苏松松　吴龙质　罗茂康　黎谦

摘 要：敞篷车顶盖总成和部分侧围关键接头缺失导致扭转刚度较低的问题，论文以提升敞篷车扭转刚度为目的，通过有限元软件OptiStruct模块对敞篷车下车体空间进行拓扑分析，解析扭转工况车身拓扑传力路径，结合工程实际情况，提出在电池包底部增加抗扭管梁方案，且抗扭管梁与电池包螺栓连接，使得敞篷车身扭转刚度提升51.2%，效果显著。

关键词：敞篷车 扭转刚度 拓扑优化 抗扭管梁

Topology Optimization of the Cabriolet Floor Space for Body Stiffness

Su Songsong，Wu Longzhi，Luo Maokang，Li Qian

Abstract：In order to improve the torsional stiffness of the convertible， the topological analysis of the body space under the convertible is analyzed by the Finite Element Software OptiStruct module， the topological transmission path of the torsional working body is analyzed， and the scheme of adding the torsional pipe beam at the bottom of the battery pack is proposed in combination with the actual situation of the project， and the torsional pipe beam is bolted with the battery pack， which increases the torsional stiffness of the convertible body by 51.2%， which has a significant effect.

Key words：convertible， torsional stiffness， topology optimization， torsional pipe beam

1 引言

国家“双碳”目标对新能源汽车发展提出更高的需求，新能源乘用车渗透率近两年快速提升，目前已达到30%以上。为了满足消费者更多需求，新能源敞篷汽车顺应而生。

白车身侧围承受车顶和地板传给的力产生弯矩扭矩，侧围上的A柱、B柱、C柱、D柱是主要的受力件，只有当立柱、顶盖横梁、地板横梁在一个横断面上构成环结构时，才能有效的抵抗弯矩扭矩[1]；敞篷车相对于常规车，结构形式存在较大差异，车身整体骨架连续性被打断，导致车身扭转刚度性能急剧下降，而与刚度相关的操稳、凹凸路面车身抗变形能力、NVH以及疲劳耐久也将受到影响[2]。所以解决敞篷车扭转刚度低的问题，是敞篷车在开发设计中的基础重大问题。

拓扑优化是在给定的优化区间内，寻求结构基于设计目标的最优形状或材料分布的一种方法[3]。本文采用拓扑优化手段，寻找扭转工况下车身拓扑传力路径材料分布情况，依据拓扑结果寻找最优的设计方案是论文的研究重点；

2 白车身刚度分析

2.1 有限元建模

本敞篷车白车身刚度分析有限元模型包含部件有白车身总成（含防滚架总成）、前挡风玻璃以及电池包总成。将各总成导入Hypermesh前处理软件进行有限元网格划分，钣金采用壳体单元，网格大小8mm，螺栓、涂胶及烧焊采用相关对应单元模拟，各部件赋予对应材料与属性。

2.2 扭转刚度分析

敞篷车扭转刚度分析，左、右前悬中心加载沿Z向大小相同，方向相反的两个力，左侧加载沿+Z向，右侧沿-Z向，力的大小根据各车前悬中心Y向距离确定，即F=1345N.m/L，L为前悬中心的Y向距离；在前防撞梁中心处约束自由度3，后螺簧座中心处左侧约束自由度13，右侧约束自由度123。白车身扭转刚度工况边界约束如图2所示。

在进行白车身扭转刚度计算时，利用扭矩除以消除刚度位移的扭转角度，既可得到白车身的扭转刚度。计算公式如下：

K= （1）

公式中K为扭转刚度，F为施加在车身扭转载荷，L为车身前悬中心距，θ为消除刚度位移的扭转角度。

车身扭转角计算公式：

θ=atan（（Z1+Z2）/L1）-atan（（Z3+Z4）/L2） （2）

公式中Z1、Z2、Z3、Z4分别为前大梁左侧、前大梁右侧、后大梁左侧以及后大梁右侧测点Z向绝对位移，L1、L2分别为前悬后悬测点Y向距离。前大梁测点为左右加载点Z向投影到前大梁下表面Y向中点处节点，后大梁测点为后螺簧座约束点Z向投影到后大梁下表面Y向中点处节点。

2.3 刚度分析结果

将完成的有限元模型以fem文件形式导出，并导入到OptiStruct软件中计算结果，提取得到的白车身测点Z向扭转位移。计算结果如下表1：

由计算结果可以看出，敞篷车扭转刚度结果要远远低于常规车扭转刚度，相比常规车扭转刚度下降约70%，并且对比国外对标敞篷车也相差36.6%，扭转刚度性能较低，需进行优化提升。

造成敞篷车扭转刚度低下的原因，主要是敞篷车相对于传统常规车，敞篷车顶盖总成和部分侧围关键接头缺失（图4黄色框），造成车身关键接头被打断，没能形成闭环框架结构，而代替顶盖总成和侧围接头部分功能的软顶敞篷机构，不能為车身提供足够的刚度，造成敞篷车扭转刚度的大幅下降。

3 拓扑优化分析

3.1 拓扑优化

OptiStruct拓扑优化的材料模式采用变密度法（SIMP方法），即将有限元模型设计空间的每个单元“单元密度”作为设计变量。“单元密度”与结构的材料参数有关，在0～1之间连续取值，优化求解后单元密度为1（或靠近1）表示该单元位置处的材料很重要，需要保留；单元密度为0（或靠近0）表示该单元位置处的材料不重要，可以考虑去除，从而达到材料的高效利用，实现轻量化设计[4]。由此，变密度方法是将结构拓扑优化设计转化为材料在有限空间内的分布问题，具有较强的实用性、求解效率高等优点[5]。

敞篷车受限于敞篷机构影响，上车体关键接头缺失，导致上车体提升扭转刚度的设计空间比较小；本敞篷车型以下车体框架为拓扑优化设计空间，寻找增强白车身扭转刚度框架传递路径，并根据传递路径对结构进行解析和优化设计，设计空间如下图。

本敞篷车型以设计空间每个单元的密度作为设计变量，应变能最小做为优化目标，以体积分数V<0.3做为响应约束，制造约束最小成员尺寸60mm，最大成员尺寸120mm，并且设置Z向拔模约束，用OptiStruct求解器进行优化求解。

4 优化结果分析

4.1 拓扑优化结果分析

拓扑优化设计变量单元密度为1（或靠近1）材料保留，拓扑优化如下图结果显示，地板下方一条明显传递路径呈现X字型。

4.2 优化方案结果分析

根据拓扑结果，结合工程实际情况，对下车体底部车架结构进行优化更改，方案如下：

方案一：在电池包下方，增加两根X字型抗扭管梁，为避免方案造成离地间隙不足问题，管梁截面的结构形式是偏平状的椭圆；抗扭管梁中间交叉位置增加钣金烧焊连接，预防抗扭管梁钣金在实际使用过程中相互振动造成异响问题；与车身位置前点安装在雪橇支架上，后点车身增加一个安装支架。

方案二：在方案一的基础上，抗扭管梁与电池包吊耳位置采用螺栓连接，借助电池包结构传力路径进一步提升扭转刚度。

从优化方案一、二的结果看，方案一扭转刚度提升849N·m/deg，提升比例17.8%，重量增加5.5kg；方案二扭转刚度提升2437N·m/deg，提升比例51.2%，重量增加5.6kg，效果显著，主要原因是抗扭管梁与电池包的链接，借助电池包结构传力路径进一步提升扭转刚度。

4.3 方案验证

为验证方案二的有效性，对该方案二零件改制并进行白车身刚度试验，试验结果7770N·m/deg，較仿真值高570N·m/deg，方案实际效果更优、性价比较高。

5 结语

针对敞篷车车身没能形成闭环框架结构，对白车身刚度较低问题。本文考虑客观因素，运用拓扑优化手段对下车体开展的拓扑分析及优化，得出以下结论：

（1）以车身底部作为设计空间开展拓扑优化，传力路径较清晰，证明该方法有效的、科学的；

（2）根据拓扑优化结果，下车体地板下的X字形抗扭管梁结构对白车身扭转刚度有较大提升作用；

（3）X字形抗扭管梁与电池包增加链接关系，能进一步加强下车体框架结构刚度，扭转刚度会有显著提升，性价比很高。

参考文献：

[1]王银.基于环结构的某商用车车身结构优化设计[D].湘潭：湘潭大学硕士论文， 2018.

[2]吴利广，王晗景，立新，蒙启恩.某乘用车车身扭转刚度对操纵稳定性的影响[J].汽车工程师，2018（10）：46-47.

[3]雷正保，李铁侠，王瑞.纯电动汽车车身多目标拓扑优化设计[J].大连理工大学学报，2015（5）：484-491.

[4]洪清泉，赵康，张攀.OptiStruct&HyperStudy理论基础与工程应用[M].机械工程出版社.2013：25-26.

[5]王胜永，周美娟，李育文.新能源汽车车架结构拓扑优化初步设计[J].汽车实用技术，2018（13）：10-11，18.