0?序
出於環保和改善油耗的需要，各大車企都在快速推進車身輕量化。為了實現輕量化，汽車白車身首選高強度鋼板。隨著高強度鋼板的應用，板材的厚度相應減少，整個車身的剛度也隨之降低。作為壹個相關的對策，使用最輕的材料來彌補降低的剛度是至關重要的。目前可以通過拓撲優化的方法進行改進。拓撲優化方法是在給定壹定設計空間的前提下，保留必要的單元。通過拓撲優化設計，可以將復雜而獨特的形狀應用於零件。目前，該方法已應用於懸架下發動機缸體和控制臂的優化過程中。對於由薄板組成的車身，由於在拓撲優化過程中必須著重考慮單元尺寸和計算負荷，並且不能過度減小單元尺寸，因此很難用拓撲優化方法設計出特定的零件形狀。基於初步設計指南，研究人員針對當前車身結構中靈敏度較高的部分，實現了薄殼單元的拓撲優化。
本文將由實體單元組成的設計空間引入到由薄殼單元組成的汽車車身結構中，利用拓撲優化方法對零件形狀進行改進。此外，還介紹了拓撲優化分析程序在點焊中的應用以及塗膠位置優化過程的實例。
1?基於BIW靜剛度的零件形狀優化
1.1?分析法
圖1顯示了BIW優化過程中使用的整車模型。整車模型由NCAC出版，車身由薄殼單元組成。圖2示出了車身承載負載的四個約束。約束前懸架安裝件和後螺旋彈簧安裝件* * *占了四個條件中的三個，剩下的1載荷條件是在車輛上方加載1。000?n？加載。同時，研究人員設置了改變載荷位置的四個條件，並使用圖1所示的白車身驗證了薄殼單元組成的車身所采用的空間設計方法的合理性。目標部分被設定為用於在靈敏度分析中構成後地板的側梁和橫梁的接合部分。圖3示出了優化的目標組件。在引入設計空間的過程中，研究人員去除了橫向構件的末端部分，從而排列出由實體單元組成的設計空間。考慮到荷載傳遞要求，由實體單元組成的設計空間與由薄殼單元組成的橫梁、後側梁和地板的端部相連。優化的目標條件是最小化圖2所示的四種負載條件下的乘坐舒適性總和。約束還應考慮設計空間中由薄板生成的零件的形狀，並將其體積百分比設置為20%。此外，研究人員充分利用基於拓撲優化方法的預留結果來優化零件的形狀並保證其剛度。
1.2?優化結果
圖4示出了拓撲優化後車身的剩余部分。預留部分由後側梁和橫梁組成，主要預留設計空間的地板側平面。壹般認為，負載應該通過側梁和橫梁從裝載點轉移到地板。
1.3?基於優化結果的形狀研究
圖5示出了由基於拓撲的優化方法生成的新零件和原始零件之間的形狀比較。優化後的零件與原零件壹樣，通過點焊與側梁、橫梁和地板連接。優化後的零件在原有零件的基礎上，扭轉剛度提高了約4.3%，質量增加了0.1kg。壹般情況下，很難提高車身的扭轉剛度。研究者從質量效率的角度出發，認為可以通過這種方法優化扭轉剛度(即以最小的質量增加為代價來加強零件的剛度)。
圖6通過比較應變能的分布示出了零件優化的效果。在這個優化例子中，可以最小化部件的乘坐舒適性總和。在原來的部分，橫向構件的邊緣和地板的拐角位置已經產生了很大的應變能。因此，證實了優化後橫向構件邊緣線和拐角位置的應變能大大降低。
2?白車身特征值零件的形狀優化
2.1?分析法
圖7示出了通過計算機輔助工程(CAE)的特征值分析獲得的車身前部的彎曲變形的狀態。作為本次研究的對象，選擇了只在車身寬度方向運動的前彎模式。車身總長度為4？178?Mm，它的變形用25倍來表示。從圖7可以看出，車身只會面對前彎的狀態。從這個彎曲模式的特征值來看，原車身彎曲特征值為31？Hz，操控安全性更好的車身前彎特征值會是40？Hz以上因此，研究人員將超過40？以Hz的較高值為目標進行研究。
對於圖1所示的白車身，將空間設計的方法引入薄殼單元組成的車身，建立優化模型。優化過程的目標部分被設置為從散熱器支架到前側彎曲區域中的發動機上部的前部。圖8(a)示出了原始車體的狀態；圖8(b)示出了從原始車體上拆下零件後的狀態；圖8(c)示出了將由實體單元組成的設計空間引入整車模型後的狀態。對於去除了散熱器固定框架和翼子板支架並保留了前構件的車身，配置了由實體單元構成的設計空間。此外，考慮到載荷傳遞需求，將設計空間與車身連接，設置優化目標條件使前彎曲特征值最大化，並將前彎曲特征值的體積百分比設置在20%以下。作為性能的驗證，利用拓撲優化後保留的結果生成不同截面形狀的模型，同時調整其形狀和板厚，從而驗證特征值。此外，作為技術對比，驗證了用於固定保險杠的塔形支撐桿，並以基於靈敏度分析設計的零件為優化目標，驗證了通過增加板厚來提高特征值的情況。
2.2?優化結果
圖9示出了使用車身模型進行拓撲優化後的狀態。保留特征的結果是前部呈現X形。先將散熱器固定架收縮壹次，然後與保險杠左右安裝部連接，再在車身下部再次收縮，從而得到預定後的狀態結果。從結果可以看出，為了提高前彎曲的特征值，通過連接件支撐前懸架和保險杠的方案是有效的。
2.3?基於優化過程的零件形狀研究
優化後的零件裝配在車身上，作為與優化後零件的對比，采用了連接左右懸架的塔形支撐桿。圖10顯示了靈敏度分析後板厚增加的零件。這些部分的厚度也分別按照1.2倍、1.4倍和2.0倍設置，並進行特征值分析。圖11還顯示了使用塔形支撐桿、增加板厚和優化形狀後零件的前彎曲特征值。優化後零件的前彎特征值為55？Hz，這種數值大大提高。塔形支撐桿特征值增加0.2？Hz，對於前彎部分，特征值的增加不能起到顯著的作用。另外，即使只增加高靈敏度部分的厚度，比如增加25？比如Kg，特征值只能提高到35？Hz，其效果是優化過程無法相比的。
3?白車身點焊焊點位置的優化
3.1?分析法
圖12為點焊優化程序示意圖。圖中模擬了零件的法蘭部分，按20？嗯？通過間隔設置添加焊接點的示例。原焊接點40？嗯？間距排列，優化後，按最小20？嗯？該間距被設置為優化過程的目標焊接點。根據拓撲優化方法，只保留對提高剛度作用較大的焊接點。
在車輛型號上，按照10？嗯，20？嗯，30歲？嗯？分別調整最小焊點間距，研究其對剛度的影響。車輛模型采用圖1所示的車身，載荷條件采用圖2所示的扭轉剛度載荷約束條件，焊接點用實體單元描述。與車身上原來設定的3相比？906焊點，按最少20？嗯？焊點間距；將焊接點的優化目標數量設置為3？168;按最低10？嗯？優化後的目標焊接點數設定為10？932;按最低30？嗯？設置焊點的優化目標數為1？679.將上述焊接點設置為後續拓撲優化過程的目標條件，使四種載荷條件的平順性之和最小，並使之成為剛度最大的約束條件，從而保留焊接點數量與優化焊接點數量的比值。優化後保留的焊點數量根據最小焊點間距分別設置為200、400、600。此外，基於拓撲優化過程的預留結果用於生成車輛模型，並通過CAE驗證其剛度。
此外，在具有高應變特性的焊接點附近增加了其他焊接點，並與優化後的結果進行了比較。圖13為傳統方法補充的焊接點示意圖。采用的方法是應變能大的焊接點兩側距離為20？嗯？在的位置增加了兩個焊接點。根據應變能之和對上述四種載荷條件下的焊接點進行排序，目標焊接點數設置為100。在100目標焊接點的兩側，按最小20？嗯？接頭之間的距離增加了200個焊接點。
3.2?焊點位置的優化分析結果
圖14顯示了整車模型最小焊點間距條件下，基於拓撲優化處理後剩余的焊點。這是在各種焊點間距條件下，增加200個焊點的結果。預留的焊接點主要分布在後橫梁(後橫梁)、車身B柱的上部和下部，以及a？減震器立柱和塔架支撐的周長。另外，當焊點間距較小時，可以看出預留焊點分布密集；當焊點間距較大時，可以看出預留焊點比較分散。
圖15顯示了利用拓撲優化過程補充焊接點提高車身剛度的效果。在所有最小焊點間距的情況下(焊點間距分為10？嗯，20？嗯，30歲？Mm)，隨著焊接點的不斷補充，剛度得到提高。但是當焊點間距為30？嗯？隨著焊接點數的增加，剛度提高的效果逐漸趨於飽和。另外，在補充焊點相同的情況下，焊點間距越小，剛度提高的效果越明顯。這種現象是因為10？嗯？焊點間距小，有利於提高剛度的焊點位置設置可靠；焊點間距30？嗯？條件下，由於焊點間距的限制，通常不可能直接提高構件的剛度。
圖16分別為傳統方法和拓撲優化方法補充200個焊接點後的效果對比。傳統方法補充的焊點集中在車身後橫梁和B柱的上下部位，而拓撲優化方法補充的焊點基本分布在整個車身。圖17顯示了通過使用傳統方法和拓撲優化方法補充點焊點來提高剛度的效果。拓撲方法的剛度提高效果比傳統方法高3倍。可以認為，後續焊點的位置是前期用傳統方法確定的，但不能適應補焊點過程中的應變狀態。另壹方面，在拓撲方法的應用中，認為在補充200個焊接點時，為了剛度最大化，已經對補充焊接點的位置進行了優化。
4?白車身結構塗膠位置的優化
4.1?分析法
關於塗膠位置的優化，采用圖1白車身模型，載荷條件與焊點位置優化過程相同。在整車模型中，根據法蘭表面塗膠的狀態，采用拓撲優化方法調整固位力，研究其對剛度的影響。粘合劑通常設置為固體單元，塗層總長度設置為103？m？結構用粘合劑。因為前後保險杠部分、車頂、副車架等部分不是膠黏劑的主要應用部位，所以通常不在研究目標之內。
為了使四種載荷條件下的乘坐舒適性之和最小化，研究人員在拓撲優化過程中將施加粘合劑的位置設置為目標條件。為了最大化剛度，保留的粘合劑量/旨在優化的粘合劑量的比例參數被用作約束條件。優化過程後，粘合劑保留比例分別設置為80%、60%、40%和20% * * *等。此外，利用基於拓撲優化過程的預留結果，構建整車模型，測量膠黏劑在法蘭長度方向的塗覆長度，並驗證剛度。根據結合料的特點，研究過程中采用的彈性模量為3.0？GPa，泊松比0.45，比重1.0，其剛度通過CAE驗證。
研究人員使用CAE精確構建結構模型。然而，在使用粘合劑的情況下，該過程高度依賴於手工操作，因此消耗更多的工時。因此，針對焊點位置的優化過程，重點研究了通過調整塗膠位置來提高剛度的方法。由於自動補充焊接點，工時可以減少到50%以下。使用圖12所示的焊接點優化程序，焊接點優化程序與10？嗯？焊接點被分離，並且接合單元被配置成形成接近連續接合的狀態。另外，要求粘接單元與膠黏劑的優化工藝壹致，保留原有的焊接點。至於整車車型，相比原廠3？906個焊點，研究人員將焊點的優化目標數設為10？932.為了使四種載荷條件下的乘坐舒適性之和最小，3？600個關節。通過這壹保留的結果，對膠粘劑的塗布位置進行了研究。
4.2?塗膠位置的優化分析結果
圖18顯示了在整車模型上使用拓撲優化方法後的粘結劑保持位置。主要預留的塗裝位置是後橫梁(後橫梁)、車身B柱的上下部分、A？立柱、減震器塔形支架周邊和前裙板。
利用基於焊點位置的優化方法，為了將重點放在有利於提高剛度的塗膠位置，將拓撲優化方法增加的600個焊點與塗膠位置進行了對比。圖19顯示了塗上粘合劑後這些焊接點的最佳位置。預留的焊接點主要是後橫梁，車身B柱的上下部分，以及a？立柱和減震器塔支架的外圍區域。與粘合劑殘留的位置相比，兩者的分布位置大致相同。如車身前面板和後面板上部，是預留焊點較少的部位。
另壹方面，壹般認為，在焊點分布密集的區域，膠粘劑能充分發揮作用。圖20顯示焊接點之間的間距小於20？嗯？零件，且焊點間距大於20？嗯？適用於塗有膠粘劑的零件。由於該方法的應用，與圖19中間距較大的位置相比，還顯示了離散焊點的保留結果，認為可以作為連續粘接膠的塗抹位置(即明確指出了塗膠位置)。
圖21給出了將該方法應用於汽車車身批量生產的實例。車身為插電式混合動力電動汽車(PHEV)版。後門開啟位置、尾門開啟位置、輪罩開啟位置采用拓撲方法優化，並塗上膠。
5?標簽
本文介紹了拓撲優化方法在汽車車身中的應用。對於薄板組成的車身，可以利用實體單元組成的設計空間和拓撲優化方法來優化零件的形狀，加強零件的優化配置。該方法可以在載荷傳遞路徑復雜的汽車模型領域設計出高質量的零件。此外，拓撲優化方法對焊點位置和塗膠位置的優化也有很好的效果。同時，通過整車模型可以有效優化焊點位置和塗膠位置。在未來，拓撲優化方法的應用領域可以逐步擴大。
註:本文發表於《汽車與新動力》雜誌2020年第三期。
作者:[日]？Kento Takanobu等人。
整理:彭惠敏
編輯:伍斯特
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