基于全参数化模型的上车身结构优化设计

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针对某轿车上车身在概念设计阶段进行结构优化设计。首先，通过SFE CONCEPT软件创建上车身全参数化模型，将SFE模型生成的网格与下车身CATIA数据网格进行耦合，得到白车身有限元模型，并进行白车身刚度、模态分析；接着，利用白车身网格和其他整车系统网格，创建整车有限元模型并进行小偏置碰、顶压和侧碰等安全工况分析；最后，利用拓扑优化、截面优化等手段，优化车身的刚度及模态性能，同时结合碰撞结果进行安全工况的优化。基于全参数化概念模型，提早开始CAE分析工作，综合识别车身结构刚度、模态、碰撞等问题并优化达标，在仅增重3.4 kg（0.91%）的前提下，车身扭转刚度提升3980 N·m/°，顶压工况最大顶压力优化后达到整车重量的4.76倍，小偏置工况乘员舱最大侵入量优化后下降约13%，侧碰工况生存空间优化后提高73%，B柱对应腹部侵入速度下降12.8%，前门对应腰部侵入速度下降12%。

模型搭建

因为这里是基于某成熟架构开发的轿车，其下车体已具备网格模型。故只创建上车身的SFE模型，然后将上车身SFE模型网格与下车体网格进行耦合，得到全参数化白车身网格模型。

基于全参数化车身网格模型，按照如表1所示的性能分析项清单，进行性能分析及优化，最终输出一个性能满足目标的上车身几何模型，指导车身设计部门进行详细数据制作，以达到仿真驱动设计的目标。

表1 全参数化车身分析项清单

上车身全参数化模型搭建

传统的参数化建模多为显式参数化建模技术，即利用Morph工具对有限元网格进行改变。虽然部分建模软件提供了“Remesh”功能，但因其是利用结构参数作为输入，而非用数学关系来定义结构模型，从而很难实线较大的几何变形和零件间复杂装配关系的更新，导致变形后的网格质量较差。SFE CONCEPT软件利用隐式参数化建模方法，单个模型几何形状由3种类型参数控制：基点、基线和截面。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，与其相关的所有几何体都会产生相应变化。参数化模型搭建完成后，赋予其材料属性，通过网格划分功能生成有限元模型并进行相应的性能分析。

利用SFE CONCEPT软件，基于造型CAS、上车身主断面、止口数据和参考结构，创建某架构轿车上车身的全参数化模型，为提高建模效率，建模中忽视了工艺孔、减重孔等特征，如图所示。

图上车身SFE模型

上、下车身网格耦合

将上车身SFE模型生成的网格，按照上下车身连接规范，在有限元前处理软件ANSA中进行模型耦合，得到分析优化用的白车身网格模型，如图所示。

图上、下车身网格耦合

上车身的结构影响小偏置碰、顶压、侧碰、NVH和扭转刚度等多个性能，是多学科的耦合问题，为得到整体最优结果，按照主要影响性能的不同，将上车身分为三个区域，分别是：1、A柱+门槛+B柱区域；2、天窗+顶盖横梁区域；3、C环+衣帽架+后围区域。采用分区域分工况的策略进行优化，如图所示。

图上车身分区域分工况优化

车身结构性能初始分析

扭转刚度

车身扭转刚度分析边界条件如图5所示，固定左后减震器弹簧安装点的123自由度，右后减震器安装点的13自由度，以及前保险杠中点的Z向平动自由度，并在左右前减震器弹簧的安装点上施加大小为2000 N·m的扭矩，即施加方向相反、大小为F=2000/L的力，其中，L是左右前减震器的两个安装点的Y向距离。

图扭转刚度分析边界条件

利用Optistruct求解器计算车身扭转刚度，得到白车身扭转刚度的初始分析结果为22930 N·m/°，距离目标值25000 N·m/°还有一定的距离，需对结构进行优化。

NVH性能

车身模态作为车身结构的固有振动特性，每一阶模态有固定的振动频率、阻尼比和模态振型。对于上车身结构来讲，一阶扭转模态、顶盖前、后横梁模态、风挡下横梁模态、流水槽模态和衣帽架模态是需要重点关注的对象。因为汽车在行驶过程中，上述模态频率如果偏低的话，很容易被路面或发动机的激励激发出来，导致车内乘客感觉车身抖动、噪声等NVH问题，所以对于控制整车的发动机噪声、路面噪声等问题，车身模态是基础。对于车身NVH问题，在概念设计阶段，需重点考虑车身框架结构和截面尺寸的设计。

白车身模态分析采用兰索士法，无约束自由状态，分析频率范围为0～100Hz，求解器采用的是Optistruct软件。分析得到的与上车身相关的关键模态频率值如表2所示，从表中可以看出：一阶扭转模态、顶盖前横梁模态、顶盖后横梁模态的初始分析结果不满足目标值要求，需对结构进行优化。

表2 上车身关键模态初始分析结果

序号	分析项	目标值/Hz	初始结果/Hz
1	一阶扭转模态	49	47.3
2	顶盖前横梁模态	53	50.8
3	顶盖后横梁模态	75	52
4	风挡下横梁模态	70	72
5	流水槽模态	83	88
6	衣帽架模态	85	70

碰撞分析

体现汽车品质很重要的一个因素就是被动安全，而和上车身密切相关的三个工况就是小偏置碰、顶压和侧碰。创建上述三个工况的整车碰撞分析模型，并利用Ls-Dyna软件进行求解，仿真结果如图所示。对于小偏置工况，A立柱底部及门槛变形较为严重；对于侧碰工况，B柱下端及门槛变形较大，侵入速度超标；对于顶压工况，初始结构仅仅能4.2倍整车重量的顶压力，未达到4.4倍的目标值。从分析结果可以看出，后续的重点优化对象为A柱、B柱和门槛结构。

图碰撞工况初始分析结果

结构优化

拓扑优化

根据总布置空间要求，创建上车身包络空间，采用六面体实体网格划分，将该实体单元设为拓扑优化的设计变量，以白车身扭转刚度大于25000N·m/°为优化约束，车身重量最轻作为优化目标，进行上车身的拓扑优化分析。采用Hypermesh软件进行拓扑优化分析模型的搭建，如图所示。

图拓扑优化分析模型

基于工程经验对拓扑优化结果进行工程可实施方案解读，并利用SFE CONCEPT软件快速建模的优势，对解读出来的大量不同优化方案进行验证。综合考虑质量、成本、总布置、造型等因素，得到9个工程可实施的性价比高的优化方案，如表3所示。

表3 拓扑优化结果解读

优化前后的车身扭转刚度对比如表4所示，从表中可以看出，利用拓扑优化手段，在仅仅增重3.4 kg（0.91%）的前提下，车身扭转刚度提升3980N·m/°，提升效果显著。

表4 车身扭转刚度优化前后对比

模态优化

针对车身前、后横梁模态以及衣帽架模态的优化问题，因概念设计阶段的总布置等方案还没有冻结，首先考虑的优化方案就是增大结构的截面或增加必要的传力路径，这样付出的重量代价最小，且效果提升明显。

针对车身模态优化问题，提出如图所示的优化方案，包括：

1. 增大顶盖前横梁截面的Z向尺寸18mm；

2. 增大顶盖后横梁截面的Z向尺寸11mm；

3. 在衣帽架大面上增加两根支撑梁，料厚为0.7mm。

图顶盖前、后横梁和衣帽架模态优化方案

上文拓扑优化方案，在提高车身扭转刚度的同时，也会有利于车身模态的提升。经过优化后的车身模态结果如表5所示，从表中可以看出：优化后的上车身关键模态频率值均已达标，为后续的整车的NVH目标达成，奠定了坚实的基础。

表5 上车身关键控制模态优化前后结果对比

序号	分析项	目标值/Hz	初始结果/Hz	优化结果/Hz
1	一阶扭转模态	49	47.3	49.5
2	顶盖前横梁模态	53	50.8	54.8
3	顶盖后横梁模态	75	52	76.8
4	风挡下横梁模态	70	72	71.8
5	流水槽模态	83	88	86.8
6	衣帽架模态	85	70	85.2

碰撞优化

针对车身结构问题，优化方案如图9所示，包括：

(a) 延长A柱加强件的长度，一直到B柱后；

(b) 将B柱内加强Patch板长度延长112 mm，加强对B柱根部的支撑；

(d) 在A立柱根部增加一个加强件；门槛梁前部增加一个加强板；

(e) 将B柱内板的料厚从1.9 mm变为2.4 mm；B柱内加强Patch板料厚从1.2 mm变为1.4 mm。

图碰撞工况优化方案

通过优化，小偏置工况的侵入量改善明显，达到目标值要求，变形如图所示。

图优化后小偏置工况变形图

乘员舱各位置处侵入量优化前后的对比，如表6所示。从表中可以看出：通过优化，最大侵入量降低13%，门槛、A柱上铰链、上仪表板、左下方仪表板等位置的侵入量均已达标。

表6 乘员舱各位置处侵入量优化前后对比

侧碰工况侵入量和生存空间经过优化均满足要求，变形图和生存空间图如图所示。

图优化后侧碰变形图和生存空间图

侧碰关键指标优化前后对比，如表7所示。从表中可以看出：通过优化，生存空间提升73%，B柱对应腹部侵入速度下降12.8%，前门对应腰部侵入速度下降12%。

表7 侧碰关键指标优化前后对比

顶压工况最大顶压力优化后达到整车重量的4.76倍，满足4.4倍的目标要求，顶压力曲线图如图所示。

图顶压力曲线图

来源：机电君

基于Ansys LS-DYNA的推力球轴承早期故障状态研究

滚动轴承是支承旋转轴的关键部件，它具有装配方便、效率高、易润滑等优点，它的运行状态往往直接影响到整台机器的精度、可靠性及寿命等。推力球轴承是一种广泛使用的滚动轴承，其往往出现在重要设备的关键部位，研究其早期故障状态特征，对于开展故障诊断，甚至回避重大事故提供了理论支撑。以推力球轴承51206为例，在综合考虑轴承工作时的边界条件、摩擦润滑、零件接触等情况基础上，在 ANSYS/LS-Dyna环境中建立并求解有限元模型。通过与正常轴承求解结果的对比研究故障特征。显式动力学基本控制方程通常，显式动力控制方程为：有限元模型设置本案例选用推力球轴承51206进行分析计算，该轴承各部结构尺寸如表1所示。表1 推力球轴承51206基本机构尺寸轴承模型的简化与建立：为简化有限元模型以利与计算，案例给出简化原则：a) 忽略轴承倒角、圆角等细小特征在轴承实际运转过程中，该类细小特征的局部应力应变位移等均不大，且对整体结果影响也很小。b) 忽略润滑油紊流对力学性能的影响轴承运转过程中润滑油的紊流作用并不强，故忽略润滑剂对轴承动力学性能的影响。c) 不考虑材料塑性变形工况中，轴承材料的塑性变形微乎其微，故不考虑材料非线性。故障特征、材料、网格及边界条件的设定滚动轴承早期故障以点蚀故障为主。案例在轴承51206座圈滚道中心处设置直径1mm的点蚀凹坑以模拟故障特征。该类轴承各零件材料为GCr15，密度7830kg/m3、弹性模量2.06e11Pa、泊松比0.3且各向同性。在考虑轴承的运转、加载、接触、边界条件等基础上，案例使用SOLID164单元划分实体，使用SHELL163单元划分载荷面，为避免求解过程中可能产生的沙漏现象，对壳单元选择全积分算法求解。在划分方法上，根据实体模型的不同，采用自由网格划分与扫略网格划分方法。因轴圈、座圈形状规则，采用扫略网格划分；滚动体则采用自由网格划分；因故障轴承滚动体凹坑的存在，细化凹坑周围的网格以提高解算精度。推力轴承在运转过程，座圈与机架接触面固定，轴圈转动，载荷施加在轴圈外表面与轴肩的接触面上。因此，在实体模型设置上将轴圈加载面、座圈固定面与外表面分离。使用SHELL163壳单元划分表面网格，约束固定面上节点的所有自由度，仅保留载荷面上加载方向的自由度。接触及载荷设定轴承51206运转过程中主要存在2对接触，分别是座圈滚道与滚动体接触，轴圈滚道与滚动体接触。该两种接触的静摩擦系数为0.35，动摩擦系数为0.16。在 ANSYS/LS-DYNA中设置轴承各部为part，设定2组接触对接触类型为自动面面接触。综合轴承运转实际工况，依据国家标准，设定轴圈载荷28KPa加载于轴圈载荷面，同时轴圈转速1797r/min。轴承实体与有限元模型解算设定计算轴承运转基频：后处理及分析对比为方便后处理，选用LS-PERPOST作为后处理软件。对比正常与故障轴承的座圈、滚动体，轴圈应力云图，可得如下结论：1）无论正常、故障状态，轴承座圈、轴圈以及滚动体上的应力集中主要分布在零件的结合部上；2）正常与故障状态轴承，在零件接触应力集中区域大小无明显差异。正常与故障轴承等效应力云图对比分别选取正常和故障轴承8564号、7396号单元节点绘制其轴向位移与等效应力曲线，该两节点分别位于正常与故障轴承滚道与滚动体的接触位置处。正常与故障轴承关键节点位移、等效应力曲线对比对比两节点位移、等效应力曲线，可以得出如下结论： 0.00 0.01 0.02 0.03 0.04 时间 t/s (d) 故障轴承滚动体节点等效应力1）由于故障凹坑的存在，正常轴承节点位移的幅值大于故障轴承； 0.05 2）正常轴承节点位移为较为规则的谐波，其成分简单，故障轴承节点位移无明显规律，其成分相对复杂； 3）正常轴承节点等效应力峰值的出现存在明显的周期，故障轴承节点等效应力峰值也存在周期规律，该周期与正常轴承相同； 4）正常轴承等效应力曲线各峰值大小差异较小，故障轴承由于故障凹坑的存在，其等效应力曲线存在一次明显的大峰值表示冲击； 5）故障轴承节点应力峰值大于正常轴承。结束语案例在ANSYS/LS-DYNA显式动力分析环境中，选择推力球轴承51206为对象，通过设置点蚀凹坑模拟早期故障，充分对比分析了正常与故障轴承在应力云图，接触节点位移、等效应力曲线，总结出异同结论。证明了ANSYS/LS-DYNA显式动力分析对推力球轴承早期故障模拟是可行的。网络整理，仅限内部分享，禁止商用来源：机电君