【假一罚四】汽车碰撞拓扑优化及力流分析

1绪论

1.1概述

汽车车身是承受载荷和传递载荷的基本系统，车身结构的设计周期和成本将直接影响车型的市场价值，而车身结构设计的质量优劣则直接影响整车的寿命和各项性能[1.2]。传统的车身基本采用压制钢板、点焊连接形成整体结构的方法生产，骨架式车身是一种新型的车身结构形式[²，这种车身直接由骨架和蒙皮组成，许多文献指出[*6]：与传统车身结构相比，骨架式车身结构(Frame-type body structures)为更加合适的轻量化车身结构平台。

车身结构是轿车的承载基体，必须能够承受较重的驱动系统、转向系统等总成，还必须拥有足够的刚度、强度，能够合理地分散传递载荷，保证乘员的乘坐安全性，它是汽车碰撞事故中抵抗外界冲击、保证人员安全的最直接屏障(碰撞事故如图1.1所示）。虽然现有的汽车主动避撞系统在避免或减轻碰撞事故方面发挥了重要作用，但如何从车身设计角度提升被动安全性能仍旧是汽车设计领域最具挑战性的工程问题之一。

受限于计算方法和效率，早期关于车身结构碰撞安全性能的研究多是基于代理模型进行设计变量较少的尺寸形状优化[8.9]。这导致在车身概念设计阶段，仅考虑结构的刚度、强度、质量等静态性能，在详细设计阶段才考虑碰撞安全性能这种动态非线性问题。而此时由于结构的拓扑形态已经固化，仅通过尺寸形状优化，以及材料替换等手段进行结构改进及优化，难以获得保护人员安全的车身结构，因而只能迭代修改拓扑结构，直接影响设计周期和后期汽车安全性能。

本书以骨架式车身结构为例，探讨碰撞拓扑优化和力流分析方面的车身设计工作，为建立车身结构的设计流程和评价方法提供不可或缺的参考。

1.2汽车结构的发展及现状

1.2.1车身结构的承载形式

轿车车身按照承载形式的不同，可以分为非承载式车身与承载式车身。非承载式车身是将发动机、悬架和转向系等其他部件均安装在车架上，车身通过悬置(橡胶软垫）也安装在车架上，图1.2[1°]显示了非承载式车身的基本结构。针对非承载式车身是以车架作为承载主体这一特点，工程师们设计出多种多样的车架结构形式[n.12.13]，包括梯形车架（Ladder frames)、脊梁式车架（Backbone chasis)、十字形车架（Cruciform frames）、扭转管骨架式车身（Torque tube backbone frames)等，图1.3和图1.4分别显示了十字形车架和梯形车架的结构形式。有一些电动车也会采用非承载式车身，通用早年推出的Autonomy氢燃料电池轿车和Hy-wire燃料电池轿车便是采用如图1.5所示的滑板式底盘[14]。

……

本书在分析汽车碰撞拓扑优化和结构力流分析领域研究进展和现状的基础上，介绍一套基于拓扑优化和力流分析的骨架式车身结构设计流程和评价方法。系统阐述利用等效静态载荷法，进行面向结构强度、结构刚度、碰撞问题的汽车车身结构拓扑优化设计方法；详细阐述车身结构力流分析模型的建立方法，车身结构静态工况力流仿真分析方法，车身结构碰撞工况力流仿真分析方法，骨架式车身结构力流试验分析方法，并基于力流分布和力流传递给出车身结构优化方案。