1 概述

    隨著經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，汽車(chē)已經(jīng)成為人們?nèi)粘Ｉ钪胁豢扇鄙俚慕煌üぞ摺Ｅc此同時(shí)，車(chē)輛的安全性和舒適性也引起了汽車(chē)生產(chǎn)廠家和消費(fèi)者的廣泛關(guān)注?，F(xiàn)代轎車(chē)車(chē)身大都采用承載式車(chē)身設(shè)計(jì)，車(chē)身幾乎承受了轎車(chē)使用過(guò)程中的所有荷載，包括扭轉(zhuǎn)、彎曲、振動(dòng)以及碰撞等，因此車(chē)身必須擁有足夠的剛度和強(qiáng)度來(lái)保證整車(chē)的使用需求和動(dòng)態(tài)性能需求。BIW扭轉(zhuǎn)剛度是整車(chē)性能重要的指標(biāo)之一，合理的扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計(jì)可以避免車(chē)身在很多工況下發(fā)生的可靠性、耐久性、振動(dòng)及噪音等相關(guān)問(wèn)題，使轎車(chē)的整體性能指標(biāo)得到全面的提高。同時(shí)BIW扭轉(zhuǎn)剛度也是衡量車(chē)身輕量化水平的重要指標(biāo)。在節(jié)約成本的約束下，如何提高BIW扭轉(zhuǎn)剛度并兼顧車(chē)身輕量化要求，需要選擇最佳優(yōu)化對(duì)象和優(yōu)化策略。

    隨著有限元分析技術(shù)的發(fā)展和提高，各種計(jì)算機(jī)輔助分析軟件為汽車(chē)仿真提供更好的平臺(tái)。本文利用HyperMesh建立了某SUV車(chē)型BIW的有限元模型，并分析了該模型的扭轉(zhuǎn)剛度。然后，利用OptiStruct分析了鈑金厚度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度。最后，通過(guò)改變板厚、增加焊點(diǎn)對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了優(yōu)化，提高了BIW的扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)減輕了質(zhì)量。

2 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的數(shù)值計(jì)算

    2.1 BIW有限元模型的建立

    文中用于分析扭轉(zhuǎn)剛度的BIW模型主要包括A柱、B柱、C柱、地板、頂棚、前后圍等部件，不包括玻璃和IP橫梁。利用HyperMesh軟件對(duì)各個(gè)零部件進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，劃分網(wǎng)格時(shí)采用四邊形單元和三角形單元混合建模的方法，平均單元尺寸為7mm，同時(shí)控制單元的網(wǎng)格翹曲度、雅克比、四邊形及三角形的最大最小內(nèi)角等滿(mǎn)足質(zhì)量指標(biāo)。根據(jù)BIW的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，粘膠采用adhesives模擬，焊點(diǎn)采用acm模擬，焊點(diǎn)直徑為6mm，螺栓連接等其他連接方式采用rigid單元模擬。整個(gè)BIW有限元模型共有977352個(gè)單元

2.2 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算

    利用OptiStruct求解器計(jì)算BIW的扭轉(zhuǎn)剛度，采用的加載工況和約束條件如圖2所示。

    （1）約束條件：后懸安裝點(diǎn)位置約束123自由度，前懸左右安裝點(diǎn)連線中點(diǎn)處約束3自由度；

    （2）加載工況：在前懸安裝點(diǎn)連線的兩端施加大小相等方向相反的Z向荷載，大小為1000N，等效于在連線中點(diǎn)處加載2000N·m的力矩。

2.2 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算

    利用OptiStruct求解器計(jì)算BIW的扭轉(zhuǎn)剛度，采用的加載工況和約束條件如圖2所示。

    （1）約束條件：后懸安裝點(diǎn)位置約束123自由度，前懸左右安裝點(diǎn)連線中點(diǎn)處約束3自由度；

    （2）加載工況：在前懸安裝點(diǎn)連線的兩端施加大小相等方向相反的Z向荷載，大小為1000N，等效于在連線中點(diǎn)處加載2000N·m的力矩。

3 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析及優(yōu)化

    3.1 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度分析

    基于BIW扭轉(zhuǎn)剛度的計(jì)算模型，結(jié)合前期的經(jīng)驗(yàn)分析，文中主要選取了58組零件，其中左右對(duì)稱(chēng)件共41組。以零部件料厚作為設(shè)計(jì)變量，用OptiStruct求解器分析了扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度，為后續(xù)的車(chē)身結(jié)構(gòu)改進(jìn)和扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化提供理論依據(jù)。將58個(gè)零件相對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度大小進(jìn)行排序，如圖3所示。由圖可知，在這58個(gè)零件中，對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)量排在前20的零件主要分布在A柱、防火墻、C柱和后圍等區(qū)域。為了更直觀地觀察對(duì)BIW扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)量較大的零件的分布區(qū)域，在BIW有限元模型中，用紅色標(biāo)出了貢獻(xiàn)量排在前10的零件，如圖4所示。從圖4可以看出，防火墻、后輪包、后圍外板、后地板橫梁等零件對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響最大。

3.2 BIW扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化分析

    利用OptiStruct進(jìn)行優(yōu)化分析，結(jié)合靈敏度分析結(jié)果，通過(guò)調(diào)整板厚、增加焊點(diǎn)兩個(gè)方法對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了優(yōu)化，得到了三個(gè)優(yōu)化方案。優(yōu)化前后BIW的扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量結(jié)果如表1所示。

    首先，通過(guò)改變板厚對(duì)BIW扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了優(yōu)化分析。以文中的58個(gè)零件板厚作為設(shè)計(jì)變量，控制板厚的變化范圍為初始厚度0.4mm，利用OptiStruct進(jìn)行尺寸優(yōu)化，使得BIW的扭轉(zhuǎn)剛度最大化。結(jié)合靈敏度分析結(jié)果，對(duì)優(yōu)化方案進(jìn)行了一定的調(diào)整，最后得到兩個(gè)可行的優(yōu)化方案，即方案1和方案2。人工調(diào)整方案的思路為：對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度貢獻(xiàn)量較大且質(zhì)量基數(shù)較小的零件，增加其板厚，以提升其扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度較小且質(zhì)量基數(shù)大的零件，降低其板厚，以平衡優(yōu)化帶來(lái)的質(zhì)量增加。由表1可知，相比于初始模型，方案1的BIW扭轉(zhuǎn)剛度增加了10.7%，同時(shí)質(zhì)量減小了5.4Kg；方案2的扭轉(zhuǎn)剛度增加了14.9%，且質(zhì)量減小了4.2Kg。方案1和方案2都對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行了優(yōu)化，且質(zhì)量有所降低，而本文側(cè)重扭轉(zhuǎn)剛度的優(yōu)化，所以選擇方案2為最終的板厚優(yōu)化方案。

    為了進(jìn)一步優(yōu)化扭轉(zhuǎn)剛度，通過(guò)靈敏度分析結(jié)果，可知后地板橫梁對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)量較大，所以選擇后地板橫梁作為優(yōu)化對(duì)象。在優(yōu)化方案2的基礎(chǔ)上，對(duì)后地板橫梁中的焊點(diǎn)進(jìn)行了優(yōu)化，優(yōu)化結(jié)果如表1中的方案3所示。結(jié)果表明，板厚和焊點(diǎn)優(yōu)化后，相比于初始模型，BIW扭轉(zhuǎn)剛度增加了16.6%，從14820.7N·m/°增加到17282.7N·m/°，同時(shí)質(zhì)量減小了3.9Kg。

4 分析與結(jié)論

    本文利用OptiStruct求解器計(jì)算了某SUV車(chē)型的BIW扭轉(zhuǎn)剛度值，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化分析，對(duì)后續(xù)的車(chē)型設(shè)計(jì)具有重要的參考價(jià)值。

    （1）分析了58個(gè)零件的板厚對(duì)BIW扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度，結(jié)果表明，在這些部件當(dāng)中，防火墻、后輪包、后圍外板、后地板橫梁等零件對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的影響最大。

    （2）以文中的58個(gè)零件的板厚為設(shè)計(jì)變量，利用OptiStruct進(jìn)行了尺寸優(yōu)化。優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)剛度增加了14.9%，即從14820.7N·m/°增加到17025.7N·m/°，同時(shí)質(zhì)量減小了4.2Kg。

    （3）通過(guò)板厚和焊點(diǎn)優(yōu)化后，確定了最終的優(yōu)化方案，即在質(zhì)量減小3.9Kg的前提下，扭轉(zhuǎn)剛度從14820.7N·m/°增加到17282.7N·m/°，增加了16.6%。該優(yōu)化方案同時(shí)實(shí)現(xiàn)了BIW扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化和輕量化效果，具有重要的現(xiàn)實(shí)意義。