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结构优化在车身刚度性能优化中的应用

DEP-MeshWorks

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车身是汽车行驶运动过程中的主要承载体。车身由大量的部件构成，结构复杂，工作条件也十分复杂。主要的工作载荷包括：驱动惯性力，制动惯性力，转向惯性力，不平路面激励力和动力结构载荷等等。如果车身结构设计中刚度设计不足，则车身的振动频率会引起结构共振，进而引起结构连接的强度失效（产生塑性变形），进而导致车门、窗框、背门框等变形过大。最终导致车门卡死、玻璃破碎、密封失效、漏气漏水等问题。分析车身的刚度，改进车身结构设计，提高车体刚度是非常重要。

车身性能开发金字塔的最底层是消费者最易感知的性能，即操稳性能，而操稳性能直接相关的就是车身的整体刚度性能。（车身扭转刚度、区域刚度是和车身操稳性能相关的，因此车身扭转刚度的性能目标应该满足操稳性能要求，也应该由操稳性能需求来定义。）

通常更高的车身刚度性能对于操稳、NVH、耐久性能是有益的，那是不是说为了提升上述相关性能可以过度提高刚度性能呢？当然不是，刚度性能提升是要满足结构最优化设计原则，即通过结构优化设计来提升材料有效利用率，而不是靠粗暴地堆叠材料来提升刚度性能。在提升刚度性能时还要考虑轻量化要求，只有通过结构优化设计才能够在满足刚度性能要求时，同时满足动力经济性的要求。

结构优化包括拓扑优化、形状优化等方法在优化车身性能中具有非常重要的作用。拓扑优化可以合理优化材料分布，识别车身结构薄弱点。形状优化进一步优化零部件结构形状提升材料效率。

以上包括本田、雷诺、沃尔沃、标志、尼桑、宝马、雷克萨斯、斯柯达、欧宝等车型开发过程中拓扑优化在结构性能优化中的案例。

实际案例：

拓扑优化：

针对车身后端包括C、D柱、dog leg区域进行拓扑优化分析，识别结构弱区域。根据拓扑优化结果进行结构优化设计：

原方案：

方案1：重新设计C环结构

方案2：增加bulk head

这里就不在赘述其他方案，根据拓扑结果可以识别的方案一般包括增加加强件、增加Bulk head、增加焊点、修改形状特征、结构形状优化等。通过以上方案验证，可以提升扭转刚度性能12%左右，同时减重0.8Kg。验证扭转模态性能提升2.3Hz。

对于拓扑优化，大多数人通常会疏忽一个很重要的维度，即保留材料的力学性能当量。如保留材料的截面积、惯量等。如拓扑优化识别出一条重要的路径，需要增加一个传力结构件，但往往车身部件都是钣金件，如何让方案中的钣金件的力学性能和拓扑优化的结果是相当的，这一点需要特别注意。尤其是拓扑结果保留的材料和原车身结构有耦合作用时。

另外一个重要的点，对于拓扑优化结果的方案解读后，如何快速在FE模型中实现方案，如本文中的C环重构、Bulk head生成等，如果不掌握一些快速生成手段，往往需要设计工程师进行CAD数据生成，然后再进行网格重构，这往往就浪费了很多时间。这里推荐meshworks软件，可以快速创建复杂梁、接头等网格。冒昧问一下，上图中C环结构如果是你来做可以完成吗？需要多久？这个案例中大概只需要几分钟就完成了。工欲善其事必先利其器。

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接上文，拓扑优化的解读方案通常是无法得到性能完全相当的结构的。因此需要进一步地进行形状参数优化，进一步提升材料利用率。

形状优化：

形状参数包括C环截面X向尺寸，如何保证C环在变形过程中一直贴合轮罩，焊点连接一直正确生成，这在创建形状参数时需要特殊注意。形状参数还包括C环的位置，Y向高度、X向宽度，以及材料厚度一起组合为多参数优化。当然，还可以包括焊点数量一起作为优化参数进行优化（这里由于计算资源问题，就不给优化结果了，我的X230超算打开模型都够呛了）。通常还可以进一步提升3~5%的刚度性能。

优化软件推荐使用LS-OPT，特别是LS-OPT 2022R1(R2)。LS-OPT本身特有的优化策略就是一种高效的优化方法，2022版本中meta model又增加了MOP方法，可以自动根据设置的条件选择meta-model的方法，这也是LSTC被ANSYS 收购之后借鉴（引入）了optiSLang中的功能。当然，事情往往有两面性，被ANSYS收购了之后LS-OPT软件不在免费使用了，需要license。嗯，需要license。不过我用着还是不错的，增加的功能都很实用。