基于SFE参数化模型的灵敏度分析对白车身扭转性能优化的应用探讨

作者：刘善英 宁子允 陈祖兴 来源：《时代汽车》2021年第09期

摘 要：方法：本文通过构建SFE参数化模型，并应用拓扑优化手段对白车身结构进行灵敏度分析。然后根据车身结构灵敏度分析及车身截面灵敏度分析结果进行方案设计与分析验证，以探讨在车身结构设计前期应用SFE及拓扑优化进行车身性能初步分析的可行性。结论：SFE参数化模型与拓扑优化可以作为车身设计前期可靠的性能分析手段，可提前对车身性能进行评估，并可根据灵敏度提出具有针对性的优化建议，为后续车身设计中性能、重量与成本的平衡具有一定的指导意义。

关键词：SFE 拓扑优化 白车身 灵敏度 结构优化

Application of Sensitivity Analysis Based on SFE Parametric Model to Optimization of Body-in-White Torsion Performance

Liu Shanying，Ning Ziyun，Chen Zuxing

Abstract：Method： this paper constructs an SFE parameterized model and applies topology optimization methods to analyze the sensitivity of the body-in-white structure. Then， based on the body structure sensitivity analysis and the body section sensitivity analysis results， the program design and analysis verification are carried out to explore the feasibility of applying SFE and topology optimization to the preliminary analysis of body performance in the early stage of the body structure design. Conclusion： SFE parameterized model and topology optimization can be used as a reliable performance analysis method in the early stage of car body design. It can evaluate car body

performance in advance， and can propose targeted optimization suggestions based on sensitivity to provide performance， weight and cost in subsequent car body design. The balance has a certain guiding significance.

Key words：SFE， topology optimization， body-in-white， sensitivity， structural optimization

对于白车身系统开发来说，性能、成本、重量是开发的核心目标，但是三者关系复杂，即相互关联又相互矛盾。日趋严苛的油耗要求是车身重量的主要诉求，重量减少能带来油耗降

低、成本降低的显著效益。但消费者日益关注的性能及不断严苛的安全法规则驅使着车身性能需不断提高，安全、舒适度、操控耐久等则是车身性能的主要诉求[1]。性能的提升则意味着零件数量的增加、重量的增加、新技术的大量应用等等，相应的给成本与重量提出了较大的需求。因此车身开发面临着高性能、轻量化、低成本的挑战。传统的车身开发需要借助多轮CAE仿真分析及优化来达到较为合理的车身结构，整个过程会消耗较长周期。拓扑优化可以实现多目标的最优化设计，并拟合出精度很高的性能曲线（或曲面）[2]。在车身设计前期通过SFE参数化模型来获得不同性能要求、不同重量要求的白车身结构，并可直接输出工程化参考数据，指导车身结构设计，可使性能分析及优化工作提前，并提供具有可塑性高的车身结构设计方案。SFE及拓扑优化近年来逐步被应用在汽车车身设计领域，李铁柱[3]等应用拓扑优化手段识别到车身扭转性能敏感区域，通过对敏感区域进行针对性优化，以最少代价获得最高的性能要求。刘丹[4]等则通过拓扑优化手段分析车身不同搭接区域结构胶的敏感度，从而在关键区域使用结构胶来获得高扭转车身性能。本文则基于SFE软件对白车身的结构区域、车身截面进行拓扑优化分析，识别不同敏感参数，以指导后续车身结构开发扭转性能开发。 1 参数化模型构建

在设计初期，根据初版主断面、CAS面等输入信息，利用SFE Consept软件构建车型参数化模型，并设定参数可调的关键节点，便于后续拓扑优化分析时调节变量，同时，为了获得精度较高的计算结果，本文参数化模型网格尺寸设定为6mm。SFE参数化模型构建完成后输出灵敏度分析所需的模型数据。 2 灵敏度分析

灵敏度分析采用optistruct软件分析，导入SFE参数化模型后进行车身结构、车身截面的灵敏度分析。

2.1 结构灵敏度分析

结构灵敏度分析主要通过对模型图示梁、接头等结构进行刚性化的方式计算结构灵敏度，如图1。针对车身某一区域进行刚性处理，即刚度无限大，计算整车刚度模态的性能;通过与未刚性处理的整车刚度模态性能对比变化值，值越高，说明目前此区域刚度增大对整体刚度贡献大，需要合适的方法进行加强。计算方法为：

经过分析可知：（1）B、C、D柱接头灵敏度高，可以配合后续接头刚度分析、结构对标进行加强，以提高扭转刚度性能;（2）后纵梁、后地板横梁接头作用明显，可配合后续的截面分析进行加强，以提高扭转刚度性能;（3）影响最大的是D柱上下接头，一阶扭转模态的目标达成依靠这两个接头。提示可以通过着重加强上述3点相关结构来最大化的提高扭转性能。 2.2 截面灵敏度

截面灵敏度是指增加模型中的截面尺寸或增加接头搭接处的圆角尺寸，来分析对应的白车身刚度、模态的变化趋势，如图2。 本文分析可知：

（1）扭转刚度灵敏度：正效应（蓝色图示）：对扭转刚度具有正效应灵敏度高的主要是后大梁Z向截面尺寸、后大梁Y向截面尺寸、后地板上横梁搭接接头R角、D柱下接头R角。提示可以通过着重增加上述尺寸来最大提高扭转刚度;负效应（红色图示）：对扭转刚度具有负效应灵敏度高的主要是门槛梁内板Y向尺寸、后轮罩上加强板Z向尺寸。提示上述尺寸增加对扭转刚度提高无显著作用;如图3。

（2）扭转模态灵敏度：正效应（蓝色图示）：D柱内板截面尺寸、D柱下接头R角（或者加强D柱下接头）、后地板上横梁接头、后大梁截面Z向尺寸。提示可以通过着重增加上述尺寸来最大提高扭转模态;负效应（红色图示）：后轮罩上加强板截面Z向尺寸、C柱上接头加强板截面Y向尺寸。提示上述尺寸增加对扭转模态提高无显著作用;如图4。 3 性能提升方案设计及分析验证

为了验证上述车身结构灵敏度及车身截面灵敏度分析结果的可靠性，本文挑选灵敏度高的结果进行相应的方案设计，并验证优化后扭转性能提升情况。

如图5所示，挑选出结构灵敏度高的D柱上接头和C柱下接头进行方案优化。针对D柱上接头分析，改变D柱上内板工艺过孔位置可明显改善扭转性能且几乎无重量增加，如图5（方案1）;另外，增加D柱上接头内部撑板则可以最大化提升扭转性能，但同时会较大增加重量，如图6（方案2）。这两种方案均可在后续结构设计中应用，可以根据具体布置、成本考虑不同方案。

针对C柱下接头，通过改变C柱内板下部连接板的结构形状（增加截面尺寸）可以显著提升扭转性能，且增重不明显，如图7（方案1）;另外，可通过C柱下部腔体内部增加支撑板来显著提升扭转性能，但会增加零件重量，如图8（方案2）。两种方案均可在后续结构设计中应用，可以根据具体布置、成本考虑不同方案。 4 结语

本文基于SFE参数化模型，利用拓扑优化分析手段识别车身结构灵敏度及车身截面灵敏度，取得明确的灵敏度分析结果，并对灵敏度高的区域进行方案设计与分析验证，初步明确了该方法的可行性。总的来说，SFE参数化模型与拓扑优化是车身前期设计时较可靠的分析手段，弥补了前期CAE分析无法介入的空窗期，可以更早对车身性能进行仿真摸底，对车身前

期性能评估以及性能所对应的重量与成本评估具有重要的作用，并可根据灵敏度提出具有针对性的优化建议，指导后续车身结构设计。 参考文献：

[1] 王磊，刘莹，乔鑫.基于正向开发流程的车身轻量化设计[J].汽车工程学报.2015，5（6）：461-465.

[2] 张伟，侯文彬，胡平.基于拓扑优化的电动汽车白车身优化设计[J].湖南大学学报（自然科学版）.2014，41（10）：42-48.

[3] 李铁柱，华睿，黄维.基于拓扑优化的白车身扭转刚度性能设计[J].汽车实用技术.2019（17）：180-182.

[4] 劉丹，刘俊红，朱忠华，等.基于白车身静刚度的结构胶拓扑优化分析[J].汽车工程师.2019（9）：26-27.