基于白車身靜剛度的結構膠拓撲優化分析

劉丹 劉俊紅 朱忠華 左樂 馬增輝

（江淮汽車股份有限公司技術中心）

車身結構必須具有足夠的彎曲剛度和扭轉剛度以抵抗各種載荷產生的變形[1]。主機廠在車身制造過程中使用車身結構膠，以提高車體的結構剛度性能，但是如何全面提升產品質量同時降低生產成本是各大主機廠亟待解決的問題。文章從提升車身靜剛度的角度出發，應用結構膠技術，利用OptiStruct 軟件對結構膠進行布置優化，在不降低剛度性能的前提下降低成本，并通過靜剛度臺架試驗驗證了優化方法的準確性。

1 結構膠在車身上的應用

結構膠技術是一種新興的技術，因結構膠強度高、抗剝離、耐沖擊、施工工藝簡便，其用于金屬、陶瓷、塑料、橡膠、木材等同種材料或者不同種材料之間的粘接，可部分代替焊接、鉚接、螺栓連接等傳統連接形式。使用該技術后，結合面應力分布均勻，對零件無變形影響[2]。

在車身連接薄弱的位置填充結構膠來增強部件之間的連接，可有效提升車身剛度，而且結構膠的質量很小，不會對車身質量造成很大的影響。結構膠通常填充在對車體結構強度要求高的焊接區域，如前圍區域、前后地板與上/下部框架搭接區域、后地板與后輪包搭接區域、側圍門洞區域等。文章初步設計了結構膠的布置方案，總長度約110 m，如圖1 所示。

圖1 白車身結構膠初始布置方案示意圖

利用Nastran 線性分析軟件，對有無結構膠的白車身模型進行彎曲扭轉剛度分析，分析結果如表1 所示。通過表1 可以看出，增加結構膠后，白車身彎曲剛度提升7.6%，扭轉剛度提升14.3%。為了節約成本，在不降低靜剛度性能的前提下，降低結構膠的用量，需要利用優化手段，對性能貢獻小或者幾乎無貢獻的結構膠進行識別[3]。

表1 有無結構膠白車身的剛度結果對比

2 基于白車身靜剛度的結構膠拓撲優化

拓撲優化用于在給定的設計空間中找到關鍵的載荷傳遞路徑。它一般用于概念設計階段，目的是在設計空間中最有效地分布材料（質量），故其是前期設計中有效的輕量化設計方法。拓撲優化常用的算法有均勻化法、變密度法和漸進結構優化法等。

拓撲優化中的關鍵步驟是：1）定義拓撲優化設計空間；2）定義載荷工況，優化目標和約束；3）解讀拓撲結果。

利用OptiStruct 軟件，對結構膠布置進行拓撲優化，進行如下定義。設計變量：為提升整車剛度所布置的結構膠；約束：體積分數小于30%；目標值：應變能最小。圖2 示出白車身結構膠拓撲優化結果。

圖2 白車身結構膠拓撲優化結果

從圖2 可以看出，紅色區域為整車剛度關鍵區域，需要保留。根據拓撲優化結果，重新設計結構膠布置區域，如圖3 所示。

圖3 白車身結構膠布置位置優化示意圖

結構膠布置長度由110 m 減少到70 m，結構膠用量下降36.4%，白車身彎曲剛度下降2.3%，扭轉剛度下降2.5%，靜剛度分析值略有下降但仍滿足要求。削減結構膠的區域主要為：中地板、頂蓋外板、前圍、頂棚區域等。結構膠布置位置優化前后白車身剛度的對比結果，如表2 所示。

表2 結構膠布置位置優化前后白車身剛度結果對比

3 試驗驗證

為了進一步驗證分析結果的準確性，需要對白車身進行靜剛度試驗。彎曲剛度試驗中，約束白車身前后懸架安裝點固定支撐座；扭轉剛度試驗中，約束后懸架安裝點固定支撐座，將前懸架兩側塔座安裝到能夠施加扭轉載荷的裝置上[4]。

試驗基本原理是通過施加預定載荷，測量車身各部位的變形量，利用相關公式計算得到其相應的彎曲或扭轉剛度值。

白車身靜剛度試驗結果情況，如表3 所示。通過試驗驗證，拓撲優化后的白車身靜剛度滿足項目性能目標定義的彎曲剛度大于19 000 N/mm、扭轉剛度大于14 000 N·mm/（°）的要求。

表3 白車身靜剛度試驗結果

4 結論

結構膠可在不增加整車質量的前提下大幅提升白車身靜剛度性能。利用OptiStruct 軟件，對結構膠布置進行優化，可以實現在滿足白車身靜剛度性能要求的前提下，減少結構膠用量，達到降低成本的目的，為白車身降成本開發以及輕量化研究提供了參考。文章僅從靜剛度單一設計變量出發進行優化，應全面考慮車身性能（如碰撞、強度、NVH 等），多學科優化設計能更好地解決此問題。