唐 辉，门永新，毛雪峰，彭 鸿，朱贞英

(1.浙江吉利汽车研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽车安全技术重点实验室,杭州 311228； 3.思菲软件(上海)有限公司，上海 201101)

前言

解决综合性能有效开发和整体工作时间缩短的矛盾，其核心和根本解决方案是充分运用计算机辅助工程(CAE)技术，权衡各项性能和利用仿真优化方法实现车型的高效开发[1]。

本文中结合吉利车型研发特点，在新车型概念设计阶段运用参数化技术，对车型的模态、刚度和碰撞安全等性能进行预先评估和迭代优化，为车身设计提供重要参考，保障整车开发品质。实现CAE驱动设计，提升自主品牌新车型的核心竞争力。

1 工具与方法

1.1 隐式参数化技术

参数化模型为隐式参数化模型，单个模型几何形状由3种类型参数控制，其中包括控制点位置、线曲率和截面形状，系统级模型通过拓扑关系相连接，一旦修改上述的任一参数，与其相关联的所有几何体都会产生相应变化[2-5]。

隐式参数化技术根据车身结构初始状态的有限元模型或几何模型，建立几何结构一致的参数化模型，该模型有两个功能：第一，模型结构具有全参数化功能，几何结构的位置、尺寸和形状等可以任意改变，能记录改变的过程并保存为设计变量；第二，几何结构发生改变的参数化模型可以生产几何结构相同并满足网格质量要求的有限元模型。基于上述功能，隐式参数化技术成为车身结构设计优化的有利工具。

1.2 参数化车身概念开发

在概念开发阶段，设计部门只能提供车型设计参数和预估的模型结构以及参考车型等少量信息，车身设计往往处于概念状态，按照常规CAE分析方法，因无法构建供分析所需的有限元模型，使CAE分析滞后于设计，不能及时了解整车性能表现，增加产品重复设计和修改风险，不利于开发周期的控制。

为解决上述问题，充分运用隐式参数化技术，将设计构思快速转换成有限元模型，把常规CAE分析提前介入概念开发阶段，实现整车性能的全面掌控。结合车型研发特点，制定了基于隐式参数化的车身概念开发流程，如图1所示。

第1阶段(分块拼装) 根据早期离散数据建立初版SFEC模型，进行各项性能的预研分析，为外表造型和设计人员提供早期性能评估依据，确定设计方向。

第2阶段(基础构建) 根据前期模型、内外CAS(concept a surface)面和早期CAD数据，快速完成拟合及整体拓扑工作，对各项性能进行分析；为下一步局部结构、尺寸和厚度的设计提供详尽的数据支撑。

第3阶段(性能优化) 配合CAD数据实时更新模型，开展局部拓扑结构方案优化；通过零部件厚度灵敏度分析，进行模态、刚度和碰撞等性能综合优化，保障模态频率和刚度，逐步优化白车身构架耐撞性，并实现结构轻量化。

2 概念车身的实现

2.1 参数化模型要素

根据车型设计参数(白车身下车体数据、shotgun结构)和预估的模型结构(某车型的后轮毂包结构、某车型的白车身上车体结构、某车型的造型、某车型的后横梁结构和某车型的侧围结构)，在SFE Concept软件中建立白车身和四门两盖的参数化模型，如图2所示。

2.2 参数化模型与有限元模型的耦合

为更合理掌握开发车型的碰撞安全性能，构建了较为完整的整车模型。通过借用类似车型的前后悬架总成、动力总成、散热器总成和座椅总成等有限元模型，与白车身、四门两盖参数化模型进行耦合，构建碰撞所需的整车有限元模型。

模型耦合过程中，为实现碰撞结果数据的自动化处理，设置了具有特定编号的弹簧单元和加速度传感器单元，以便后处理中能快速获取车身侵入量和整车位移、速度及加速度曲线。在白车身参数化模型中，为基点和曲面建立特定编号，如图3所示，为测量位移的弹簧单元和测量加速度的传感器设定固定的编码。

2.3 CAS拟合和CAD更新

在造型部门的内外CAS数据出来后，进行白车身和四门两盖参数化模型拟合，如图4所示，并根据新的CAD数据更新白车身内部结构和发动机罩，更新前后参数化模型对比如图5所示。

3 性能开发优化

3.1 性能目标

本车型概念开发阶段主要考察模态、刚度和碰撞安全性能，其性能指标不但包括了白车身和四门两盖的1阶扭转、1阶弯曲、弯曲刚度和扭转刚度，同时还包括整车碰撞的最大加速度、防火墙和仪表板横梁侵入量等。

3.2 优化步骤

按照研发流程，第1阶段考察零散数据拼凑车型的整车性能，对整车性能进行初步的评估，为设计部门提供重要信息。第2阶段在CAS数据和部分CAD数据的输入后，再次评估整车性能，结果反馈至设计部门。第3阶段在进行CAD数据更新的同时，进行灵敏度分析、白车身和四门两盖模态刚度分析、整车碰撞分析，为设计提供满足整车性能和轻量化目标的合理化建议。

3.3 结果讨论

第1阶段 白车身1阶扭转模态为34Hz(不满足目标)，1阶弯曲模态等于目标值40Hz；弯曲刚度为12 776N·m/(°)(不满足目标)，扭转刚度为11 294N/mm(不满足目标)。100%正面碰撞整车加速度峰值为44g(满足目标)，防火墙侵入量满足目标，仪表板侵入量部分超出目标值；40%偏置碰撞整车加速度峰值为43g(满足目标)，防火墙和仪表板横梁侵入量较大。该状态下白车身质量为301kg。分析结果表明，须对前纵梁结构、后地板结构和后纵梁结构进行优化。

第2阶段 白车身1阶扭转模态为40Hz(满足目标)，1阶弯曲模态为55Hz(满足目标)；弯曲刚度为14 752N·m/(°)(满足目标)，扭转刚度为15 592N/mm(满足目标)。100%正面碰撞整车加速度峰值为44g(满足目标)，防火墙侵入量满足目标，仪表板侵入量部分超出目标值较多；40%偏置碰撞整车加速度峰值为59g(不满足目标)，防火墙和仪表板横梁侵入量略微超出目标值。该状态下白车身质量为287kg。分析结果认为须优化发动机舱、地板、B柱和后纵梁的变形模式。

第3阶段 根据上一阶段分析结果，进行基于模态和刚度的贡献量与敏感度分析，在Isight平台中搭建DOE试验流程，如图6所示。获取可用于提高扭转模态性能的零件4个,见图7，可用于提高弯曲模态性能的零件4个，见图8，可用于提高刚度性能的零件24个和在不影响刚度的情况下可用于减质量的零件40个，如表1所示。

基于上述参数化模型的模态刚度分析结果，白车身1阶扭转模态、1阶弯曲模态、弯曲刚度均达标，扭转刚度略低于目标值，如图9、图10和表2所示。发动机罩和后背门1阶模态分别为59和35Hz，满足要求，车门第1阶模态频率为42Hz，不满足目标，如图11～图13所示。

基于上述参数化模型的整车耐撞性分析结果：100%正面碰撞中仪表板横梁侵入量较大；40%偏置碰撞整车加速度峰值偏高、防火墙侵入量少量超标；侧面碰撞中车门及B柱侵入量考察点均超过目标值；后面碰撞中后纵梁结构较弱、变形偏大，如图14～图17所示。

提高刚度(24个)轻量化(40个)PIDMASST/MB/MTPIDMASST/MB/MT391443100742116123915611023021141039140412042653073911611040750208…………………………391146103007662539147600651600812

注：①PID为零件ID号；②MASS为该件质量对整车质量贡献率；③T/M为该件质量对扭转刚度的贡献率与该件对质量贡献率的比值；④B/M为该件质量对弯曲刚度的贡献率与该件对质量贡献率的比值；⑤T为该件当前厚度(mm)。

指标1阶扭转/Hz1阶弯曲/Hz弯曲刚度/(N·m/(°))扭转刚度/(N/mm)白车身质量/kg第3阶段结果405414339123152675

因此，根据模态、刚度和碰撞安全性结果，模型需要进一步优化。下一步工作将开展优化车身材料布局分析、运用SFE Concept更改碰撞安全关键件的设计变量，通过设计变量的录制，使参数化模型根据变量自动生成对应的有限元模型，并进行DOE迭代优化，获取满足各性能要求的最佳方案。

4 结论

在新车型概念开发阶段，引入隐式参数化技术，快速评估研发车型的模态、刚度和碰撞安全性，兼顾轻量化要求对车身结构进行参数优化，实现CAE驱动设计，为设计部门提供重要的整车性能信息和车身设计方向。

该隐式参数化技术已成功应用于多款吉利车型的开发，对于创建具有吉利特色的自主车型研发体系、提升品牌形象具有重要价值。

[1] Men Yongxin, Tang Hui, Peng Hong, et al. Comprehensive Performance Development of Geely Models And CAE Synergy Optimization Technologies[J]. Engineering Sciences,2014,16(1):23-35.

[2] SFE GmbH. SFE Concept Manual Handbook v4.2[G]. 2010, 2.

[3] Zhang Jiyou, Men Yongxin, Liu Shudan, et al. Optimization Design of Pedestrian Leg Impact Based on Parametric Technique[C]. The 16thConference of Automotive Safety Technology, 2013:576-581.

[4] 李楠,高卫民,戴轶.基于隐式参数化模型的车身结构优化设计[J].汽车工程,2008,30(10):857-860.

[5] Hilmann J, Paas M, Haenschke A, et al. Automatic Concept Model Generation for Optimisation and Robust Design of Passenger Cars[J]. Advances in Engineering Software,2007,38:795-801.