OptiStruct在白车身设计：概念应用全解析

前言

轻量化是汽车发展的主要趋势之一，国内外研究人员对汽车轻量化 展开了大量的研究。统计表明，汽车重量每减轻 10%，燃油消耗量可降低 6% ~ 8%，碳排放降低 5% ~ 6%[1]。近些年拓扑优化在汽车轻量化设计中的应用越来越多，因为拓扑优化能够实现结构的高效设计。但是对于设计过程复杂多变的白车身而言，拓扑优化技术 在应用过程中，一直存在一个难题，就是如何对拓扑路径进行高效解读和验证，并在解读的路径基础上继续进行路径截面的设计优化。

本文利用功能强大的 OptiStruct 求解器，以车身的质量最轻作为优化目标，以车身强度、NVH 及安全性能作为约束条件，完成白车身的拓扑优化分析。通过对比分析拓扑结果，利用柔性建模技术，解读拓扑路径，并建立白车身三维实体概念模型 。进而利用尺寸优化和形状优化，完成白车身概念结构的断面优化设计，最终实现的白车身结构 的概念设计。整个优化流程如下图1所示：

图1 白车身概念设计优化流程

白车身结构拓扑优化

拓扑优化是一种在预定的设计空间中探寻最佳设计方案的概念性设计方法 。美国Altair公司 HyperWorks 仿真平台中的OptiStruct求解器，为仿真工程师提供了高效的拓扑优化工具。OptiStruct 中的拓扑优化采用了通用的变密度法，其基本思想是人为引入一种假想的密度可变材料，优化时以材料密度 为设计变量，并引入惩罚因子，把结构刚度和材料密度进行关联，最终将结构拓扑优化问题转换为材料的最优空间分布问题 。

白车身的结构性能是整车性能的重要载体。在车身概念设计阶段，综合考虑车身各方面结构性能对车身进行拓扑优化，找到最有效的载荷传递路径，提高车身性能和结构效率。为了找到最有效的载荷传递路径，在满足主要部件的空间布置前提下，应该最大化地拓展车身设计空间。在整车所包围的空间内，去除底盘件、动力总成 、轮胎包络 、乘客舱、行李舱所占据的部分，剩余部分的作为车身拓扑优化的设计空间。

以某平台车型的白车身的概念设计为例，分别对白车身进行单工况及多工况拓扑优化分析。典型的单工况的分析结果如下图2所示，依次为前碰、弯曲、扭转的拓扑结果。

图2 单工况拓扑结果

对于多工况优化分析，其实属于多目标优化范畴。在 OptiStruct 通过分配权重系数 ，将问题转化成单目标优化。由于多工况下，需要调整各工况的权重占比，下图 3 展示了两种不同权重分配方案下的多工况拓扑结果。

图3 多工况拓扑优化结果

白车身拓扑路径解读

将拓扑结果在HyperView中打开，利用ISO工具进行工程解读。由于工况及其组合种类多，本文仅以下车体部分拓扑结果为例，说明拓扑路径的解读过程。部分工况的下车体拓扑结果如图4所示。

图4 下车体拓扑结果

对路径进行工程解读，如下图 5 所示：

图5 下车体路径解读

上述解读方案，需要同时考虑底盘的布置，如电池包、传动、悬架等。方案解读后，对概念模型进行仿真分析，分析工况包括基本的刚度工况和简化的碰撞工况，用于初步的方案对比和筛选。

拓扑路径断面设计

经过上述的拓扑优化、路径解读及方案筛选分析，基本确定了白车身主要的有效传力路径。下一步是如何解决路径断面设计的问题。

在概念阶段，基于车身力学性能 的角度出发，optistruct拓扑优化基本断面设计内容包括：形状设计、板厚设计和材质选择。目前常见的处理方法是，将主要的传力路径简化成一维梁单元，把梁单元直径或边长作为变量，进行参数优化，获得断面最优截面属性。但是该方法建立的简化车身骨架模型 对接头刚度比较敏感，而且骨架模型的碰撞结果精度较低。

本文采用三维壳单元模拟传力路径，车身骨架有限元模型如图6所示。

图6 车身骨架模型

分别建立车身路径的属性卡片，定义分析工况，利用gauge面板，建立板厚变量。再利用shape面板，完成关键区域形状变量的创建，在定义形状变量前，首先利用 morph工具创建形状变量。约束条件为各工况下的性能要求，优化目标为质量最轻，在完成优化设置后，提交OptiStruct进行全局多工况优化计算，经过多次更新初始变量值，最终可获得多个优化方案。如下图7所示，为所有方案中的一组板厚组合优化 解。图8显示了典型路径属性的断面位置，属性结果及对比见表一。

图7 优化结果

图8 典型截面位置

结果分析与讨论

通过拓扑优化和断面优化，基于性能要求获得断面基本属性，经对比属性数据可知，优化结果和参考车型的断面属性整体变化趋势一致，但绝对数值仍存在一定差异。其中原因包括模型简化、工况识别等。例如模型未考虑顶盖、地板、开闭件等的作用，同时碰撞工况采用简化模型引起的误差也比较大。在后续研究中，需要进一步完善模型，为详细设计 提供更有效的参考。

表一 断面属性结果及对比

结论

optistruct优化分析在白车身的概念设计阶段，利用OptiStruct 拓扑优化方法 ，获得白车身拓扑优化路径，并提出采用三维壳单元模拟传力路径，采用尺寸及形状优化，进一步实现断面的参数优化。每轮优化均以性能目标为约束条件，以质量最轻为优化目标，确保结构设计沿着既定目标逐步进行，最终获得白车身的概念结构。

1、 OptiStruct中的拓扑优化方法是寻找白车身传力路径的高效工具；

2、 基于三维壳单元模型，联合尺寸、形状优化，有效地解决路径截面的优化问题；

3、 OptiStruct求解器准确高效，是结构优化的最佳选择 ；