基于SFE模型的白车身性能优化

张福路，李铁柱，华睿，李华伟



基于SFE模型的白车身性能优化

张福路，李铁柱，华睿，李华伟

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

文章介绍了在整车开发过程中的概念设计阶段，应用SFE参数化设计软件建立相应的3D模型与有限元模型。并进行了相应的分析优化，提升了白车身的刚度性能，降低了白车身的重量。通过全参数化SFE模型的应用，优化了汽车开发流程，缩短了开发周期。

SFE模型；参数化；白车身；刚度性能；重量

引言

2017年我国汽车销量达到了2887多万辆，位居世界第一。随着国民经济的快速发展，国民生活水平的日益提高，汽车在人们的生活中扮演的角色愈加重要。低油耗、高性能、更好的舒适性，是用户对汽车产品一致需求。据研究标明，轿车每减重10%，燃油消耗降低6%～8%。各汽车主机厂为响应国家发展节约型社会的号召，不断提高用户满意度，努力降低白车身重量，降低汽车的油耗与排放，已成为汽车研发过程中的重要项目。

白车身结构复杂，设计开发过程周期长、成本高，开发过程中问题较多，是汽车研发过程中的一项重大挑战。在传统的开发流程下，结构设计初期，无法有效识别车身性能问题，致使留下隐患。本文采用SFE全参数模型，在白车身概念设计阶段对车身性能、重量进行优化，以实现降低白车身重量，提升白车身性能，缩短开发周期的目标

1 基于SFE模型分析驱动结构设计的流程优化

汽车车身传统的开发流程为造型设计、概念设计、CAD数据详细设计、CAE分析。传统的概念设计阶段，主要是依据白车身设计人员的工作经验进行结构上的断面设计，并对造型可行性、车身布置、工艺约束进行初步的确认，无法对白车身的重量及性能问题进行有效的识别与优化。往往只能是在完成详细的3D数据后，统计车身重量，并通过CAE分析识别相关性能问题，进而进行结构优化。性能问题发现较晚带来的风险就是车身CAD数据制作、造型开发、车身布置等相关工作的反复，拖慢了整车项目的进度，增大了研发周期。

基于性能分析驱动结构设计的理念，优化白车身开发流程，在概念设计阶段，就通过SFE软件，建立全参数化模型，对白车身相关性能及重量进行初步的识别与优化，从而指导车身设计人员开展断面设计、CAD数据详细设计工作的开展。

2 全参数化SFE模型的建立

本文研究应用的分析模型是使用全参数化建模软件SFE构件的一种隐式全参数化模型，主要按照点-线-面-梁-接头的顺序快速完成模型构建。单个模型的几何形状采用控制点的位置、线曲率和截面形状三个参数构成。可以构成车身结构中的覆盖件、梁单元、结构加强件等模型。同时，通过Map建立模型间的拓扑关系，实现模型装配的参数化。因此，通过点、线、断面控制单个模型的几何形状。当单个模型的几何形状发生调整时，因为装配关系的参数化，与之相连的模型也会改变。而不像其他CAD软件，需要逐个修改与之相邻的部件。下图所示：即为某SUV车型SFE全参数化模型的建立。通过全参数化模型的建立，结构设计工程师可以方便的创建和调整车身结构和拓扑关系。这非常有利于车身开发前期结构改变大、多方案灵活处理的需求。

图1 SFE全参数化模型建立

3 SFE有限元模型的建立与分析

传统有限元模型的建立是在完整的CAD模型建立之后进行的，而且需要对CAD模型进行大量的前处理工作。传统有限元模型建立时间较长，效率低下。而SFE软件可以在无详细CAD数据模型的支撑下，直接利用全参数模型创建有限元模型。且车身结构中的连接元素（焊点、焊缝、和结构胶等连接方式）可以自动生成，并可以根据几何模型的修改自适应调整。

传统有限元模型在CAD数据更新后，无法自动更新，需要根据新的CAD模型重新制作有限元模型。采用SFE全参数化模型，当几何模型改变时，有限元模型可以实现实时更新。极大的缩短了有限元模型建模时间。

车身的模态、弯曲刚度和扭转刚度是车身结构的重要力学性能，这三个指标反映了车身结构最基本的静动态特性。对SFE有限元模型进行分析，得出相关结果如下表。从分析可以看出，该车身概念方案超重约10kg，且车身扭转刚度、基频、一阶扭转模态也均未达到目标值。

图2 分析模型

表1 刚度性能Base分析值

4 灵敏度分析

车身系统的刚度性能是由构成车身系统每个零部件的属性（材质、厚度、尺寸等）决定的，但每个零部件及相应的属性对车身系统性能的影响程度大小不一。调整不同零部件同样大小的属性参数，车身性能变化不一。通过灵敏度分析可以有效识别哪些零部件及参数对车身性能有较大的影响。

通过灵敏度分析的方法，分别识别出对扭转刚度、弯曲刚度、基频、一阶扭转模态、一阶弯曲模态影响最大的零件,并进行优化。如下图所示。

图3 灵敏度分析结果（1）

通过钣金灵敏度的分析方法，依照对性能影响程度对钣金料厚进行排序，针对灵敏度不高的部件进行轻量化设计。经过梳理和确认可对39个钣金件进行方案减薄。如下图所示。

图4 灵敏度分析结果（2）

5 优化方案与分析验证

通过灵敏度分析，识别出了后纵梁断面、C柱下连接点铰接结构、B柱下连接点铰接结构、A柱下连接点铰接结构、后地板横梁两端连接点铰接结构、D柱下连接点铰接结构、D柱上连接点铰接结构为性能高灵敏区域，故针对以上区域进行了针对性优化。

优化方案具体为：1、对后纵梁断面尺寸及零部件厚度进行增加；2、对C柱下铰接点增加了连接支架；3、对B柱下铰接点、A柱下铰接点增加了焊点连接、4、优化了后地板横梁两端铰接板的型面及搭接结构；5、在D柱下铰接点内部增加了连接支架；6、优化了D柱上铰接点内部加强板的型面及搭接结构。

通过对性能优化方案及轻量化方案的验证分析，白车身重量、扭转刚度、基频、一阶扭转模态均达到目标要求。具体分析结果如下表。

表2 刚度性能优化分析值

6 总结

本文通过对白车身开发流程的优化，采用性能分析驱动结构设计的理念，在概念设计阶段，应用全参数化SFE模型对某汽车白车身进行了分析优化的相关工作,并取得了显著的效果，达成了相应的目标。在整车项目开发中具有一定的实际意义和应用价值。

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Optimization of body-in-white performance based on SFE model

Zhang Fulu, Li Tiezhu, Hua Rui, Li Huawei

（Jianghuai Automobile Co. Ltd, Anhui Hefei 230601）

This paper introduces the conceptual design stage in the whole vehicle development process, and uses the SFE parametric design software to establish the corresponding 3D model and finite element model.And the corresponding analysis and optimization have been carried out to improve the rigidity of the body-in-white and reduce the weight of the body-in-white.Through the application of the fully parameterized SFE model, the vehicle development process is optimized and the development cycle is shortened.

SFE model; Parameterized; body-in-white; stiffness performance; weight

B

1671-7988(2018)24-228-03

U462

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1671-7988(2018)24-228-03

U462

张福路，男，2011年毕业合肥工业大学、学士学位、工程师，就职于安徽江淮汽车技术中心，主要从事乘用车车身设计工作。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.24.082