【ATC优秀论文9】多模型拓扑优化在车身结构概念设计中的应用

本文摘要（由AI生成）：

文章主要介绍了多模型拓扑优化在车身结构概念设计中的应用。车身结构主要考虑整体静刚度、局部点动态刚度和碰撞性能。将动态载荷等效为线性静态载荷，采用MMO多模型拓扑优化解决复杂工况的拓扑优化问题，通过调节设计空间和设置参数，探索最优载荷路径。最后，根据拓扑优化结果形成初步的车身框架结构。多模型优化方法可以在一次优化计算中同时考虑多个计算模型，这些模型共享某些共同的设计变量，共享的设计变量会得到相同的优化结果。白车身多模型优化流程包括建立拓扑优化模型、定义载荷工况、设置设计空间、设置优化目标、约束和响应、进行拓扑优化计算、结果分析、创建白车身框架模型等步骤。

《多模型拓扑优化在车身结构概念设计中的应用》

汪芳胜  赵永宏 

广汽研究院

在车身概念设计阶段，对车身结构进行拓扑优化探索最优设计路径。车身结构主要考虑整体静刚度、局部点动态刚度和碰撞性能。将动态载荷等效为线性静态载荷。采用MMO多模型拓扑优化解决复杂工况的拓扑优化问题，通过调节设计空间和设置参数，探索最优载荷路径。最后，根据拓扑优化结果形成初步的车身框架结构。

在车身概念设计阶段，设计约束比较少，车身结构设计具有最大的灵活性。使用拓扑优化来产生创新的概念设计方案，可以最大程度地获得更高效、更轻巧新颖的结构设计方案，最大程度地提高材料利用率。

车身性能主要为整体静刚度、NVH和抗撞性，这些性能工况复杂，刚度性能是线性静态载荷，NVH是动态载荷，碰撞是高速非线性动态载荷。在车身概念设计阶段，同时考虑三种工况，难度较大。 Altair OptiStruct 多模型拓扑优化方法（Multi-Model Optimization, 简称MMO) ，可以有效解决多种复杂工况的优化问题。

文章介绍了多模型拓扑优化流程，用多模型优化方法完成车身结构的拓扑优化，并对拓扑优化结果进行分析，最后创建出白车身框架模型。

多模型优化（Multi-Model Optimization, MMO) ，可以在一次优化计算中同时考虑多个计算模型，这些模型共享某些共同的设计变量，共享的设计变量会得到相同的优化结果。 多模型优化（ MMO） 模型可以不同，荷载可以不同，参数可以不同，目标函数、约束及响应可以单独定义，也可组合定义。

白车身多模型优化流程见图1：

图1 多模型拓扑优化流程

车身概念设计阶段，主要关注的车身性能为弯曲扭转刚度、局部点动刚度和碰撞性能。这三个性能的载荷工况不相同，要求计算的车身模型也不相同。需分别建立车身弯曲扭转刚度模型、NVH模型和基于碰撞性能要求的整车模型，这三个模型共用白车身模型。白车身模型为拓扑优化设计空间。

白车身设计空间，根据车身外部造型曲面、动力总成和人机布置，建立可能分布车身受力结构的包络空间。在此基础上结合总体布置的限制，挖去底盘、油箱、发动机和轮胎的包络空间，见图2。 考虑对称性，将几何空间切分为一半，在其表面划分壳网格，使用 Voxelmesh， 创建六面体网格。考虑到模型规模和计算时间，网格基本尺寸约20mm，见图3。

图2 车身包络空间

图3 划分网格过程

拓扑优化模型，由于工况需求，分别建立车身TB模型和整车碰撞模型。TB模型是在白车身包络模型的基础上加上前副车架，四门，引擎盖，后尾箱盖，IP，前后座椅，假人，油箱。整车碰撞整车模型要加上动力总成和前后悬架。

这些子系统，在车身概念设计阶段如果没有参考模型，可以用集中质量单元代替，并且通过RBE2或RBE3单元与设计空间的实体单元连接起来，见图4。

图4  TB车身模型

设计空间使用的是实体单元，而实际结构是薄壁型截面梁。实体单元组成的梁会比薄壁截面梁刚度大很多。因此需要对实体单元的材料参数进行缩放。设计空间的弹性模量为206GPa，密度为钢的1/6，即：7900 /6=1317 kg/m3，泊松比：0.3。

拓扑优化的载荷工况都是线性静态载荷，弯曲扭转工况为线性工况，可直接根据要求加载，局部固定点的动刚度为频率相关的动态载荷，碰撞为高速非线性动态载荷，这两类载荷要进行线性化处理。

弯曲刚度工况见图5，左右门槛梁各施加Z向载荷1000N，弯曲约束为前悬架固定座中心Z向平动自由度，后悬架固定座中心约束X、Y、Z向平动自由度。测量门槛梁下表面对应加载点的Z向位移。扭转刚度工况见图6，在前悬架塔座施加扭矩4000N.m，扭转约束为后悬架弹簧固定座中心的六个自由度。

局部固定的动态刚度问题，可以采用等效静刚度的方法处理，等效静刚度（ESS）工况，即在作用点施加三个方向单位力，采用惯性释放工况，计算局部固定点的刚度。共包括24个点。

图7  ESS工况关键点

碰撞工况是高速非线性动态载荷，拓扑优化需要将高速非线性动态载荷等效为线性静态载荷，主要等效方法是根据车身碰撞形态，将关键时刻车身结构压溃处的最大载荷作为等效静态载荷。目前主要考虑四种工况：正面偏置碰ODB，后碰Rear crash，侧面碰撞MDB和顶盖静压Roof crush。

偏置碰，碰撞载荷线性化等效为三个静力工况，静力工况1， 加载在前纵梁前端；静力工况2，加载在上边梁和纵梁中部；静力工况3，加载在门槛梁、A柱、中央通道、纵梁。

图8  ODB线性化载荷

侧碰，车辆发生侧面碰撞时，主要承载部位有前后门、门槛梁、B柱。可通过提取参考车侧碰工况的壁障上各区域截面力进行碰撞载荷定义。

后碰，将碰撞工况线性化为2个静力工况：静力工况1， 加载在后吸能盒截面；静力工况2，加载在后纵梁和左侧D-Loop截面上。

顶压工况，根据IIHS顶压法规，沿试验加载方向施加4倍的整备质量力。通过RBE3单元加载于法规指定的车顶外表面相应区域，如图11所示。

根据三类工况建立三个子模型：刚度优化模型，ESS优化模型和碰撞优化模型。MMO拓扑优化，保证白车身模型使用统一的设计变量定义，目标函数通过Master文件定义，为三个子模型质量之和最小。

弯曲、扭转刚度约束条件为点的变形量。等效静刚度约束条件为单位载荷的变形量，这个值可以根据对标车设定或者采用经验值。

碰撞线性化工况拓扑优化的约束是车身的柔度，一般而言性能(刚度）越大越好，质量越小越好，但是同时使性能和质量达到最优是不可能的。因此通常需要寻找性能与质量的平衡点，通过多目标折中处理，使每个目标都比较优。本文中车身柔度约束值的选取是根据柔度与质量的Pareto曲线来定义，在曲线上满足质量-刚度平衡性最佳的柔度约束为拓扑优化约束。

拓扑优化需要采用不同的优化设置方案以寻找最稳健的传力路径，避免遗漏重要的路径。主要包括以下三个方面：第一是更改设计空间。主要优化方案包括，改变优化设计空间，即对设计空间进行删除或添加材料，对部分区域添加剪切板，承受剪切荷载，避免生成过多X型结构；第二是更改约束条件，可使用更严格的约束条件以查看结果的变化，人为提高或降低约束值；第三是调整优化控制参数，最大最小成员尺寸、离散控制参数CHECKER、TOPDISC等。

下面是尝试不同的优化设置后得到的拓扑优化结果。

改变优化控制参数，最小成员尺寸60~100，离散控制CHECKER，离散算法TOPDISC。尝试差异化的最小成员尺寸及离散系数并查看其对结果的影响，见图12。

图12 方案一结果对比

基于方案1模型， 在后地板区域添加shear panel，相对MMO1主要是后地板区域产生了横向路径，减少了X型结构，见图13。

图13 方案二结果对比

基于方案2模型， 在前地板添加shear panel，地板上的传力路径更加清晰，减少了X结构的产生，座椅横梁是一条重要的路径，见图14。

图14 方案三结果对比

综合以上MMO结果进行解读分析，并构建出白车身框架模型，如图15所示。

图15 白车身框架方案

基于框架模型进行的优化结果显示，白车身重量为305.4kg, 弯扭刚度，等效静刚度和碰撞柔度全部满足约束。

通过MMO优化可以非常高效地设置不同类型工况，不同模型的拓扑优化模型，并且可以保证不同模型得到相同的优化结果，避免了主观考虑不同优化结果的影响，提高了优化结果的可用性。

在框架模型的基础上进行如下后续结构优化和设计工作，完成概念车身结构设计，主要包括以下几个方面工作：

1） 基于框架模型进行不同传力路径的重要性研究，

2） 优化各传力路径的截面形状及参数，

3） 创建CAD概念设计模型，

4） 进行详细优化。

[1] 洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct HyperStudy理论基础与工程应用[M].北京：机械工业出版社，2013.

[2] Bendsoe M P Sigmund O.Topology Optimization: Theory Methods and Applications[J].Springer,2003.

[3] 张胜兰,郑冬黎.基于 HYPERWORKS 的结构优化设计技术[M].北京:机械工业出版社.2007.10.