（光学工程专业论文）基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究.pdf

摘要 随着汽车设计水平的逐步提高，汽车企业迫切需要缩短设计周期、快速推出新车型， 以抢占细分市场，获取更大的利润。车身作为汽车四大总成之一，是保证汽车性能的主 要载体，是汽车设计的重要组成部分。车身结构布置是在概念设计阶段确定的，因此研 究车身概念设计的关键技术对于提高车身性能具有重要意义。结构耐撞性作为评价车身 安全性能的重要指标，其设计的难度很大，在详细设计阶段修改的余地较小，因此如何 在概念设计阶段即考虑车身的耐撞性能，对于提高整车性能，缩短设计周期具有重要的 意义。 本文提出了轿车车身概念设计的正、逆向设计流程。对逆向概念设计流程中的关键 技术接头的模拟、梁结构的模拟、刚度特性曲线的提取做了详细的介绍，通过对比车 身简化模型与详细模型的弯曲、扭转刚度特性，验证了所建立模型的有效性；以验证的 模型作为耐撞性分析的研究对象，对车身简化模型进行了1 0 0 正面碰撞仿真分析，并 与详细模型碰撞结果对比，探讨了提高梁单元模型建模精度的方法。针对车身正向概念 设计流程，首先通过拓扑优化技术，寻找最优化的车身结构布局；创建规则截面梁单元 简化模型以快速构建拓扑结构；然后在静力加载工况下对简化模型进行尺寸优化设计， 得到车身主要部件的初步尺寸，作为正碰仿真的基础；最后探讨了薄壁直梁件耐撞性概 念优化设计方法，创新性地提出了应用响应面近似模型建立薄壁梁截面参数与刚度曲线 特征点之间的非线性关系，作为耐撞性优化设计的模型，应用直接优化的方法，对吸能 构件进行耐撞性优化设计，最终得到轿车车身概念设计的初步尺寸。 研究结果表明：通过恰当的简化方法，可以建立高精度的梁单元简化模型，作为概 念设计的研究对象，在概念设计初期进行各种优化设计工作；提出的正向概念设计流程， 能够为车身结构设计提供较好的思路，便于寻找最优设计的方向，提出的以响应面近似 模型进行优化的设计方法，很好地解决了薄壁梁构件耐撞性概念优化设计的难题。 本文的研究为国内汽车企业开展概念设计工作提供了一定的参考，为提高我国汽车 的车身设计水平开辟了一条新的思路。 关键词：轿车；概念设计；正面碰撞；简化模型；梁单元 硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h eg r a d u a l l yi m p r o v e m e n to ft h el e v e lo fa u t o m o t i v ed e s i g n , c a rc o m p a n i e s u r g e n t l yn e e dt os h o r t e nd e s i g nc y c l e sa n dr a p i d l yi n t r u d u c tt h en e w e a rm o d e l s ，i no r d e rt o s e i z em a r k e ts e g m e n t st oo b t a i ng r e a t e rp r o f i t s a so n eo ft h ef o u ra s s e m b l yo fc a r ，c a rb o d y i st h em a i nc a r r i e rt og u a r a n t e et h ep e r f o r m a n c eo fe r ra n da ni m p o r t a n tp a r to fc a rd e s i g n c o n c e p td e s i g np h a s ep l a y e dam o r ea n dm o r ei m p o r t a n tr o l ei nm o d e m a u t o m o t i v ed e s i g n s ot h es t u d yo fh o wc a ne n s u r et h ep e r f o r m a n c eo fc a rb o d yi nt h ec o n c e p td e s i g ns t a g em u s t b eo fi m p o r t a n ts i g n i f i c a n c e s t r u c t u r a lc r a s h w o r t h i n e s si so n eo ft h em a i ni n d i c a t o r st o e v a l u a t et h es a f e t yp e r f o r m a n c eo fan e wc a r i ti sv e r yd e f i c u l tt od e s i g ni nt h ed e t a i l e d d e s i g ns t a g e ，b e c a u s et h e r ei sn o te n o u g hr o o mt om o d i f yt h es t r u c t u r e s oh o wt oc o n s i d e r t h ec r a s h w o r t h i n e s sp e r f o r m a n c ei nt h ec o n c e p t u a ld e s i g ns t a g ei so fg r e a ts i g n i f i c a n c et o i m p r o v et h ep e r f o r m a n c eo ft h ec a ra n ds h o r t e nt h ed e s i g nc y c l e s t h i sp a p e rp r e s e n t sb o t ht h ep r o c e s so fr e v e r s ea n dp o s i t i v ec o n c e p td e s i g no fc a rb o d y t h ek e yt e c h n o l o g i e so fr e v e r s ec o n c e p td e s i g nw a sd e s c r i b e di nd e t a i l ，w h i c hc o n t a i n st h e e s t a b l i s h m e n to fs i m p l i f i e dj o i n tm o d e l ，t h es i m u l a t i o no fb e a m l i k ec o m p o n e n ta n dt h e e x t r a c t i o no ft h es t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c s b yc o m p a r i n gt h es i m p l i f i e dm o d e la n dd e t a i l e d m o d e lo ft h eb e n d i n ga n dt o r s i o n a ls t i f f n e s sc h a r a c t e r i s t i c s ，t h ev a l i d a t i o no ft h es i m p l i f i e d m o d e lw a sv a r i f i e d f r o n t a li m p a c ts i m u l a t i o nw i t l lt h es a m eb o u n d a r yc o n d i t i o n sc o m p a r e d w i t hd e t a i l e dm o d e lw a sc o n d u c t e db a s e do nt h ev a r i f i e dm o d e l t h e nt h er e s u l t sw e r e c o m p a r e dw i t ht h ed e t a i l e dm o d e l ，w h e r ec a nw ef m dt h ew a yt oi m p r o v et h es i m u l a t i o n a c c u r a c yo ft h es i m p l i f i e dm o d e l ap r o c e s so fp o s i t i v ec o n c e p td e s i g nw a sp r o p o s e d i n n o v a t i v e l y f i r s t , t h eo p t i m a ls t r u c t u r el a y o u to f c a rb o d yw a sf i n d e do u tt h r o u g ht o p o l o g y o p t i m i z a t i o nt e c h n i q u e s s e c o n d , as i m p l i f i e db e a me l e m e n tm o d e lw i n lr e g u l a rs e c t i o nw a s b u i l tt oq u i c k l yv e r i f yt h ev a l i d i t yo ft h et o p o l o g ys t r u c t u r e t h e n , c o n s i d e r i n gq u a s i - s t a t i c l o a dc o n d i t i o n s ，t h es i z eo fb e a mc r o s s - s e c t i o nw a so p t i m i z e dt oo b t a i nt h ei n i t i a ls i z eo ft h e m a i nc o m p o n e n t so fc a rb o d ye x c e p tf r o n tr a i l s ，w h i c hi st h e b a s i so ff r o n t a li m p a c t s i m u l a t i o n u l t i m a t e l y ，t h eo p t i m u md e s i g no fs t r a i g h tt h i n - w a l l e db e a m sf o rc r a s h w o r t h i n e s s a n a l y s i sw a ss t u d i e dt oe x p l o r et h em e t h o d so fc r a s h w o r t h i n e s sc o n c e p td e s i g n u l t i m a t e l y ， t h ec r a s h w o r t h i n e s sc o n c e p td e s i g no fs t r a i g h tt h i n - w a l l e db e a m sw a ss t u d i e d p r o p o s e da n e wm e t h o do fu s i n gt h er e s p o n s es u r f a c i n ga p p r o x i m a t i o nm o d e lt oe s t a b l i s ht h en o n - l i n e a r r e l a t i o n s h i pb e t w e e nt h ec r o s s - s e c t i o np a r a m e t e r so ft h i n - w a l l e db e a ma n di t s s t i f f n e s s c h a r a c t e r i s t i cc u v ep o i n t s ，w h i c hc a nb et h eb r i d g eo fc r a s h w o r t h i n e s so p t i m i z a t i o nt o d i r e c t l yo p t i m i z et h et h i n - w a l l e db e a m si nc o n c e p td e s i g ns t a g e ，a n df i n a l l yr e c e i v e dt h e i 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 p r i m a r ys i z eo ft h ec a rb o d y ，w h i c hw i l lb eu s e di nt h ep r o c e s so fd e t a i l e dd e s i g n t h er e s u l t ss h o wt h a t ：ah i g h - p r e c i s i o ns i m p l i f i e db e a me l e m e n tm o d e lc a nb e e s t a b l i s h e dt h r o u g ha l la p p r o p r i a t em e t h o d ，a n di ti se a s yt ob eu s e da st h eo b j e c to ft h es t u d y i nt h ee a r l yp h a s eo fc o n c e p t u a ld e s i g nt oo p t i m i z et h ed e s i g n ap r o c e s so fp o s i t i v ec o n c e p t d e s i g no fc a rb o d yw a sp r o p o s e d ，w h i c hp r o v i d e sag o o di d e at ot h ed e s i g no fc a l b o d y s t r u c t u r e i ti se a s yt of i n dt h ed i r e c t i o no ft h eo p t i m a ld e s i g n t h em e t h o do fm a k i n gt h e r e s p o n s es u r f a c ea p p r o x i m a t i o nm o d e la st h ed e s i g nb r i d g ei sag o o ds o l u t i o nt os o l v et h e p r o b l e mo f t h ec o n c e p to p t i m u md e s i g no ft h i n w a l l e dc o m p o n e n t s t h i ss t u d yp r o v i d e ss o m er e f e r e n c ef o rt h ed o m e s t i ca u t o m o t i v ee n t e r p r i s e st oc a r r yo u t t h ec o n c e p t u a ld e s i g nw o r k , a n do p e n su pan e ww a yo ft h i n k i n gt oi m p r o v eo u ro w na u t o d e s i g nc a p a b i l i t y k e yw o r d s ：c a r ；c o n c e p td e s i g n ；f r o n t a li m p a c t ；s i m p l i f i e dm o d e l ；b e a m e l e m e n t i v 硕士学位论文 第1 章绪论 近年来，我国汽车工业经历了高速发展的阶段。2 0 1 1 年我国汽车产销量双双突破 1 8 0 0 万辆，已成为世界第一大汽车生产国。快速增长的汽车工业为我国经济发展做出了 巨大贡献，但是，随着汽车保有量的逐渐增加，越来越多的汽车交通事故问题受到社会 的关注，汽车安全问题已成为当今世界汽车工业的三大主题之一。 汽车的安全性关系到人们基本的生命、财产安全，因此，汽车制造厂商、科研机构 和各种相应的政府机构都在进行不断地努力以提高汽车的安全性能，从而保护乘员和行 人的安全。我国政府先后出台了汽车正碰、侧碰、后碰强制性法规，为汽车产品在我国 的上市制定了硬性标准。同时，中国汽车技术研究中心制定了中国的新车评价程序 c - n c a p ，为促进我国汽车安全技术的提高做出了重要贡献。 对汽车碰撞的研究表明车身结构在汽车安全性方面起着决定性作用，同时车身结构 设计的合理性对车身的刚度、强度、模态及n v h 性能等产生很大的影响。车身结构布 置是在概念设计中确定的，这个阶段留下的缺陷很难在后续的设计中弥补，因此车身结 构概念设计的关键技术及定义受到汽车设计业的广泛重视。 1 1 车身设计概述 车身是轿车的关键总成之一，是消费者最直观面对的总成，它的设计效果直接决定 了整车的美观程度。同时，整车的燃油经济性、操纵稳定性和驾驶动力性等性能均与车 身外形的空气动力性能有很直接的关系【l 】。因此，车身工程作为汽车工业中最年轻而又 发展最迅速的一个分支，现已成为汽车工程中最为重要、最受重视的的领域。车身总成 的结构合理性与外形美观性直接影响到整车的使用性能和消费者的购买欲望，从而影响 汽车业的销售业绩，因此，快速高效的车身开发有利于整车迅速占领市场，并创造利润。 1 1 1 车身设计流程 随着汽车企业设计水平的不断提高，车身设计的流程也经历了从传统的串行设计到 现行的并行设计的过程。所谓串行的设计流程即设计与分析是分开的，在所有设计结束 后才进行结构分析的工作，而在并行设计中，各阶段的设计与分析已经可以同时进行， 保证设计的每一环节都是可靠的，避免了设计不合理造成的后续返工。 ( 1 ) 串行设计流程 传统的轿车车身结构设计主要是以经验设计为主，以试验为分析评价手段。通常是 在完成轿车车身设计后，先制造车身结构的样件，并组装成样车，然后进行试验。整个 设计过程包括“结构设计试制样车一试验一结构修改一再设计 这样一个乃至多个循 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 环，如图1 1 所示。由于试验是发生在设计过程的后期，根据试验结果对设计进行修改， 往往就要付出相当大的代价，而且因为时间和费用的限制，不可能对所有可能的设计方 案进行尝试【2 】。 这种设计方法的各个设计阶段是串联的，每一设计阶段都依赖于前一设计阶段的完 成，并制约后一阶段的进行。虽然在汽车发展的1 0 0 多年的历程中，世界主要的汽车厂 商积累出了许多优良的车型，但是在当今激烈竞争的市场环境下，这种设计方法及流程 已经不能满足快速推出新产品的要求。 图1 1 传统的串行设计方法 ( 2 ) 并行设计方法 进入上个世纪八十年代中期以后，随着市场竞争的激烈，人们对轿车车身轻量化、 舒适性及安全性的要求日益增加，迫切要求生产厂家缩短开发周期，快速推出新车型以 适应市场需求。伴随着计算机软硬件的迅速发展及工程师经验的逐渐积累，以计算为主 体的车身结构分析已成为一种面向车身结构设计全过程的分析，而不仅仅应用于早期的 车身结构设计，如图1 2 所示。车身结构设计的过程也成为一种设计与分析并行的过程， 也就是说在车身结构设计的全过程中，先设计后分析的传统设计观念已被打破，设计和 分析不再有先后顺序，也不再是完全独立、互不干扰的两个过程，而是如影相随，相互 交叉的关系，二者同步进行，设计的方案需要分析验证，反过来验证的结果又能用来指 导设计方案的改进。其显著的特点是c a e ( c o m p u t e r a i d e de n g i n e e r i n g ) 技术应用到车 身设计的各个阶段，涵盖概念设计与详细设计阶段。 2 硕士学位论文 图1 2 现代车身结构并行设计的流程图f 2 1 1 1 2 车身设计周期 车身设计周期由概念设计、详细设计与工程完善三个阶段组成【3 】o 如图1 3 所示。 其中概念设计阶段主要确定车身结构的布置形式、总体尺寸等，是后续设计的基础。详 细设计是对概念设计阶段构想的实现，这个阶段的主要任务是构造车身的详细c a d 、 c a e 数据，作为分析的对象。最后一个阶段是汽车投放市场后的工程完善阶段，根据消 费者的市场表现对车身的局部进行修改与调整，使其满足消费者的细节要求。 传统 现行e 五匹亟涸臼 1 0 0 捌 芒 h 铤 根 摹 o l t ：岁基年 厂飞一- 图1 3 车身设计周期 时间 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 ( 1 ) 概念设计 概念设计是对未来投产的汽车的总体概念进行概括的描述，是确定汽车性能、外形 与内饰等主要方面的初步设计。概念设计阶段是车身结构设计的初始阶段，在这一阶段 设计的目标是从总体上把握车身的结构形式和各项性能指标，忽略车身细节的考虑。 车身结构概念设计的主要任务是确定车身基本结构，预测整车性能，为车身详细设 计提供可行的设计方案，避免在详细设计阶段可能出现的结构缺陷。在通过计算机辅助 造型软件完成造型设计之后，就可以由已知的总布置参数( 包括整车总长、总宽、总高、 前悬、后悬、轴距、轮距、最小离地间隙等) 和由车身模型中提取的车身表面曲线进行 初步的结构选型设计1 4 1 。由于在概念设计阶段所产生的设计缺陷往往在以后的设计中很 难进行弥补，因此必须将结构分析应用到概念设计当中，进行早期整车方案的总体性能 分析和评价，保证整车结构强度、刚度及可靠性等主要性能指标要求，并通过最优化分 析，达到结构及性能的最优化设计方案。它的重要性在于：通过评估保证设计方案的合 理性，有效减少工程阶段的反复，缩短开发周期和减少开发成本；增加设计和工程的可 靠性，保证产品质量；采用优化设计，可得到结构及性能的最优方案；通过模拟各种试 验方案，减少模型制造及试验时间和经费等。 概念设计阶段在整个汽车设计过程中起着至关重要的作用。从时间上，缩短整个汽 车设计周期最关键的是要做好汽车概念设计阶段的工作，从而减少重复设计的工作量； 在成本上，在概念设计阶段结束时，全部汽车成本的大约7 0 已确定下来。概念阶段的 设计自由度较大，决定的设计影响占到6 0 e 5 1 ，是非常重要的阶段。因此，概念设计在 车身结构设计中占有十分重要的地位，它是新产品开发的成败关键。 ( 2 ) 详细设计 详细设计阶段从概念设计结束开始，到车型的最终确定截止。其中设计的自由度较 小，越是到设计的后期，设计的自由度越小，发现问题修改的工作量越大。详细设计阶 段的主要研究工作包括白车身研究、外饰件研究和内饰件研究等。白车身研究工作涵盖 每一部件完整的几何定义，包括与底盘平台的连接分析、发动机罩和翼子板设计、前挡 风玻璃和雨刮电机设计、前门总成设计、后门总成设计、侧围总成设计、加油门口设计、 尾门总成设计、车顶设计等。外饰件研究包括前后保险杠、面罩、装饰压条、踏板、玻 璃、遮阳板、轮毂罩、内外把手等的设计。内饰件研究包括转向柱外壳、仪表台、内饰 板、车门内上把手、立柱及侧围装饰板、中央通道、地毯和消音垫、顶蓬、座椅和方向 盘的分析等。之后还须进行车身总体性能的一些校验及设计工作，主要包括：白车身型 面与截面的定义、连接静强度、白车身刚度、振动噪声、白车身疲劳强度、前碰、后碰 及侧碰的安全性、子系统的安全性、车门及机盖的闭合性、车顶、前后保险杠和安全带、 计算流体力学( c f d ) 、空气动力学和人机工程学等方面的设计【6 】。 在传统的车身设计过程中，详细设计占据了绝大部分的比重，即大部分的设计工作 是在详细设计阶段完成的，概念设计阶段完成的工作量很少，这样的设计过程在详细设 4 硕士学位论文 计后期遇到的设计问题很难修改，因为越到设计的后期，修改的自由度越小，成本越高。 随着汽车市场竞争的日益激烈，迫切需要车企快速推出新车型以满足消费者的要求，快 速占领市场，因此传统的设计方法已经不能满足这样的需求，必须提高概念设计阶段对 整个设计周期的贡献量，减少在详细设计阶段对产品的反复修改，确保新车型的性能。 现行的车身设计周期中，概念设计的工作量及时间已经可以和详细设计平分秋色，整个 新车型的设计周期大大缩短，概念阶段的工作量大大增加，这要归功于c a e 技术的发 展，c a e 技术在车身设计的早期对于概念设计的贡献大大提高了设计的可行性，在设计 的后期可以验证整车的各项性能，包括静刚度、强度以及碰撞性能，减少了实车的试验 次数，不仅降低了成本，而且减少了车型的试制量，缩短了设计的周期。c a e 技术已经 成为车身设计领域的重要工具。 1 2 国内外车身概念设计领域相关研究现状 国内外车身设计人员及科研工作者对车身概念设计流程、概念设计模型、车身接头 模拟方法等概念设计领域的不同方面进行了研究，其成果已经部分应用于新车型的研发 过程当中。 1 2 1 国外研究现状 出于提高未来汽车产品竞争力的考虑，国外的大型汽车厂商最早开展了车身概念设 计的相关研究工作，发展至今已经积累了很好的车身概念设计方法，对于日后的占领市 场、获取利润具有重要意义。一些科研院所也从车身概念设计的不同领域进行了相关研 究，大大丰富了车身的概念设计方法，为提高车身结构性能做出了先驱性的贡献。 c a r lr e e d 在分析j a g u a r 白车身优化设计f 7 】中，介绍了o p t i s t r u c t 软件在白车身概念 设计中的应用，简要阐述了车身概念设计流程，包括车身拓扑优化、梁单元模型建立以 及梁结构耐撞性优化设计，最终得到半详细的车身c a d 模型。这种车身概念设计方法 已经应用到j a g u a r 汽车的新车型开发当中，取得了良好的效果。 福特汽车公司【8 ，9 】的设计人员建立了能够描述对标车身局部接头部位和主要承载部 件刚度特性的概念车身框架结构，并进行了对标车身的详细有限元模型和概念模型的弯 扭刚度、低阶模态分析。通过对比，评估了概念模型的质量及可靠性。 l m s 公司【3 】开发的概念车身建模工具能够指导设计人员按照特定的模型缩减流程， 快速地建立由梁单元和接头单元构成的概念车身模型，其流程如图1 4 所示。这种概念 车身模型包含了详细模型中的梁截面信息、接头部位的刚度特性及车体部件的连接关系 等信息。用户可通过更改或优化梁截面参数、调整接头刚度等操作来实现车身静、动态 刚度特性的修改。 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 。凹一i _ o 麟玉n1 v # 舰赫哆囊崔硝枞一j 、胤触v “媳聃牲 # 篇 接头详细模型接头缩减模型 图1 4l m s 车身简化流程 丰田公司的h i d e k a z un i s h i g a k i 等人针对车身概念设计开发了f o a 系统【1 0 1 1 】，该系 统以e x c e l 作为设计者的操作平台，实现了良好的人机交互功能，利用材料力学的基 础理论对车身结构进行分析。该系统实现了接头的分析、截面特性的计算、n v h 性能 的分析，以及通过参数化的梁单元进行碰撞分析等功能。图1 5 为在f o a 系统中建立的 车身概念模型。 4l 蝌l o 粉i 女劳搿蕾 t # ，叶f 9 叶轴 哪燃4 1 增 图1 5 丰田公司开发的概念设计f o a 系统界面 v o l v o 汽车公司开发了用于处理梁单元的d a m i d a 程序和用于处理接头的 a d r i a n 程序，并建立了基于属性的车身简化模型p b m 陋1 5 1 ( p r o p e r t y - b a s e dm o d e l ) ， 如图1 6 所示。该简化模型包含了接头的刚度矩阵及梁截面的力学参数，已成功应用于 v o l v o 轿车的概念设计过程中。 硕士学位论文 力学属性 刚度矩阵 图1 6v o l v o 公司建, 芏l p b m 参数化模型 此外，m a r i aa n d e r s o n 等人建立了快速实用的新车概念设计模型，为v o l v o 汽车公 司的$ 4 0 、v 5 0 和c 7 0 系列轿车平台建立了基于梁单元和质量单元的车身简化模型【1 6 , 1 7 】， 如图1 7 所示。他们将单个概念车身的优化扩展到整个车身家族的优化，充分利用已有 车型来设计新的车身结构。通过优化梁截面的参数以达到最佳的车身综合性能。作者首 先分别对正碰、后碰、侧翻等单一工况做了静态分析，之后对多工况加权进行了分析， 最后利用拓扑优化技术，研究了车身载荷的传递路径。 质量 梁单元 ( a ) 概念简化模型( b ) 多工况拓扑优化结果 图1 7v o l v ov s 0 轿车概念设计模型 n i s s a n 北美技术中心的研究人员，应用梁单元与滑动副或转动副模拟梁构件，赋予 运动副刚度特性曲线，进行碰撞仿真。通过滑动副模拟轴向溃缩变形，通过转动副模拟 弯曲变形【1 8 2 2 1 。作者首先对二维杆结构做了碰撞仿真，如图1 8 所示，进而推广到车身 前部的三维结构，与详细模型对比，有较高的精度。 纵梁区域 一气“是a ，转拶一气a a a 姣a 今k a a f 畸? 一弋1 ( a ) 详细模型 ( b ) 等效模型 图1 8n i s s a n 公司建立的二维碰撞模型 他们还提出了利用简化模型进行序列二次规划( n l p q l ) 法优化设计的方法，与详 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 细模型的直接优化方法对比，验证了简化模型的效率与精度，为其在概念阶段的应用奠 定了良好的基础。此方法已经应用于n i s s a n 新车型的开发当中，取得了良好的效果。 路易斯维尔大学的l i uy c 博士应用梁单元模型对薄壁梁的耐撞性简化方法进行了 系统的研究。作者首先推导了多种截面形式 2 3 铘】的薄壁直梁的轴向溃缩特性f 6 和弯曲 特性m 0 的计算公式，提出了应用b e a m 梁单元与非线性弹簧单元组成的简化模拟方法， 并建立了轴向溃缩及弯曲工况下的简化梁单元模型，利用l s - d y n a 进行了仿真分析， 与详细有限元模型相比分析了其简化的精度；应用此方法，作者进一步研究了s 型梁及 某商用车车架的简化模拟方法，结果对比可以看出此方法具有很高的精度。 密歇根大学的l y u 和s a i t o u 通过研究众多车身结构，提出了利用积累的数据，快速 集成新车型的方法，即基于已有车型建立了框架结构的组件库，实现了多种概念车身框 架结构组合形式的快速调整 2 9 。3 2 】。该方法可以快速地利用已有数据进行新车型的开发， 缩短了设计周期，有效推进了新车型面世的时间。并对车身框架进行了刚度、制造费用 等的多目标优化及梁结构组件的拓扑优化。其集成方法示意如图1 9 所示。 ( a ) 车身组件集成( b ) 组件结构分解 图1 9 密歇根大学的组件集成方法示意图 1 9 9 9 年，s u kj a eh a h me 3 3 , 3 4 1 ；1 笙概念设计阶段建立了由多刚体和铰组成的 m a y d m o3 d 框架模型，并对该多刚体简化模型与详细有限元整车模型在a m s 和 f m v s s2 0 8 两种不同工况进行了有效性验证，如图1 1 0 所示。 ( a ) a m s r ；兄下的变形 ( b ) f m v s s2 0 8 3 - 况下的变形 图1 1 0 多刚体简化模型 硕士学位论文 大量的研究表明，车身概念设计研究的关键技术在于车身结构件刚度特性的准确模 拟，为此国外学者对薄壁梁溃缩及弯曲机理进行了详细的研究。由于金属薄壁梁中非规 则截面的复杂性和接触碰撞问题的高度非线性，几乎不能总结出一个统一的溃缩及弯曲 变形规律。因此，目前对于薄壁梁构件刚度特性的研究均是基于规则截面展开的。 在1 9 6 0 年，a l e x a n d e rj m 【3 5 】首先建立了预测薄壁圆管构件轴向渐进性溃缩变形特 性的理论模型，并与试验相结合，在薄壁梁结构简化建模研究领域做出了先驱性的贡献。 之后，w i e r z b i c k it 和a b r a m o w i c zw 【3 6 】推导了多边形截面薄壁直梁结构在轴向冲击载荷 作用下能量吸收的简化计算公式。他们的理论将材料视为刚塑性( r i g i d p l a s t i c ) 材料， 并假定在刚体和可变形( 或塑性铰) 区域的边界上满足运动学的连续性，进而对单个变 形区域的褶皱机理进行研究。基于能量守恒定律，将碰撞能量的吸收途径归结为塑性铰 线的出现，这种方法再现了褶皱的主要特征和典型薄板结构表面的起皱过程。k e e m a n d 【3 7 】基于多种尺寸的箱型截面直梁的弯曲试验结果，总结出了自相容性的弯矩与转角的 计算公式，并将其理论应用到了客车翻滚事故中防滚梁的简化建模问题。对于汽车耐撞 性研究中常遇到的压弯组合工况下的薄壁梁变形情况，h e u n g s o o 鼬m 【3 8 】进行了全面系 统的研究。 k a r i mh a m z a 等【1 踞o 】对于薄壁直梁的刚度特性进行了系统的研究，总结出典型的刚 度特性曲线，如图1 1 1 所示。他们将复杂的车身刚度曲线分成四个区域：区域1 为弹性 变形阶段，曲线呈线性变化趋势；区域2 为塑性强化阶段，材料的屈服极限达到强度极 限值；区域3 为形成塑形铰以后的弱化阶段；区域4 为塑性变形以后由于材料的不可压 缩性导致的材料刚性加强，斜率很大。其中各阶段的曲线分别用不同的函数来表达，达 到了参数化的目的，以用于薄壁梁构件的概念设计当中。 跤 - r r 图1 1 1 雩曲刚度曲线 1 2 2 国内研究现状 国内的汽车企业对车身概念设计的工作开展较少，只有部分高校及研究院所对此进 行了初步的探索研究。研究的重点集中在概念设计模型的建立、碰撞仿真及n v h 静态 性能的分析方面，而对于概念简化模型的应用及吸能构件耐撞性概念优化设计方面的研 究较少。 9 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 朱西产教授【3 9 】等对车身结构耐撞性的概念设计方法迸行了系统总结，较全面地介绍 了概念设计阶段所能应用的几种简化模型，以及各自的优缺点。并提出了简化建模的关 键技术，为后续学者了解并深入研究概念设计提供了参考。 北京理工大学的林逸t 4 0 a l 】教授等人在国内较早实现了车身结构抗撞性概念设计的 方法，建立了某微型客车车身结构的简化模型，如图1 1 2 所示，实现了整车的正面抗撞 性分析。给出了微型客车概念设计阶段车身结构抗撞性的设计指标、设计过程与方法， 实现了通过简化模型来快速确定正面碰撞时车身各部分的吸能指标，从而为详细结构设 计提供重要依据。 吉林大学的张君媛教授【4 2 】等建立了侧碰工况下的简化模型，提出了侧碰简化模型的 建立方法和原则，应用p a m c r a s h 建立了某轿车的侧碰简化模型，如图1 1 3 所示， 利用可变形移动壁障进行了侧面碰撞仿真并验证了参数化模型的有效性。简化模型由非 线性弹簧和梁单元构成。弹簧单元的节点位置由塑性铰位置决定，梁单元用于传递弯矩 和扭矩。梁单元的刚度特性和惯性特性从详细有限元模型中分析提取。 前纵梁前门 移动壁障 图1 1 2 微型客车正面碰撞参数化模型图1 1 3 轿车侧面碰撞简化模型 上汽集团的戴轶博士【4 3 彤】领导的上汽工程研究院，提出了基于碰撞的车身概念设计 流程，建立了上汽自主品牌轿车车身概念设计的平台，完成了三大任务：( 1 ) 创建了一 个基于梁单元车身概念设计的标准及流程，如图1 1 4 所示；( 2 ) 开发了一个基于梁单元 架构的车身概念设计模型；( 3 ) 创建了一个基于梁单元车身子结构的数据库及其优化设 计方法。此外戴轶博士等还应用神经网络分析了前纵梁截面参数与碰撞响应的非线性关 系，应用于车身概念设计，得到了较好的效果。 吉林大学的徐涛教授团队【4 6 - 4 9 1 与中国第一汽车集团公司的设计人员共同开发了适 用于车身概念设计阶段的专用工具，集成了快速建模、刚度分析、d o e 及多种优化算 法，实现了车身框架结构的快速建模、分析与优化。 大连理工大学的胡平教授团队【5 0 。5 4 】开发了基于n x 的智能化车身概念设计工具一 i v c d ，建立了已有车身数据库，只需输入车身基本信息，即可快速建立全参数化的概 念车身几何及有限元分析模型，而后利用n a s t r a n 求解器进行刚度和强度分析，实现了 c a d 和c a e 分析的一体化。 1 0 硕士学位论文 ( a ) 竞争车型c a d 模 醉 ( b ) 竞争车型c a e 模型 ，d j 修改后的简化模型c ) 粱肇元简化模型 图1 1 4 上汽集团车身概念设计流程图 湖南大学成艾国教授【5 5 1 等建立了真实接头微型客车梁壳混合车身简化模型，用于分 析接头的耐久性能，在概念设计阶段了解接头的受力情况，对于详细阶段合理设计接头 耐久性具有重要的参考价值，如图1 1 5 所示。 图1 1 5 真实接头( 刁) 微型车简化模型 吉林大学的李亦文【5 6 】博士对薄壁梁的弯曲变形机理进行了较系统的研究，提出了一 种改进的弯曲特性分析方法c k w 方法。利用此方法，求得了箱型截面薄壁梁的力矩- 转角关系曲线，避免了复杂的非线性有限元建模及求解过程，提高了建模的效率。 此外，国内的学者乔淑平5 7 1 、兰风崇 5 8 , 5 9 1 、唐洪斌1 6 0 , 6 1 】等也从不同的方面研究了车 身概念设计的相关内容，取得了很好的效果，并开发了相关c a e 分析软件，对于提高 我国自主品牌概念设计水平具有重要意义。 1 3 本文研究背景、意义及内容 1 3 1 研究背景及意义 随着汽车技术的飞速发展，汽车产品的研发周期已经由过去的2 3 年缩短到现在的 基于正碰耐撞性的轿车车身概念设计及优化研究 1 8 个月左右，其中c a e 分析技术的应用发挥了重要的作用。国内汽车企业产品研发过 程中，c a e 技术主要应用于详细设计阶段后期，用于对整车的振动噪声、平顺性、疲劳 性能、碰撞安全等的仿真分析，当前己与国际水平差别不是很大。国内汽车企业在概念 设计阶段运用c a e 技术起步较晚，与国外相比还存在一定的差距。概念设计阶段是汽 车产品各项指标的决策阶段，在很大程度上影响产品的开发周期，在这个阶段出现的问 题如果不及时解决，在后续的阶段中将会需要很多的设计更改，付出的成本将成倍增长。 从产品全设计周期来看，c a e 技术在汽车开发中应用越早，就越能节约成本，缩短开发 周期。因此研究如何在概念设计阶段应用c a e 分析技术，研究概念设计阶段的简化建 模方法及概念设计流程，对于提高我国的汽车设计水平具有举足轻重的作用。 结构耐撞性是汽车安全性评价的一个重要指标。由于汽车结构的复杂性，决定了结 构耐撞性设计成为极其困难的工作，且多在汽车设计的后期完成，设计的自由度受到严 重局限，当前的耐撞性设计只能对车身结构进行局部地改进，不能很好地兼顾轻量化等 要求。因此，研究如何在概念设计阶段对车身结构的耐撞性进行优化设计，成为一个很 好的课题。若能在概念设计阶段即考虑车身的结构耐撞性，无疑给车身结构耐撞性设计 奠定良好的基础。 1 3 2 研究内容 针对国内对于车身概念设计研究较少的现状，本文主要研究车身概念设计中的几个 关键技术：车身简化建模、基于正碰的车身正、逆向概念设计流程，并对其中的技术细 节进行详细的研究。本文重点探讨车身正向概念设计的流程，为国内汽车企业开展正向 概念设计、真正做到自主研发提供参考。 在中国第一汽车集团技术中心院士工作站科研项目支持下，作者开展了本论文的研 究工作。研究内容主要有： ( 1 ) 通过查阅大量文献，总结国内外车身概念设计过程，提出轿车的车身逆向及 正向概念设计流程，通过对流程的研究，发现概念设计中的关键技术及难点。 ( 2 ) 研究梁单元车身简化模型的建模技术，重点研究接头的简化模拟方法、梁单 元的简化建模及刚度特性曲线的提取方法。探索新的车身简化建模方法，以达到快速准 确建模的目的。 ( 3 ) 对车身简化模型进行静态刚度验证，对经过验证的车身简化模型进行正面碰 撞耐撞性性分析，通过对比与详细车身模型的碰撞响应值，分析车身概念简化模型的精 度及影响因素，找出精确建模的途径。 ( 4 ) 对车身正向概念设计流程中的关键技术：车身结构拓扑优化、基于静力分析 的截面尺寸优化和吸能构件耐撞性概念优化设计进行全面的研究，对每个部分流程进行 详细的细节实现，重点研究薄壁梁结构耐撞性概念优化设计方法，为国内开展正向概念 设计工作开辟道路。 1 2 硕士学位论文 第2 章轿车车身概念设计研究方法 现代计算机软件、硬件水平的不断提高，为汽车碰撞用c a e 分析模型向网格更加 密集化的方向发展铺平了道路，当前主流的整车碰撞仿真模型已经做到2 0 0 万单元的数 目。但是，伴随而来的是计算量的成倍增加，传统的单c p u 计算模式已经不能满足计 算的要求，国内外学者开始研究计算机的并行运算技术【6 2 韶】。 并行运算技术首先将庞大的计算模型分解成若干个子模型，分别交由多个c p u 同 时进行计算，最后再将各个模型的计算结果合成为初始模型的分析结果，这样就可以达 到快速计算的目的。部分汽车设计单位也将此方法应用于概念设计阶段，对参考车型的 详细有限元模型进行快速的计算分析，并修改结构，确定新车型的设计方案。但是，这 样的概念设计方法，严格意义上并不算结构设计，其结构特点大部分沿用了原有车型， 并不能摆脱传统车身设计中对于参考车型的依赖，不能真正做到自主研发。因此，并行 运算技术并不是概念设计中较好的方法。 要想真正开发出自主品牌的车型，国内的汽车厂商必须重视概念阶段车身的开发， 积累详细的整车数据库，来提高我国的汽车设计水平。本文正是基于这样的考虑对传统 的车身概念设计方法进行了系统研究与分类。 2 1 概念设计模型 概念设计阶段的主要任务是确定车身的布置