)主要連接部位采用接頭單元，其他連接通過(guò)梁節(jié)點(diǎn)的重合表示，剩下的骨架結(jié)構(gòu)用Timoshenko梁?jiǎn)卧M。對(duì)B柱等變截面梁，可以進(jìn)行分段建模[13]。在連接梁段，若鈑金厚度有變化，則分別提取截面，在梁連接位置布置節(jié)點(diǎn)。典型車(chē)身主要梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化模型（半車(chē)身）見(jiàn)圖3。

后輪罩以及后側(cè)圍部分主要是外側(cè)圍鈑金與內(nèi)鈑金形成的腔體，沒(méi)有顯著的梁截面，因此該部位直接使用殼單元近似模擬，不考慮細(xì)節(jié)特征（如加強(qiáng)筋、孔等）。對(duì)于減震器座等鈑金厚度變化劇烈的部件，可以對(duì)鈑金分塊，使不同鈑金所賦的材料厚度差異化。

某款RAV4白車(chē)身詳細(xì)模型與簡(jiǎn)化模型的對(duì)比見(jiàn)表2，其中剛度用相同載荷下的變形量表示。在同等邊界條件下，簡(jiǎn)化模型誤差較小，說(shuō)明簡(jiǎn)化模型可以較好地反映詳細(xì)模型的基本特性，可以基于簡(jiǎn)化模型進(jìn)一步開(kāi)展工作。

3應(yīng)用案例

為在概念設(shè)計(jì)階段盡早開(kāi)展分析工作，相關(guān)設(shè)計(jì)分析工作需要有參考車(chē)型，該參考車(chē)型與擬開(kāi)發(fā)車(chē)型整體結(jié)構(gòu)基本一致，尺寸可以有一定差別。以該參考車(chē)型為基礎(chǔ)，按照新開(kāi)發(fā)車(chē)型的整體尺寸為目標(biāo)，在參考車(chē)型的基礎(chǔ)上，通過(guò)尺寸變形，比如使用DEP Mesh Works/Morpher對(duì)當(dāng)前數(shù)據(jù)進(jìn)行尺寸處理，并構(gòu)建車(chē)身拓?fù)淇臻g。在上述設(shè)計(jì)空間基礎(chǔ)上，綜合各種工況進(jìn)行拓?fù)浞治觯⒏鶕?jù)拓?fù)浣Y(jié)果以及競(jìng)品車(chē)型的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，以參考車(chē)型為基礎(chǔ)，建立等效模型。在等效模型基礎(chǔ)上，進(jìn)行多方案結(jié)構(gòu)分析比較，選取相對(duì)較優(yōu)的少數(shù)方案，建立細(xì)致模型并詳細(xì)評(píng)估。該分析流程示意見(jiàn)圖5。

以某車(chē)型下部車(chē)身結(jié)構(gòu)布置為例，說(shuō)明上述流程在結(jié)構(gòu)選型中前期開(kāi)發(fā)流程中的應(yīng)用。所用分析車(chē)型的基本參數(shù)見(jiàn)表3，該車(chē)型已經(jīng)上市，本文采用該車(chē)型早期設(shè)計(jì)階段的方案狀態(tài)。

3.1車(chē)身結(jié)構(gòu)拓?fù)浞治?/p>

以整個(gè)優(yōu)化設(shè)計(jì)空間的體積分?jǐn)?shù)為約束，以結(jié)構(gòu)剛度、NVH性能和耐撞性等工況的加權(quán)柔度最小為目標(biāo)，對(duì)整個(gè)白車(chē)身進(jìn)行拓?fù)浞治?。通過(guò)不同的組合方式，得到不同車(chē)身結(jié)構(gòu)布置。獲得的車(chē)身材料布置將作為等效模型結(jié)構(gòu)選型的參考。

上述不同組合的拓?fù)浣Y(jié)果見(jiàn)圖6。由圖6（a）和6（b）可以看出，前艙和后尾部的結(jié)構(gòu)比較一致，從下彎縱梁開(kāi)始，形成2個(gè)分支，分別導(dǎo)向門(mén)檻及中通道，中通道邊梁在2個(gè)組合中顯示不一樣的形式，其中圖6（b）邊梁沿中通道至后座椅橫梁，而6（a）中止于座椅橫梁部位。在圖6（c）和6（d）中，后輪罩部位為環(huán)狀封閉結(jié)構(gòu)，從整個(gè)車(chē)身來(lái)說(shuō)，該結(jié)構(gòu)能夠提升其扭轉(zhuǎn)特性。

3.2基礎(chǔ)等效模型構(gòu)建

以參考車(chē)型的白車(chē)身為基礎(chǔ)，搭建合適的基礎(chǔ)模型，然后在此基礎(chǔ)上，根據(jù)競(jìng)品車(chē)型的下部車(chē)身布置以及拓?fù)浣Y(jié)果分析對(duì)比，選取較合適的結(jié)構(gòu)進(jìn)行進(jìn)一步研究。該車(chē)型的等效模型見(jiàn)圖7，以該模型為基礎(chǔ)，進(jìn)一步研究車(chē)身結(jié)構(gòu)布置。

3.3方案研究

為能夠比較細(xì)致地研究地板上縱梁布置和后輪罩環(huán)對(duì)剛度、模態(tài)和質(zhì)量的影響，結(jié)合圖5車(chē)身拓?fù)浣Y(jié)果，分別對(duì)5個(gè)方案進(jìn)行考察，并與基礎(chǔ)模型進(jìn)行比較。這里對(duì)縱梁的考察主要為底板縱梁和中通道邊梁。

基礎(chǔ)模型的底板縱梁截止于前座椅橫梁，而中通道邊梁直接連接后座椅前橫梁位置，與圖6（b）的拓?fù)浣Y(jié)果較接近，但底板縱梁布置直接連通到門(mén)檻。在方案1中，底板縱梁直接延伸至后座椅橫梁與門(mén)檻搭接處，將前碰載荷傳遞到該部位;該底板縱梁的布置方式可在較多車(chē)型上。根據(jù)圖6（a）的拓?fù)浣Y(jié)果，在方案1基礎(chǔ)上，將中通道邊梁縮短至前座椅后橫梁位置，即為方案2;根據(jù)圖6（b）的拓?fù)浣Y(jié)果，在基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)上，將中通道邊梁延伸至后輪罩封閉環(huán)結(jié)構(gòu)梁，即為方案3;根據(jù)圖6（b）的拓?fù)浣Y(jié)果，在基礎(chǔ)模型基礎(chǔ)上，將底板縱梁從下彎縱梁處直接連接到前座椅后橫梁與門(mén)檻搭接部位，即為方案4;根據(jù)圖6（c）和6（d），在基礎(chǔ)模型的基礎(chǔ)上，于后輪罩部位建立封閉連接環(huán)結(jié)構(gòu)，研究中后輪罩環(huán)拓?fù)涞挠绊?，即為方?。車(chē)身基礎(chǔ)模型及5個(gè)方案模型見(jiàn)圖8。

為使方案具有可比性，主要考察4個(gè)指標(biāo)，即車(chē)身扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度、1階扭轉(zhuǎn)頻率和車(chē)身總質(zhì)量。在相同的工況條件下進(jìn)行計(jì)算比較，基礎(chǔ)模型以及5個(gè)方案的對(duì)比結(jié)果（以基礎(chǔ)模型結(jié)果為標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行歸一化處理）見(jiàn)表4。

方案1主要研究底板縱梁連接到后門(mén)檻的影響，該布置方式對(duì)彎曲剛度的提升非常顯著，提升幅度約1.180，扭轉(zhuǎn)剛度提升約1.069。相對(duì)于方案1，方案2縮短中通道邊梁，彎曲剛度從1.180降低至1.158，幅度不到2%，而質(zhì)量降低約1%，因此可以

認(rèn)為該邊梁對(duì)所考察的性能影響不大，且有利于減重。方案3將邊梁延伸到后輪罩橫梁，對(duì)主要性能影響非常小。方案4主要是將與前座椅橫梁連接的縱梁改成直接與門(mén)檻連接，因此扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度約提升2%，車(chē)身總質(zhì)量略降低。結(jié)合方案1和方案2的結(jié)果可以看出，底板縱梁直接與門(mén)檻連接對(duì)車(chē)身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度以及1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)有益。方案5在后輪罩位置形成閉合環(huán)，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度提升非常顯著，約20%，對(duì)彎曲剛度以及1階扭轉(zhuǎn)頻率的影響相對(duì)較小，只有3%和1%。

單位質(zhì)量變化下，扭轉(zhuǎn)剛度與彎曲剛度變化情況見(jiàn)表5。方案1與方案2效能相差不大，方案3雖然扭轉(zhuǎn)效能略高，但處于同一數(shù)量級(jí)，而彎曲剛度的效能則相差1個(gè)數(shù)量級(jí)。方案4總質(zhì)量降低，效能顯示為負(fù)值，但實(shí)際是在降低質(zhì)量的前提下，還能提升彎曲與扭轉(zhuǎn)性能，效果較前3個(gè)方案更為顯著。方案5中扭轉(zhuǎn)剛度效能表現(xiàn)最突出。由表5綜合評(píng)定，增加后輪罩位置封閉環(huán)（即方案5）對(duì)整個(gè)車(chē)身的扭轉(zhuǎn)性能提升效能最好，對(duì)彎曲性能提升效能與其他方案相當(dāng)，其次為方案4，再次為方案1和方案2，方案3的效能最差。

3.4細(xì)化模型分析

根據(jù)不同結(jié)構(gòu)方案對(duì)比，選取合適的架構(gòu)，使用SFE軟件建立詳細(xì)模型，進(jìn)行分析比較，評(píng)估其與項(xiàng)目目標(biāo)之間的關(guān)系。某個(gè)細(xì)化模型與方案1的性能比較結(jié)果見(jiàn)表6。由此可以看出，除彎曲剛度有比較大差別外，扭轉(zhuǎn)剛度、1階扭轉(zhuǎn)頻率和車(chē)身總質(zhì)量3個(gè)指標(biāo)相差都較小。

上述彎曲剛度指標(biāo)相差大的主要原因，可能是加載點(diǎn)和約束點(diǎn)受接頭和復(fù)雜零件厚度變化的影響。盡管部分指標(biāo)偏差大，但概念設(shè)計(jì)階段本身即為方向性分析，總體上可以反映出白車(chē)身的基本特性即可。

3.5效率分析

基礎(chǔ)模型為有限元模型，且在沒(méi)有CAD數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)SFE建模大約需要45.0人·天，單個(gè)方案大約需要0.5人·天，5個(gè)方案共計(jì)需要47.5人·天;而采用等效模型方法，5個(gè)方案共計(jì)需要6.5人·天。如果分別存在基礎(chǔ)模型，即有SFE基礎(chǔ)模型和基礎(chǔ)等效模型，那么進(jìn)一步建模大概分別需要20.0人·天和2.0人·天。從上述比較來(lái)說(shuō)，等效模型可以快速比較方案，有利于大規(guī)?；A(chǔ)方案的選擇，但模型簡(jiǎn)化較多，不適合碰撞安全風(fēng)險(xiǎn)排查。如果將上述方法組合起來(lái)，可以大幅降低開(kāi)發(fā)周期。

4結(jié)束語(yǔ)

從實(shí)際需要出發(fā)，提出一種用于概念階段車(chē)身選型工作的分析方法流程。通過(guò)等效模型，根據(jù)拓?fù)浞治黾案?jìng)品車(chē)型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，對(duì)不同的梁布置方案進(jìn)行分析，選取相對(duì)合適的結(jié)構(gòu)，然后建立更為細(xì)致的SFE模型進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效縮短白車(chē)身前期階段的開(kāi)發(fā)周期。參考文獻(xiàn)：

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