（光学工程专业论文）基于动力改造的轿车车身结构改制方法研究.pdf

摘要 摘要 随着节约能源和改善环境呼声的日益高涨，汽车界正在不断研发采用新能源 和新动力形式的节能环保车。本文以国家8 6 3 重大专项为依托，进行了动力改 造车车身改制方法研究。 首先在以往燃料电池车研制基础上进行了其下车身拓扑优化计算，得到了满 足刚强度条件下燃料电池下车身结构的厚度分布，为今后动力改造车的开发提 供了参考。 针对下车身改制的“p s 3 0 0 0 ”燃料电池车，计算了其模态和静态刚强度特性， 并将动静态特性同传统车进行比较。在进行结构厚度优化前计算了主要板件厚 度对模态、刚度和强度的灵敏度，为结构优化时设计变量的选取提供有价值的 信息，提高了优化效率。主要部件板厚优化的结果使总质量略有增大的同时， 各个工况的刚强度得到进一步满足。 建立了动力改造车有限元碰撞模型，进行了改制车正面碰撞安全性计算，分 析了各项安全指标的满足情况。 初步探讨了动力改造车应用镁合金车身的可行性。 最后，总结了全文，并对今后研究方向进行了展望。 关键词：拓扑优化，动静态特性，结构灵敏度，板厚优化，碰撞安全性，镁合 金车身 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t l lt h ei n c r e a s i n g l yh i g hv o i c eo fs a v i n gr e s o u r c e sa n di m p r o v i n ge n v i r o n m e n t ， e n e r g ye c o n o m i c a la n de n v i r o n m e n tf i - i e n d l yv e c h i l e sw i t hn e we n e r g yr e s o u r c e sa n d n e wt y p e so fp o w e r t r a i na reb e i n gd e v e l o p e di nt h ef i e l do fa u t o m o t i v e 1 1 1 i sp a p e ri s b a s e do nt h en a t i o n s8 6 3s p e c i a lp r o g r a ma n dt h em e t h o do ft h ec a r b o d y s r e c o n s t r u c tf o rt l l ev e c h i l ew i t hc h a n g e dp o w e r t r a i ni sr e s e a r c h e d f i r s t l y , o nt h eb a s i co ft h ep r e v i o u s l yr e s e a r c ho ft h ef u e l c e l lv e c h i l e s ，t h e t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o no ft h el o w e rc a r b o d yi se x e c u t e d t h es t r u c t u r a lt h i c k n e s s d i s t r i b u t i o no ft h el o w e rc a r b o d yo ft h ef u e lc e l lc a ri so b t a i n e d w h i c ha l s om e e t st h e p e r f o r m a n c eo fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t h a n dt h er e s u l tc a r lb e 也er e f e r e n c ef o rt h e d e v e l o p m e n to ft h en e x ts e r i e so fp o w e r t r a i nc h a n g e dv e h i c l e s t h em o d ea n ds t a t i cp e r f o r m a n c eo fs t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha lea n a l y s e df o rt h e “p s 3 0 0 0 ”f u e lc e l lc a r , w h i c h1 0 w e rc a r b o d yi sr e c o n s t r u c t e d t h e s ep e r f o r m a n c e sa l e c o m p a r e dw i t ht h e s eo ft h et r a d i t i o n a lc a r s t h es e n s i t i v i t i e so ft h ep a n e lt h i c k n e s s e s w i t hr e s p e c tt ot h em o d e ，s t i f f n e s sa n ds t r e n g t ha r ec a c u l a t e db e f o r es t r u c t u r a l o p t i m i z a t i o n ，w h i c hp r o v i d ev a l u a b l ei n f o r m a t i o nf o r t h es e l e c t i o no fd e s i g nv a r i a b l e s d u r i n gs t r u c t u r a lo p t i m i z a t i o na n di m p r o v e dt h ee m c i e n c yo ft h eo p t i m i z a t i o n a f t e r t h eo p t i m i z a t i o nf o rt h ep a n e lt h i c k n e s s e so ft h em a i np a r t s t h et o t a lm a s so ft h e c a r b o d yi ss l i g h t e di n c r e a s e d i nt h em e a n w h i l e 。t h es t i f f n e s sa n ds t r e n g t ho ft h e c a r b o d yi nv a r i o u sc a s e sa r ei m p r o v e da n ds a t i s f yt h es t a n d a r d t h ef em o d e lf o rc r a s hi sb u i l tu p a n dt h ef r o n t a lc r a s ho ft h er e c o n s t r u c t e d c a r b o d yi ss i m u l a t e d d i f f e r e n tp i e c e so fs a f e t yi n d e x e sa r ec h e c k e dt os e ew h e t h e r m e va r ef u l f i l l e di na c c o r d a n c ew i t ht h er e g u l a t i o n s w h e t h e ri t i sf e a s i b l et oa p p l ym a g n e s i u ma l l o yo nt h ep o w e r t r a i nc h a n g e d v e h i c l ei sp r i m a r i l yd i s c u s s e d f i n a l l y , t h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h ep r o b l e m sr e q u i r i n gf u r t h e rs t u d i e sa r e d i s c u s s e d k e yw o r d s ：t o p o l o g i c a lo p t i m i z a t i o n m ，d y n a m i ca n ds t a t i cc h a r a c t e r i s t i c s ，s t r u c t u r a l s e n s i t i v i t y , o p t i m i z a t i o nf o rp a n e lt h i c k n e s s e s ，c r a s h w o r t h i n e s s ， c a r b o d yi nm a g n e s i u ma l l o y 学位论文版权使用授权书 本人完全了解同济大学关于收集、保存、使用学位论文的规定， 同意如下各项内容：按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版 本；学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并采用影印、缩印、 扫描、数字化或其它手段保存论文；学校有权提供目录检索以及提供 本学位论文全文或者部分的阅览服务；学校有权按有关规定向国家有 关部门或者机构送交论文的复印件和电子版；在不以赢利为目的的前 提下，学校可以适当复制论文的部分或全部内容用于学术活动。 学位论文作者签名： 年月酲 经指导教师同意，本学位论文属于保密，在年解密后适用 本授权书。 指导教师签名：学位论文作者签名： 年月日年 胃目 同济大学学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师指导下，进行 研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本学位论文 的研究成果不包含任何他人创作的、已公开发表或者没有公开发表的 作品的内容。对本论文所涉及的研究工作做出贡献的其他个人和集 体，均已在文中以明确方式标明。本学位论文原创性声明的法律责任 由本人承担。 签名： 年月日 第1 章绪论 1 1 课题的背景及意义 第1 章绪论 节能、环保和安全成为世界汽车发展的主题。汽车大量使用导致的能源和 环境问题使得汽车能源动力转型成为全球共识，未来汽车必然走向能源多样化 和动力电气化。其中，燃料电池汽车被认为是未来汽车的主导车型，也是向氢 能经济过渡的首选载体。世界汽车界普遍认为燃料电池汽车实现大规模商业化 大约在2 0 1 5 2 0 2 0 年，而2 0 2 0 年中国汽车保有量将高达1 3 亿辆左右，成为世界 最大的汽车市场。因此，在2 0 2 0 年左右实现商业化的燃料电池汽车在中国的市 场前景极为广阔。中国政府充分认识到发展新能源汽车，尤其是燃料电池汽车 对于中国汽车产业跨越式发展、对保障能源安全和维护环境友好的重要性，并 采取积极举措。继国家科技部“十五”8 6 3 计划电动汽车重大专项之后，在国家中 长期科学与技术发展规划中确立“新一代节能环保汽车”重大专项，燃料电池汽车 的技术研发和产业化是重点支持之一。同时，在国家发改委中国2 1 世纪初可 持续发展行动纲要中，明确要大力发展清洁燃料公共汽车和电动公共汽车。 因此，未来的中国不仅将具有最大的汽车市场，也将具有包括燃料电池汽车在 内的新能源汽车商业化的最佳环境。 新能源和新型驱动方式的应用必将导致传统车身结构的变动。为了节约成 本和充分利用原有的轿车生产线，可以对动力改造轿车的车身在传统车身结构 基础上进行一定的改制，使其符合新动力总成的布置方案。有效的改制结构， 最终使其达到足够的强度以保证其疲劳寿命，足够的静刚度来保证其装配和使 用要求，是非常重要的环节，应用有限元方法进行轿车车身结构分析能有效地 满足轿车车身结构设计的要求n 】。 本课题依托同济大学承担的国家“8 6 3 ”电动汽车重大专项以及混合动力轿车 项目，以燃料电池轿车“超越p s 3 0 0 0 ”为对象，探索了在传统车身基础上，应 用仿真分析法，进行结构改制的流程和方法。 第1 章绪论 1 2 国内外研究现状和发展动态 在混合动力车领域，日本丰田汽车公司是世界上最早实现混合动力汽车产 业化的企业，在混合动力汽车的技术研发和规模化生产方面积累了大量经验。 1 9 9 7 年丰匿公司开始销售世晃上第一款混合动力汽车p r i u s ，到目前这种汽车跫 经如售了1 1 8 万辆。在美国市场上，本困公司分别于1 9 9 9 年和2 0 0 2 年推出了 混合动力车i n s i g h t 和c i v i c 。美国三大汽车厂商都分别制造出了h e v 原型车， 展示出这项技术的适用性。在燃料电池领域，各大国际汽车业巨头也纷纷投入 研制，推出了不少示范运行车。 我国的环保清洁汽车的研制起步比西方国家晚，但发展速度快。2 0 0 1 年， 在科技部启动电动汽车重大专项后，我国的氢燃料电池轿车、混合动力电动汽 车和纯电动汽车开始有了长足进展，并逐步缩短与全球未来汽车研发的水平。 一汽集圜、东风电动车股份公司、= l 艺京理工大学、清华大学等推出了多款混合 动力大巴；上海同济大学研发的“超越2 号”燃料电池汽车也于今年实现了小批量 生产。 新能源在汽车上的应用，必然造成动力总成的改变，从而影晌到下车身的 结构和总成布置。对于电动轿车车身结构而言，主要存在以下几种形式晗儿3 儿劓。 一种是专门为电动轿车设计的基础全承载完整骨架式车身。大宇d e v 3 电动车 即是采用这种结构，如图1 1 所示，在设计其空间结构时采用了结构分析技术。 车身骨架由等断面铝合金梁焊接面成。地板下面有一个大电平盒，电平盒四周 有盒状粱，上下有封闭板，构成了一个刚度较大的夹层结构，也均为铝材料焊 接而成。空间骨架重1 3 0 k g 。扭转刚度7 9 4 0 n m d e g ，第阶扭转频率2 5 h z ，最 大应力1 4 0 m p a 。该车采用了泡沫芯方梁。在优化泡沫填充区域与密度蜃，可获 褥合理的重量、费用、强度与刚度，而泡沫填充可降低粱的截面与壁厚尺寸， 对满足f m v s s 2 0 1 顶盖静压安全法规要求十分有效，并显著提高车身的n v h 性 能强1 。另外黑豹微型电动轿车也是这种结构，如图1 2 所示。该车采用全承载骨 架式车身，无车架。车身骨架下部主要囱方型异型钢管焊接，并在其翦围、后 垦、悬架支承部位翱电瓶盒处焊接有带加强筋的钢板。车身骨架上部由圆形异 型钢管焊接而成。地板下面也构成了一个封闭的电瓶盒结构，对整车刚度的贡 献达8 0 以上。从分析可知，这种车身结构对电动轿车是比较适宜的，有利于 支撵较重的电池和实现车身结构轻量化。这种车身骨架结构适于采用镁和超轻 2 第1 章绪论 刚压铸生产，每个结构件可压铸不同的断面，而且这种车身结构适于覆以塑料 等轻量蒙皮，而且使整车各总成的安装和维修方便。但是这种结构需要进行全 新的外造型设计和车身结构设计，由于生产工艺的限制，在短期内还难以实现 大规模生产。 闰11 丈宇d e v 3 电动车骨架式结构图12 黑豹电动轿车车身结构圈 电动轿车另外一种车身结构形式是平台式结构，其特点是车辆的底盘布置 在平台车架上，上车身和平台车架通过连接件进行可拆卸的连接，上车身可根 据需要进行更换。整车的刚度、强度等性能要求全部由车架来满足。这样车身 和底盘都可以单独组织生产，易于在现有产品生产基础上改造，可配置不同造 型的车身，而且易于更换。如通用a l r i _ 0 n o m y 氢燃料电池轿车，即是采用滑 板式底盘，包括扁平底架。车身通过机械锁系于滑扳底架，底架高度决定于其 支承的燃料电池堆和氢瓶的高度，底架上还支承有空气管理系统、线传控制系 统，底架前后分别包括碰撞吸能区，底架侧面装有燃料电池、轮边电机等电子 系统散热器。如图1 3 所示。上车身的刚度虽然对底架没有贡献，但它要有足够 的刚度和强度支承其上的车身部件。这种结构底盘和车身都可以单独组织生产 易于在现有产品生产基础上改造。可配置不同造型的车身，而且易于更换。这 种结构将是电动轿车发展的个方向。 第1 章绪论 图13a u t o n o m y 氢燃料电池轿车 电动轿车研发的另一重要途径是在传统全承载车身上进行改造，以满足新 的要求。例如：1 9 9 9 年企业重组后的戴姆勒一克莱斯勒公司推出的第一辆真正 零排放的燃料电池轿车n e c a r i v ( 图14 ) 是在奔驰a 级轿车基础上改装而成 的。n e c a r i v 最高时速1 4 5 公里，续驰里程可达4 5 0 公里。2 0 0 0 年1 1 月戴姆 勒一克莱斯勒公司推出了n e c a r v ( 圈1 4 ) 。n e c a r v 也是采用车载甲醇重整 制氢技术，与n e c a r i l l 相比，其功率达到8 0 千瓦，提高了5 0 ，电机功率5 5 千瓦，提高6 0 。n e c a r v 具有较好的动态性能，其加速度比普通内燃机轿车 先进最高时速可以达到1 5 0 公里，小时；大众汽车公司的b o r e 8 y m o t i o n 氢气 燃料电池轿车是以j e t t a 汽车为基础改装而成的，该公司的甲辞燃料轿车是以 g o l f 汽车为基础开发的；2 0 0 1 年上海工业博览会展出“凤凰”混合动力燃料电 池汽车也是由上海泛亚汽车技术中心有限公司开发，在别克g l 8 的基础上改装 的。这种研发方式有利于缩短产品开发周期，减少新产品生产投 ，因此应用 也比较广泛。 图i4n e c a r 4 和n e c a r 5 同济大学承接的国家8 6 3 电动汽车重大专项，即超越系列，都是在现生产 第1 章绪论 传统轿车桑塔纳3 0 0 0 白车身的基础上改制而成的，其中超越1 号和2 号在车身 底韶增加车架结构用来放置蓄电池、燃料电池及其附属设备等，本课题研究的 超越p s 3 0 0 0 列是直接改动了桑塔纳3 0 0 0 的承载式下车身，不再增加独立的车 架，从车身形式看，属于全承载式车身；这种改造可以沿用现生产车型的车身， 适于燃料电池车的小批量试生产，可以减少生产投入”。 除了新能源在汽车上的应用外，新材料的应用和车身的轻量化也是当前汽 车研究的主要方向之一。轻质车身结构研究的总体目标是提高动力性，具体就 是追求轻质、高刚度、高可靠性和耐撞性。选用汽车制遣材奉 既要考虑到有利 于汽车实现轻量化，又要有利于生斋环境。a u d ia 8 白车身主要采用铝材料， 重量降低了约4 0 ，同时可实现高刚度和高可靠性。采用激光焊接技术降低部 件数，其零件数从2 2 3 个降低到1 7 3 个。比如，水槽总成采用铝材料，其零件 数从7 个降低到4 个，重量从5 , 5 5 4 k g 降到3 7 4 2 k g ，见圈1 , 6 1 7 。图17 是 m c r c c d e s - b e n zc l 车身材料分布图，其非承载覆盖件丈量应用铝台金材料，后 行李舱盖和前翼予扳用了复合塑料，而门内板则用了镁板，堪称车身新材料应 用的典范。 图15a u d ia 8 白车身 第1 章绪论 图16m e r c e d e sb e n zc l 车身材料分布 1 3 本文研究思路和内窖 在汽车结构设计过程中，设计与分析并行。优化的思想在设计的各个阶段 被引入，这种设计思路被世界各大整车厂的研发中心和各个汽车设计公司采用， 图1 8 是a l t a i r 公司进行客车车身结构设计时的开发流程“1 。 第1 章绪论 图1 7a l t a i r 公司客车车身结构设计流程 本课题针对当前在传统轿车平台上实施的动力改造( 主要包括燃料电池 车) ，进行车身结构改制方法的研究。车身结构改制关键是对传统车车身的重新 设计和改造，使各个动力总成系统及驱动系统合理布置。在充分利用原结构基 础上，为新的各动力总成设计辅助车架，并对车身进行结构加强。充分利用计 算机软硬件技术和结构工程师的分析经验，建立车身结构的有限元数据信息， 通过模态分析、静态强度和刚度的分析有效地在汽车设计阶段预估结构特性， 并同传统车进行对比分析。进一步分析模态，刚强度对各个结构件厚度的灵敏 度，选出有效的设计变量进行结构厚度优化设计，满足结构刚度，强度性能的 同时使车身质量最轻。并对改制车身进行正面碰撞安全性分析。最后初步探讨 了白车身采用新材料镁合金的可行性，考察在满足刚强度情况下，各个结构件 厚度分布，提出了一个新的车身研究方向。 本课题主要研究内容： 燃料电池轿车下车身拓扑优化分析 改制车整车有限元模型的建立 模态、刚度、强度分析 模态、刚度、强度对结构件板厚的灵敏度分析 板厚优化分析 正面碰撞安全性分析 镁合金作为白车身材料的可行性研究 7 第2 章动力改造轿车下车囊拓扑优化分析 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 本章是在同济大学汽车学院前几轮燃料电池车研究试制基础上展开的，燃 料电池动力改装车超越l 号和超越2 号都是采焉传统轿车车身焊接整体式车架 的形式。除了各动力总成部件的选型和布置，2 号车周l 号的很大的区别在于车 架结构形式更为经济合理，不仅质量减小了，工艺上也大为简化。但两者都是 基于功能要求进行的结构设计，并未在设计阶段严格的验证其刚强度，很有可 链在实际试制和试运行除段产生不可预料的闷题。所以较好的设计流程应是在 概念设计阶段就利用虚拟开发合理的设计结构，a l t a i r 公司的软件h y p e r m e s h 就 可以实现结构概念设计初始阶段对材料分布进行预估，以便进一步确定结构形 状和尺寸，主要手段是通过软件中的拓扑优化模块。本文进彳亍的拓扑优化对象 就是超越2 号下车身，以整个下车身地板为设计初始空闻，得到不同工况下的 材料分布需要。为新一轮动力改装车的设计提供指导。 2 1 拓扑优化技术发展现状瞄 拓扑优化技术是一项新兴的设计方法，它可以在方案设计阶段给出零部件 甚至车身原型合理的材料布局，减轻结构重量。通过这项技术，企业能缩短设 计周期，提高产品性能，减少昂贵的样件生产和整车测试的次数。 拓扑优化技术囱从2 0 世纪8 0 年代末提出以来，在航空航天、机械、船舶、 微电子和新型材料设计等领域得到了广泛的应用。国外汽车企业的相关研究从 9 0 年代初开始，哥前应用广泛、国内应用很少，处于起步阶段，如红旗小轿车 发动枫罩内板的拓扑优化。 汽车工业的拓扑优化问题所覆盖的车辆类型有轿车、公共汽车、卡车等； 优化对象包括车身本体构件( 如前柱、发动机罩) 、自车身总体，底盘和发动机上 的连杆和支撑部件，数及轴承结构等；优化对象的制造方法现包括钣金加工、 铸造和锻造；制造约束包括最小和最大结构尺寸、拨模或锻压的焦度和方向、 各类对称性条件等；优化目标和约束包括重量、柔顺度、能量吸收、自然频率、 应力和最大位移等；所涉及学科包括静力学、多体运动学、塑性力学、振动、 噪声、疲劳、优化算法和高性能科学计算等。 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 发达国家的政府组织和大公司，包括欧洲委员会、瑞典政府、德国政府、 通用汽车公司等，都大力支持大学等科研机构开展相关研究。 拓扑优化技术在诸如福特、奥迪、宝马、沃尔沃、丰田、尼桑和平尼法尼 那等公司的实际车型上得以使用。例如奥迪a 8 车型在车身和发动机上多处使用 了拓扑优化技术。 现在通用的拓扑优化软件有t o s c a ( 德国) 、o p f i s h a p e ( i t 本) 、o p t i s r t u e t ( 美 国) 、g e n e s i s ( 美国) 等。它们在汽车产业界都有应用实例。而包括宝马在内的许 多公司同时使用多种拓扑优化软件。另外，福特公司还开发了内部专用的拓扑 优化软件。 2 2 拓扑优化方法简介和步骤 拓扑优化是在一定空间区域( 骨架结构或连续体) 内寻求材料最合理分布的 一种优化方法【l 们，它是一个迭代的过程。从预先定义的某种材料分布开始( 如均 匀分布) ，每一次迭代包含有限元分析、灵敏度计算和修改材料分布3 个子步骤。 在多次迭代后( 通常2 0 次以下) ，材料分布趋于稳定，优化即结束。对于连续空 间问题，使用现有商业软件通常能得到材料0 - 1 分布或接近0 - 1 分布的设计 结果。 骨架结构的拓扑优化的结果可直接用于设计，而连续体问题往往需要进一 步的处理，需要软件和设计者的共同努力。 拓扑优化由以下5 个步骤组成：准备工作、拓扑优化、结果后置处理、非 参数化形状优化和c a d 建模。也可能由于需要修改参数等原因，而对某一步或 整个过程进行反复迭代。 2 2 1 准备工作 在进行优化以前，必须明确以下几个因素。 1 ) 设计区域：设计区域是优化对象可以占据的整个空间区域。一般通过考虑 装配等实际因素，选取最大可能的区域，以充分挖掘优化潜力。设计区域一般 采用几何上简单的形体，以简化有限元模型的建立；也可能为了尽快达到最优 而采用已知接近最优的现有设计。优化对象上必须保留需要的孔洞。不能改变 9 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 的实体部分( 如连接部位等) 应预先标出，使之不参与优化。 2 ) 目标和约束：目标函数可以是柔顺度、最大位移、自然频率或能量吸收， 或以上几者的组合。材料用量( 以实际所用材料的体积或重量来衡量) 是必要的约 束条件。但合适的材料用量往往在优化结果出来以前不能精确的预知，因此可 能需要指定几个不同的材料用量分别进行优化，再在结果中选取最优。 3 ) 分析类型和模型。针对不同的霉标函数，有限元分析的类型可以是静力学、 模态分析、动力学分析。同一个拓扑优化问题可以进行几种不同类型的有限元 分析，每种类型可以包含几种不同的载荷和固定( 或运动) 条件。如前所述，优化 和有限元往往使用网一个模型。模型单元数目的多少决定了优化结果的真实程 度，也决定了计算效率。实践证明，拓扑优化约9 7 的时闻消耗在有限元分橱 过程中【1 0 】，因此在估计计算时间时应主要考虑有限元分析。商阶单元比一阶单 元精度高，优化结果往往较好，但有限元分析所需计算量和其他资源( 内存或硬 盘用量) 要大得多。此外，应在优化迭代前试算一次，确保能得到稳定、准确的 有限元解。 2 2 2 拓扑优化 用户可以监视优化过程。例如，在每一步迭代之后都可以查看目标、自变 量的当前值。现在的商业软件通常在2 0 步迭代之内能得出接近o 1 分布的解 2 2 3 结果的后处理 骨架结构的拓扑优化结果能直接利用，故可跳过此步。 1 ) 提取：连续体的拓扑优化结果以o 1 分布表示，不能马上制造使用，在 3 维情况下甚至很难判断其具体形状。故必须将其转化为易于理解的表达方式， 如表面三角形网格，或者转化为离散结构，如骨架结构或板一杆、板一梁结构 等。如需要表面网格，可以将拓扑优化的原始结果视为材料密度这一连续标量 函数在空间离散点的取值，借助于可视化技术，建立起密度函数的等值面，最 终以表面三角形嬲格的形式来表示。逶过调整等值面的值，可以使得表面嬲格 覆盖的体积与优化过程中指定的体积约束相一致。 2 ) 光顺：由于拓扑优化是在有限元网格上进行的，所以结果不可避免的带有 有限元两格的局限性，如直线成为锯齿形状的折线。随着有限元掰格的加密， 1 0 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分折 锯齿形状可以减弱，但无法完全消除，所班必须使用如相邻节点平均的其他办 法。 3 ) 简化：从拓并优化结果提取的用格往往含有大量单元，超过了一般c a d 软件所能承受的限翻，为建立c a d 模型制造了障碍。考虑到提取的两格中包含 了不少冗余信息。可以将其进行简化，如可以缩并同一平面上的单元。但简化 过度也可能丢失一些细节。 2 3 动力改造轿车下车身拓扑优化 车文的拓扑优化设计工作是基于有限元前处理软件h y p c r m e s h ，结构分析软 件姐s ”厦完善的拓扑优化模块o p t i s t m c t 上进行的。把拓扑优化设计理论引入 超越2 号 “1 承载式车架设计，在实际工程中实现了多工况、多状态变量条件下 的拓扑优化设计方法。并与初始设计结构进行了比较分析，确定了承载式车架 的晟佳结构方案。 2 31 分析模型建立 根据拓扑优化设计理论，模型基本结构是优化前的初始结构，这种结构应 既满足载荷及约柬的特点，又便于优化计算，因此针对车架的基本结构可| 三l 取 为一空间曲面分布板单元。针对该车初始设计框架，我们根据原始车架有服元 模型在坶p e m 【e 幽中建立了基于t o p 0 优化设计的车身有限元模型，如图2l 所示， 车架拓扑优化基本结构如圈2 2 所示。 朗2 1 车身有限元模型 图22 车架t o 优化基本结构 由留中可以看出，作为t 叩。优化的基本车架结构覆盖了整个车架设计空问 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 分布。 2 32 分析前处理 在前处理过程中，我们保留了非车架部件上的载荷，同时将车架承受的所 有载荷及约束映射到基本结构的相应节点处。考虑到转化时产生的误差，保留 了一部分原始车架单元。通过初始车架截面的几何参数，确定了t o p o 优化基本 结构板单元应采用的初始厚度值。 在分析过程中，为得到最佳的基本结构优化布局，考虑到车架对称性和实 际可能发生的危险工况，采用五种工况作为优化过程的子工况，包括一种弯曲 工况和四种弯扭组合工，四种弯扭组合工况指分别放开四个塔形支撑处的约束。 233 结构拓扑优化及求解 机械优化设计的基本要素包括设计变量、状态变量和目标函数，拓扑优化 也不例外，针对该改装车架，选取板单元厚度作为设计变量。与传统优化设计 不同，t o p o 优化设计变量是一个不断减小进而重组的过程默认设计变量范围 为0 扔始设计值虽然可以根据设计要求改变设计变量最小值，但是设计变量 最大值必须为初始设计值”。 经过初始车架结构分析，车架单元的应力满足强度要求，如图2 3 、2 4 所 示。弯曲工况最大应力为7 2 i v i p a ，扭转工况撮太应力为9 8 m p a ，远小于材料许 用应力。 目2 3 轫始设计车架弯曲等效应力分布圈图2 , 4 初始设计车架扭转等效应力分布图 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 考虑到计算时间和软件的计算能力，根据初始结构建立的优化模型可以不 把应力作为状态变量。采用节点位移状态变量方法，选取通常情况下具有代表 意义的塔形支撑处节点，考虑到优化过程中可能出现的单元厚度变化导致的局 部位移增大，同时把基本结构各节点的竖直方向位移作为状态变量，总计4 0 4 0 0 个；要得到最佳布局，必须把最终设计材料所占拓扑空间的最大分数和最小分 数作为状态变量，定义体积分数作为状态变量。整个车架的体积作为拓扑优化 的目标函数。各变量如表2 1 所示。 需要强调的是，在拓扑优化分析中要注意的问题有： 在优化设计中虽然随着迭代步数的增加，优化结果会趋向于最佳取值，但 它同样影响软件的计算速度，因此要选择合理的迭代步数。 为避免优化结果出现一个单元高低厚度交错分布的现象，需要在设计参数 中定义最小成员控制尺寸。 在优化过程中，厚度减小的单元并不是象理想中的一样变为0 ，虽然尽可能 小的单元厚度可以得到更精确的结果，但单元厚度过小会导致计算过程中出现 病态矩阵，因此设置合理的最小相对密度参数是十分重要的。 每步迭代的相对精度也影响着整个计算过程的速度。并且如果在优化过程 中达到相对精度的下线，即使未达到最终迭代步数，优化过程也将自动中止。 优化过程中的组件参数影响到单元在优化过程中的离散程度，数值越大， 单元相对厚度在0 - 1 之间的数目就越少，板单元基本范围为0 2 。 优化过程中定义的初始材料分数也对优化结果有直接的关系，它控制第一 步迭代的初始体积。 表2 1 优化设计参数表 模型节点个数2 4 8 0 7 模型单元个数2 6 5 2 1 模型自由度1 4 8 8 4 2 四边形单元个数2 4 3 0 7 = 角形苴元4 - 麴 2 2 1 4 子工况个数5 优化设计单元6 3 2 0 设计密度范围 o l 1 3 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 优化方法节点密度法 迭代步数8 0 蛀小成员控制尺寸 相对密度参数 初始材料分数09 组件参数 迭代相对精度 设计变量基本结构单元密度 状态变量塔形支捧位移 6 。0 基本结构单元位移 3 9 8 0 0 基本结构体积极值 目标函数基本结构体积 2 34 结果分析 最终优化结果如图2 5 所示，优化后车架质量为初始基本结构的1 0 图25 材料最优化分布 图26 初始车架模型 根据优化结果材科分布图可以看出，最优的车架结构为综合式承载车架， 车架前部和后部均近似边梁式结构，而中间为脊梁式结构，这种结构抗扭刚度 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 大，而且可以降低地板的高度，但这样蔫在中央通道处集中材料分布。而由于 初始设计车架( 车架模型如图2 6 所示) 采用了整体边粱式承载车架，并且由于 有中央通道的存在，车身中部载荀可以由分布到两边的纵粱以及中央通道承受， 同时考虑到车架改动的复杂性，可以保留原来的中部边梁式车架。 无论哪一种轿车车架结构形式，在前、后桥处均要求有较太的扭转刚度。 优化结果也表明，在前后桥处均需要有不同形式的横梁和斜粱承载。而原始设 计，在前后桥部分均只有纵粱承载，所以，要在原车架基础上做一定的横粱和 斜梁加固。 图z 7 显示的是相对密度大于2 5 的材料空间分布，后桥局部依旧存在材 料分布，说明在后桥前端加承载斜粱，后端加横粱以提高扭转剐度是十分必要 的。 通过提取相对密度大于1 0 的材料分布结果，即圈2 5 所示，可以看出前 桥部位需要加以横粱和两根斜粱以满足刚度要求。结合优化结果和初始设计模 型，优化结果表明前地板和中地板交接处的粱结构应为网状结构分布，而初始 设计的车架此处是两根相邻的横粱结构：前地板两侧边框处在t o p o 优化结果中 为密度较小的不连续折线粱形式，由于中部有座椅载荷和燃料电池的存在，为 保证中部有足够的弯曲剧度，保窘中间横梁是必要的。针对t o 优化结果中出 现的车架尾部斜粱结构，表明单一横粱结构不足以满足整车扭转位移要求为 保证车架尾部有足够的扭转剐度和强度，建议在此位置添加斜粱。 根据优化结果计算得车身各种工况的位移分布如图z 7 21 1 所示。 图27 弯曲工况车身变形国 图28 扫转1 工况车身变形圈 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 二；二， 琵 图29 扭转2 工况车身变形图图21 0 扭转3 工况车身变形图 一 圈2i i 扭转4 工况车身变形图 各工况车架最大应力与位移见表2 2 。 表22 各工况最大位移与应力列表 工况 车架最大纵向位移m m车架最大应力m 呻 弯曲工况 - 77 8 左前轮悬空 4 8 9 右前轮悬空 4 2 i 左后轮悬空 3 83 右后轮悬空 235 结论 ( 1 ) 拓扑优化在现代车身结构的概念化设计阶段是十分重要的，其在车架设 计中的应用也较为成熟，可以高效的得到初步结构空间布置方案。 第2 章动力改造轿车下车身拓扑优化分析 ( 2 ) 此次设计相比较过去简单的拓扑优化有以下特点：它包括了多个工况， 多种载荷步，优化结构复杂，状态变量多。这些都是以先进的有限元分析软件 为基础的。优化结果即同时满足多工况下刚度的要求，又最大程度的节约了材 料。 ( 3 ) 此次t o p o 优化分析是在超越2 号模型基础上实行的，目的是为其平台式 车架的概念设计提供参考，优化结果并未应用到实际车架设计中。对于未采用 独立车架的超越p s 3 0 0 0 而言，由于它们的载荷分布，工况等都近似，所以该t o p o 优化结果同时也可以对超越p s 3 0 0 0 下车身概念设计阶段和样车试制过程提供参 考。 1 7 第3 章动力改造轿车有限元计算分析 第3 章动力改造轿车有限元计算分析 本章主要计算了超越p s 3 0 0 0 有限元模型的模态和静态特性，对静态特性的 计算同时考虑了不同工况和不同的安全系数。对车身的刚度和强度进行了评价 并同其他车型进行对比。进一步考察了车身结构低阶模态、网度和强度之间存 在的对应关系。发现改制车车身结构存在的刚度和强度上的薄弱点，有针对的 提出改进意见，并为结构优化设计时状态变量的设鼍提供依据。 3 。1 有限元分析模型的建立 3 1 1 有限元模型简化处理 有限元计算模型的准确度直接关系到计算结果的正确度和精确度。蔼有限 元模型的规模又关系到计算的经济型。这两方面对于轿车车身结构分析都是非 常关键的。车身有限元模型的建立应满足以下要求阳： 计算模型必须具有足够的准确性，所形成的计算模型要能反映工程结构 的主要力学特性，车身结构的实际状况。在此既要考虑形状与构成的一致性， 又要考虑支撑情况和边界约束条件的一致性，还要考虑载荷和实际情况的一致 性。 计算模型要具有良好的经济性。复杂的计算模型一般具有较蔫的准确性， 但计算模型并不是越精确、越复杂越好。复杂的计算模型的建立相应的会花费 更多的时间、人力、物力进行数据前处理，数据计算和后处理，从而使计算费 用大大增加。 建立模型过程中通常都要对结构进行简化，这一简化要以忠实结构主要的 力学特性为前提。现代轿车多采用全承载式车身，车体骨架结构由车体结构件 以及覆盖件焊接而成。主要承载零部件及总成包括前纵梁、后纵粱、门槛、顶 盖、地板、a 柱、l j i 柱、c 柱、岳风窗支柱、前轮罩、蜃轮罩、前塔型支承、后 塔型支承、后翼子板、后围板、行李架等。丽保险杠主要是用于轿车碰撞时的 吸能元件，前翼子板的设计也是主要从外形、维修要求及安全性出发的，它们 都是用螺钉与车体黉r 架连接的，在建立模型时一般不考虑这两个零件。我们的 第3 章动力改逡轿车有限元计算分折 目的在于分析整个车身壳体的刚度和薄弱环节等力学特性，过予细致地描述一 些非关键结构的细节，不但增加建模的难度和单元的数星，并会使有限元模型 的单元尺寸变化过于剧烈，而影响计算精度。车身结构中有的小尺寸结构，如 小孔、开口、翻边、小筋和小凸台，它们的设计鹤的通常是为了局部过渡或者 工艺上避让一些管线，而对整体刚度和强度影响不大。因此，在建模过程中徽 简化处理。而为了安装零部件方便而设置的尺寸较大的孔基本都有翻边，对整 体刚度和局部强度影响较大，不能忽略l l 引。 车身壳体整体坐标系的建立，是以前轴中心线与轿车纵向对称面的交线为 坐标原点，以轿车前进的反方向为x 轴的正方向，从以原点垂直向上的直线为z 轴的正方向，由右手定则确定y 轴。单位制的选择为m m ( 毫米) 、s ( 秒) 、t ( 吨) 、 m p a ( 兆帕) 。 3 1 2 建立超越p s 3 0 0 0 车身结构有限元模型 超越p s 3 0 0 0 车身结构以s a n 3 0 0 0 车为平台，在其车身结构基础上进行局部 结构设计及加强，使其满足电动改装车各个动力总成空间的布置以及相应承载 能力。在沿用原件，增加新件的同时，又改制了部分原件。同以往超越系列的 区别在予，超越p s 3 0 0 0 没有采用完整的车架结构。表3 。l 列出了电动改装车对 于s a n 3 0 0 0 结构改动的部分。主要集中在下车身结构上。 1 9 第3 章动力改造轿车有艰元计算分析 袭31 电动改装车对s a n 3 0 0 0 的结构改动 零件名称 示意图相关说明包含零件 前轮罩加强板 一_ 溯件 2 前纵粱加强扳 新件 3 前纵梁延长件 、矿 更改件2 4 前纵梁中纵粱连接件 h 新件 中纵粱 新件 前后纵粱连接件o l ， 新件2 前后纵桨连接件0 2 、 新件 2 8 前地板 弋 更改件l 座椅下地板 参 新件2 中纵粱加强板 恩 新件 中地板横粱 一 新件 1 2 中地板前封板 一 新件 前地板座椅横粱 新件 中地板上板= ) 、 新件 中地板盖板新件 中地板侧封扳 q 新件 中地板下扳p更改件 第3 章动力改造轿车有限元计算分析 l 。 后地板 ：， 更改件 l - ， 各种支架 新件 l 2 0 后轮罩加强板jf新件 由于超越2 号也是在s a 0 3 0 0 0 基础上改制的，区别在于2 号下车身带焊接车 架；而p s 3 0 0 0 则秉承s 龃t a n a 3 0 0 0 承载式车身的结构特色，没有另加整体式车 架，但增加了前地板下的中纵粱，同前后纵粱通过连接件贯通，起主要承载作 用。从有限元建模的效率考虑，我们在超越2 号模型基础上( 如图31 和32 ) ，改 动了其下车身，撤去车架，改动及新建了地板，纵粱，加强件等。从图3 3 可以 比较2 号和p s 3 0 0 0 的差别： 图3 1 超越2 号有艰元模型图3 2 超越2 号下车身车架 e # z 圈33 超越p s 3 0 0 。白车身有限元模型 ( 1 ) 纵向结构：超越2 号基奉保留了原s a n t a n a 车的后纵粱，其车架的两根 主纵鬻沿车身纵向呈3 种宽度( 车头前裙处，前固之前部分前围至车身后部) ； 而p s 3 0 c o 保留了前后纵粱，前纵粱同新增中瓠粱之问由翦纵粱延伸件和前中纵 粱连接件连接，中后纵粱闯也由新设计的连接件连接，前纵粱一娃加强，中纵 第3 牵动力改造轿车有限元计算分析 梁有两处加强。 2 ) 横向结构：2 号车架在中部有3 处横梁；p s 3 0 0 0 车无实际意义上的横梁， 但在前座椅地板上设计了横向加强粱，新增中地板下横粱同2 号同位置处结构 类似。 ( 3 其他部位：2 号前后轮罩处设计了塔形支撑以及围板；p s 3 0 0 0 前轮罩上 部沿用了加强板( 见表3 + 1 ) ，后轮罩内侧新设计加强板。 有限元建模工作主要用前处理软件h y p e r m e s h 进行。划分网格基本原则是 充分体现实际结构的主要关注力学特征，即尽可能详细模拟对整体抗弯和抗扭 露l 度贡献大的筋等结构。焊点以一致节点处理，以较厚板的厚度傲单元几何常 数，门口和窗口处的焊接边以实际双层板厚度处理。对于比较平坦的大面和曲 率变化小的曲面结构，如顶盖、地板等可以适当地加大单元的尺寸。而对于一 些不大的翻边，则只能缩小单元的尺寸。单元基本尺寸定为5 0 m m 。单元质量检 查规范见表3 2 。 模型主要采用a n s y s 中s h e l l 6 3 四节点壳单元，部分为三角形单元。单元总 数为2 2 5 8 2 ，节点总数为2 0 5 3 7 。