静态性能驱动的车身框架关键截面设计研究论文

1 前言

车身框架结构是由形状复杂的薄板件通过焊接、螺栓连接等方式连接在一起形成复杂的空间结构，梁特性、梁空间位置以及车身接头特性决定着车身结构的静动态性能，而梁截面的属性主要由截面形状和厚度两个因素决定。传统的车身开发中关键梁截面形状的设计往往是根据设计经验及试验分析逐步修改形状，达到可行的形状结构。以上的设计方法可理解为寻找可行解的过程，可能并不是截面形状结构的最优解，而且该设计方法容易导致设计开发前期出现缺陷而后期修改空间不足的情况，大大影响产品开发周期和成本。车身全参数正向设计作为未来车身开发的趋势，是基于多目标性能在车身前期确定参数化模型最优结构的全新设计方法。

在车身正向开发过程中，研究人员将截面形状特性作为车身结构优化的变量之一，进行截面形状级别的轻量化研究。其中，邢子敬等利用NX 建立全参数化的概念车身模型，通过改变梁截面的方向和厚度来研究截面特性对车身刚度的影响；任山截取现有车型的白车身主断面图并计算相关主断面的力学特性数据，通过简化模型静态性能的验证探讨该方法的可行性；李龙基于梁截面参数的灵敏度，运用向量优化法对某些截面的截面特征参数进行优化，从而实现车身的轻量化。

2 车身关键截面设计方法研究

车身形状结构和关键截面形状是车身框架几何结构设计的两大主要内容，由于截面的形状受车身形状结构的约束，因此在车身形状结构优化设计后才进行关键截面形状的设计。车身关键截面的正向开发设计主要运用隐式参数化建模技术以及自动优化循环平台，在可行域内搜索最优解。本文以门槛梁截面设计为例，根据截面的尺寸约束确定截面的边界条件，运用离散可行域的方法进行截面控制点的划分，再根据截面形状约束进行控制点之间的约束。以截面关键特性为约束条件，根据特定的性能评价进行门槛梁截面的最优形状结构设计。

3 车身关键截面约束条件

截面的约束条件包括形状约束条件和几何约束条件，前者是关于制造可行性的约束，后者则是关于总布置、车身造型及车身内部空间的约束。截面的约束条件决定了设计变量、取值范围及变量之间的约束。

3.1 形状约束条件

车身的薄壁件大多数通过钣金冲压而成，通过焊接、螺栓连接构造成封闭截面的梁部件，因此在进行车身关键截面开发时要满足一定的制造工艺约束，并确认是否具有可行性。对于定向冲压的板件，设计中不能出现缺拔模角及负冲压角的情况，由两件以上板件组成的梁截面不能出现板件相交的情况。

3.2 尺寸约束条件

截面的尺寸约束决定了不可变化的形状节点及部分可变控制点的取值边界，主要受车身布置、造型要求以及车身内部空间所影响。以某车型门槛梁截面为例，门框边界和最下离地间隙约束决定了门槛梁截面上下翻边的节点属于形状固定点；地板与门槛连接的地方是截面的内部空间约束，确定了内板与地板连接处的节点属于形状固定点；门密封面和侧门包边确定了外板与侧门位置相互影响的节点属于形状固定点；车身外造型设计制约门槛梁外板的外廓形状，使其成为形状固定点；而内部空间约束和外部造型约束使得非形状固定点具有取值范围的边界，内板的可控制点y值要小于内部空间固定点的y值，外板的可控制点y值不能小于外部造型固定点的y值。

4 性能驱动截面形状正向设计

截面形状影响梁部件的结构性能，而梁作为车身框架的关键部件，对车身整体性能有着决定性的影响。性能驱动截面形状的正向设计就是基于梁部件的关键性能对截面形状进行优化设计，在截面约束条件下的可行域内寻找各控制点的最佳坐标位置。

4.1 截面离散化

根据截面尺寸约束条件确定的截面可行域是截面节点可能存在的空间位置，而截面形状约束制约着不同节点之间的位置关系。为了保证满足形状约束的要求，提出离散截面可行域的方法。在截面局部坐标下，将可行域沿z方向平行于y轴划分 M 个区域，这些平行线与截面的外板、中间板、内板相交，分别形成（M-1）个节点，为了便于截面优化设计，选取平行线通过截面上由于尺寸约束而固定的边界点，相邻线之间的距离尽量相等，以使节点均匀分布于板上。划分的区域细化则使优化截面形状结果更接近最优结构值，但运算量较大，且对于钣金件的生产加工增加一定难度；而划分的区域较少则会造成截面形状与最优结果相差较大。因此，要根据实际截面可行域的大小适当地选择划分的区域数量。

4.2 截面形状约束的参数化

以车身框架形状优化设计得到的隐式参数化模型为基础，对门槛梁截面的控制点进行变量取值范围的录制，变量录制的过程采取归一化方法。门槛截面控制点作为变量的录制过程，控制点从初始“0”位置沿y方向移动达到某一位置作为“1”状态。为了确保组成截面的板件不相交，因此要定义区域离散线上点之间的约束关系。引入中间变量并推导其取值范围，保证在寻优过程中各变量组合满足形状约束条件。

4.3 设计优化过程的集成

该截面形状优化设计通过在软件iSIGHT中搭建基于静态性能的优化集成系统平台，后台自动调用隐式参数化建模软件 SFE CONCEPT、数据处理软件Matlab及求解器NASTRAN，提取性能参数储存于数据库中。

4.4 优化结果

通过自动寻优得到截面控制点位置与板厚的最佳组合，初始状态与优化后的截面形状对比，其中，外板的厚度为0.8 mm，中间板厚度为2.2 mm，内板厚度为 2.0 mm。优化前后门槛梁的性能对比，可看出在一阶扭转模态频率、弯曲刚度、扭转刚度这三个性能不降低的前提下，实现了门槛梁质量减轻7.8%的轻量化目标。

5 结束语

在车身框架形状结构优化后的模型基础上，对车身关键截面设计可行域采用离散化的方法，将截面形状的设计转化为截面控制点的最佳位置搜索。搭建静态性能驱动截面形状设计的优化集成系统平台，以部分控制点的坐标值、中间变量值、板厚作为优化变量，以一阶扭转模态频率、弯曲刚度、扭转刚度为性能约束，质量最小为优化目标，整个过程实现无人干预。该截面正向开发方法在不降低车身框架形状优化设计后模型的静态性能下，实现了车身轻量化的目标。

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