基于OptiStruct的純電動車上部車身拓?fù)鋬?yōu)化研究

    在全球能源危機(jī)的不斷加深和石油資源的日趨枯竭的今天，各國政府及汽車企業(yè)普遍認(rèn)識到節(jié)能減排是未來汽車技術(shù)發(fā)展的重要方向。大眾寶馬等知名車企紛紛宣布在2013至2015年將發(fā)布10款左右的插電式電動汽車或者混合動力汽車。

    純電動汽車因?yàn)樯a(chǎn)批量小且研發(fā)成本大，所以各大汽車廠商的純電動汽車都處于虧損狀態(tài)。很多汽車廠商為了削減成本，在現(xiàn)有汽車車身的基礎(chǔ)上改造電動汽車。例如國內(nèi)汽車廠商江淮的愛意純電動汽車已經(jīng)推出了第三代產(chǎn)品，其外形尺寸和車身結(jié)構(gòu)與江淮同悅完全相同，只是在車頭部位用電機(jī)代替了傳統(tǒng)汽車的動力總成，這樣雖然削減了成本，減輕了宣傳壓力，但是由于電動車動力系統(tǒng)的分布與傳統(tǒng)的汽車有較大的區(qū)別，車身結(jié)構(gòu)與載荷不相匹配，導(dǎo)致部分材料浪費(fèi)或者局部剛度不足，所以整車不能發(fā)揮最佳性能。

    本文基于某小型車尺寸建立盒狀空間設(shè)計(jì)域，在概念設(shè)計(jì)階段利用Altair公司旗下OptiStruct優(yōu)化工具對電動汽車上部結(jié)構(gòu)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，并將拓?fù)浣Y(jié)果與目前在產(chǎn)熱銷的小型車進(jìn)行對比。最終找到傳統(tǒng)汽車車身與純電動汽車的不同之處，對純電動汽車的車身設(shè)計(jì)或改型提出新的要求。

    2 優(yōu)化模型

    2.1 分網(wǎng)模型

    參照某車型白車身尺寸3970*1750*1360（單位mm），建立盒狀實(shí)體幾何模型并劃分三維實(shí)體網(wǎng)格。綜合考慮計(jì)算精度和計(jì)算時間選取50mm作為網(wǎng)格平均尺寸，最終共得到74655個網(wǎng)格，80640個節(jié)點(diǎn)，如圖2-1所示。

圖2-1 設(shè)計(jì)域有限元模型

    2.2 邊界條件

    彎曲工況下約束四個懸架支撐點(diǎn)，車身所承受的載荷只考慮靜載的情況，采用國標(biāo)推薦的每個人68Kg的重量，準(zhǔn)乘5人，后備箱行李50Kg，具體載荷參數(shù)如下表：

表1 載荷具體參數(shù)

    由于無法得到車身具體零部件結(jié)構(gòu)，所以除了將約束置于懸架支撐點(diǎn)的常見高度（距離白車身最低點(diǎn)500mm）之外，其余所有載荷加載在設(shè)計(jì)域底面上，如圖2-2所示，具體載荷對應(yīng)圖見圖2-3。

圖2-2 彎曲工況邊界條件

圖2-3 載荷施加位置

    所有載荷不變，取消左前懸架固定點(diǎn)的所有約束即為本文討論的扭轉(zhuǎn)工況。該扭轉(zhuǎn)工況嚴(yán)格意義上講是彎曲和扭轉(zhuǎn)的綜合工況，因?yàn)樵趯?shí)際車輛行駛情況中基本不會出現(xiàn)單純扭轉(zhuǎn)的工況，故單獨(dú)討論扭轉(zhuǎn)工況是沒有意義的。

    2.3 求解過程

    建立拓?fù)鋬?yōu)化模型：

    優(yōu)化方法：變密度法；
    設(shè)計(jì)變量：設(shè)計(jì)域單元密度；
    結(jié)構(gòu)響應(yīng)：全局質(zhì)量分?jǐn)?shù)、結(jié)構(gòu)應(yīng)變能（柔度）；
    約束條件：質(zhì)量分?jǐn)?shù)小于30%；
    目標(biāo)函數(shù)：結(jié)構(gòu)應(yīng)變能最??；
    優(yōu)化控制：車身Y向?qū)ΨQ，最小成員尺寸150，MINDENS=0.01，DISCRETE=3，CHECKER=1，OBJTOL=0.01。

    2.4 計(jì)算結(jié)果

    彎曲工況經(jīng)過19次迭代，最終收斂。計(jì)算過程見圖2-4：

圖2-4 彎曲迭代過程

    在HyperView中將密度為1的材料顯示出來，如圖2-5。可以看出在彎曲工況下拓?fù)涑龅慕Y(jié)構(gòu)較為符合目前白車身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。車身上部初步形成了A柱和C柱兩個清晰的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。車身前部形成兩根斜梁的結(jié)構(gòu)有利于車身前部開口中力流向兩個縱梁的分散。形成了兩片明顯的側(cè)圍，可以看出側(cè)圍在車身整體彎曲剛性上的重要作用，這點(diǎn)也可以找到理論上的支持。尾部形成了三角形的支撐結(jié)構(gòu)，能對行李箱載荷有更好的支撐作用，這與現(xiàn)代車身的設(shè)計(jì)頗為相似。

圖2-5 彎曲等軸測結(jié)果

    整體來說，在概念設(shè)計(jì)階段沒有考慮汽車底架橫梁的布置，也沒有隔出動力總成所需要的空間，所以底部沒有得到較好的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。然而在沒有確定動力形式的情況下，進(jìn)行上部結(jié)構(gòu)的概念拓?fù)浞治霾粌H是可行的而且是必要的。

    扭轉(zhuǎn)工況下經(jīng)過20次迭代達(dá)到收斂，計(jì)算結(jié)果如圖2-6：

圖2-6 扭轉(zhuǎn)迭代過程

    同樣將密度為1的結(jié)構(gòu)顯示出來，如圖2-7?？梢钥吹酵?fù)涑龅能嚿斫Y(jié)構(gòu)并沒有完全符合現(xiàn)在白車身的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。這是由于車身拓?fù)湓O(shè)計(jì)是一個多工況綜合考慮的結(jié)果，單一工況形成的車身結(jié)構(gòu)很大程度上只能分析其重要性，而最終的制造更是一個多方面博弈的結(jié)果。

圖2-7 扭轉(zhuǎn)等軸測結(jié)果

    在車身上部拓?fù)涑隽撕苊黠@的頂蓋結(jié)構(gòu)，說明頂蓋結(jié)構(gòu)對于車身抗扭剛度的影響。而在車身側(cè)圍上，沒有了彎曲工況中明顯的柱狀結(jié)構(gòu)，也說明了相比扭轉(zhuǎn)剛性，側(cè)圍對彎曲剛性的貢獻(xiàn)較大。前圍板和后隔板在扭轉(zhuǎn)工況中體現(xiàn)的較為明顯，且車身尾部的框架非常粗壯，這說明這些部分對車身扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)最大。與彎曲工況相比，扭轉(zhuǎn)工況拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)明顯保留了較多的地板這說明了地板或者橫梁對于扭轉(zhuǎn)剛度的重要性。

    3 修改后的優(yōu)化模型

    由于未強(qiáng)制分割出乘客艙和動力艙，拓?fù)涑龅淖罱K結(jié)果不可避免的擠占了一部分乘員空間，尤其后排的乘客空間幾乎被擠占殆盡，如圖3-1所示。圖3-2為設(shè)計(jì)域后部的局部放大圖。

圖3-1 等軸測                                圖3-2 局部放大

    為了解決這個問題，在以上拓?fù)浣Y(jié)果的基礎(chǔ)上分割非設(shè)計(jì)區(qū)域來強(qiáng)制給乘員艙留出空間，如圖3-3所示，紅色部分為設(shè)計(jì)空間，綠色部分為非設(shè)計(jì)空間。其中前后的盒狀區(qū)域?yàn)閯恿ε摵托欣钆?，中間有弧狀頂?shù)膮^(qū)域?yàn)槌丝团摗?/p>

圖3-3 修改后的有限元模型

    重復(fù)上述求解過程，可以得到修改后模型的拓?fù)浣Y(jié)果。但是要注意的是由于設(shè)計(jì)域減小，原本對于質(zhì)量30%的約束會使材料不足以顯示出拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，于是將約束變?yōu)?0%，得到的彎曲和扭轉(zhuǎn)的結(jié)果如圖3-4和圖3-5。

圖3-4 彎曲工況  圖3-5 扭轉(zhuǎn)工況

    從結(jié)果中可以看出兩個工況所拓?fù)涑龅慕Y(jié)構(gòu)有較大的不同，且修改后的模型不像修改前的模型結(jié)果那樣直觀，但是依然能從中看出彎曲工況中側(cè)圍的重要性和扭轉(zhuǎn)工況中頂蓋結(jié)構(gòu)的重要作用。

    基于單工況的各種嘗試，采用50%質(zhì)量約束下的三廂模型進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化。具體工況采用彎曲和扭轉(zhuǎn)兩個工況聯(lián)合拓?fù)?。具體工況參數(shù)見表2-2。

表2 工況參數(shù)

    經(jīng)過計(jì)算，拓?fù)浣Y(jié)果如圖3-6至圖3-9所示。

圖3-6 等軸測  圖3-7 前視

圖3-8 側(cè)視  圖3-9 頂視

    由圖可以看出，在彎扭聯(lián)合工況下，分隔出一定非設(shè)計(jì)空間的設(shè)計(jì)域拓?fù)涑隽艘环N框架結(jié)構(gòu)。并且在這種結(jié)構(gòu)中可以明顯的看出A柱和C柱，車頂也有一定程度的表現(xiàn)。后側(cè)圍有一個斜梁的結(jié)構(gòu)，這與現(xiàn)有車輛的后部結(jié)構(gòu)有一定的相似之處。

    然而，令人遺憾的是在前風(fēng)窗和后風(fēng)窗的位置并沒有拓?fù)涑鲇行У目臻g，只是材料堆積較少，但是側(cè)圍部分還是較好還原了拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，那么利用側(cè)圍的結(jié)構(gòu)與實(shí)車對比能得到較好的結(jié)果。

    4 拓?fù)浣Y(jié)果與實(shí)車對比

    為了將拓?fù)涑龅膫?cè)圍結(jié)構(gòu)和實(shí)車側(cè)圍結(jié)構(gòu)加以對比，本文選擇目前國內(nèi)選擇6個品牌的熱銷在產(chǎn)車型進(jìn)行重疊對比，如圖4-1至圖4-6。圖中紅色陰影為拓?fù)浣Y(jié)果，疊加在車型效果圖的適當(dāng)位置。需要注意的是由于本文研究范圍是車長在4米左右的小型車，故對比車型的選取也是在這個范圍內(nèi)尋找的。

    由以上對比可以得出以下結(jié)論：

    傳統(tǒng)動力汽車的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)與分析結(jié)果有很大程度上的相似，除了前風(fēng)窗的傾角隨著車型的不同而略有變化；

    在側(cè)圍前部出現(xiàn)了材料堆積，干涉了前車門的正常開啟，這是因?yàn)榧冸妱悠嚽安坎辉儆斜恐氐陌l(fā)動機(jī)和變速箱等動力零件；

    拓?fù)浣Y(jié)果與實(shí)車上部結(jié)構(gòu)最大的不同是C柱的位置相對靠前，這是由于放置于前后座下和行李箱的電池重量引起的。

    拓?fù)浣Y(jié)果表明了純電動汽車和傳統(tǒng)汽車車身上部結(jié)構(gòu)的聯(lián)系和區(qū)別，尤其是C柱的位置與目前的車型相比相對靠前。當(dāng)然，車身的設(shè)計(jì)是一個綜合考慮的過程，本文并沒有考慮人機(jī)工程學(xué)、空氣動力學(xué)和美觀等方面的需求，但是該過程還是能對車身設(shè)計(jì)提供一個思路。

    5 結(jié)論

    本文采用OptiStruct軟件針對純電動汽車的載荷特點(diǎn)對其車身進(jìn)行進(jìn)行了多工況的拓?fù)溲芯浚谝粋€完全無特征的自由盒裝設(shè)計(jì)域內(nèi)經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化得到一個車身骨架模型。再通過第二次優(yōu)化得到了分割出乘員艙和動力艙的拓?fù)淠Ｐ停⑴c6款實(shí)車進(jìn)行了對比得到了針對純電動汽車載荷的C柱設(shè)計(jì)要求，對純電動汽車車身開發(fā)有一定的參考價(jià)值。