高云凯 孟德建 姜 欣
奇瑞sqr7160同济大学，上海,201804
摘要：把拓扑优化设计理论引入某电动改装车的承载式车身设计，利用先进的有限元分析软件，在电动改装轿车车身结构拓扑优化分析中实现了多工况、多状态变量条件下的拓扑优化设计，确定了下车身的最佳结构方案，进而在此基础上建立了新的有限元模型，并进行了模态、刚度和强度分析，设计出最终的下车身改造结构。
关键词：电动车；车身结构；拓扑优化；有限元
中图分类号:U463.32;TP391.72 文章编号:1004)132X(2006)23)2522)04
T opology Optimization A nalysis for Modifying Body Structure of Electric C ar
Gao Yunkai Meng Dejian Jiang Xin Tongji University,Shanghai,201804
A bstract :Topology theory was used to the analysis for modifying body structure of an electric car.With 改装车网
the help of advanced FEM software,topology optimization method with multi-case and multi-state varia -bles had been realized in the topology optimization analysis for modifying body structure of electric car,and the optimum structure scheme of underbody w as determined.After setting up new FE model on the basis of topology analysis results,the modal,stiffnenss and strength analysis were carried out,and modifying struc -ture for underbody was designed finally.
Key w ords :electric car;body structure;topology optimization;finite element
收稿日期:2005)10)17
基金项目：国家863高技术研究发展计划资助项目(2001AA501000)
0 引言
现代汽车工程师认为，应该在车身结构设计的初始阶段引入拓扑优化理论，而不是仅凭经验来设计或改造结构[1]
。这种优化设计属于概念性设计范畴，具体到汽车车身设计方面，其目的是在考虑各种可能出现的危险工况下，根据不同的约束限制条件，在一个连续体的设计空间中确定出车身主要承载结构件的最佳布局。国内已陆续开展了这方面的理论研究及工程应用分析工作[2]。
电动车电池还很重，传统轿车车身结构无法同时满足新的强度、刚度和轻量化等要求，车身结构也是电动车研究的关键[3]。
本文基于有限元分析前处理软件H ypermesh 及其拓扑优化模块Optistruct 、结构分析软件AN -SYS，在整体车身壳体结构模型条件下进行了电动改装轿车下车身改制结构的拓扑优化分析。
1 分析模型
针对某电动改装车的初始设计结构，在H y -permesh 软件中建立了整个车身壳体的拓扑优化设计有限元模型，如图1所示。其中，要进行拓扑优
化的下车身的基本结构如图2所示。由图2可以看出，拓扑优化的结构基本覆盖了整个下车身的设
计分布空间。
图1
车身壳体有限元模型
图2 下车身拓扑优化基本结构
2 载荷与边界条件
分析载荷以样车的实际测量结果为主要参考依据，满载质量为201815kg，簧载质量为
182915kg 。经验证，前后轴支反力与各轮载荷相对应。各主要总成在模型上加载位置如表1所示，共施加载荷7800N 。计算中，动载系数取为115。
#
2522#中国机械工程第17卷第23期2006年12月上半月
表1 各主要总成施加的载荷
部件名称
施加的载荷(N)载荷施加位置大散热器、冷凝器等203前横梁两个支承点两个小散热器
40改制纵梁上两点支承 空调控制器、高压低功率接线盒120
改制纵梁对应位置汽车电器蓄电池
180
车身对应位置
DC/DC 、DCL 、水箱、ABB 、变频器、动力转向泵、安装支架595改制横、纵梁上4点
FCE 水泵、小水泵、空调压缩机、电机DC/AC 变速箱、副车架自身重量1182改制横、纵梁上4点高功率高压接线盒50 乘客舱地板前横梁
相应位置
锂电池及支撑梁2120 改制纵梁相应焊接位置
燃料电池
1250 改制纵梁及横梁相应连接位置燃料电池附属设备1750相应位置
前座椅(2人)1500 前座椅横梁及地板相应滑道位置后座椅(3人)
2045
改制后纵梁相应位置
在载荷处理时，由于在拓扑优化分析中改制车身结构为一系列板单元组成的空间曲面模型，因此，需要将加在初始结构上的所有载荷及约束映射到拓扑优化基本结构的相应位置。具体方法如下:①保留与拓扑优化基本结构位于同一曲面的有载荷单元及单元上的载荷，并且在优化过程中不作为可优化单元，如图3所示;②对于不在同一曲面但有载荷的单元，保留载荷设置及相应承载单元，并将这部分单元与基本结构模型刚性连接，如图4所示。通过计算各初始结构件截面的几何参数，确定拓扑优化模型板单元应采用的初始厚度值。
图3 后座椅载荷单元处理
图4 副车架固定位置单元处理
在分析过程中，为得到最佳的基本结构形式，依然保留车身结构的对称性。考虑实际危险工况，采用五种工况作为优化过程的子工况，包括一种弯曲工况和四种弯扭组合工况。其中，四种弯扭组合工况分别模拟各车轮悬空状态。
3 分析参数选择
机械优化设计的基本要素包括设计变量、状态变量和目标函数[4]
。拓扑优化也不例外，针对该改造车身结构，选取板单元厚度作为设计变量。与传统优化设计不同，在优化过程中，拓扑优化设计变量不断减小，并进行重组。默认设计变量范围为0至初始设计值。
初始车身结构分析表明：初始改制车身结构的应力不大，弯曲工况最大应力为72MPa，扭转工况最大应力为98M Pa；相比之下，其车身刚度指标与工程要求相差较大。据文献[5]介绍，车身结构刚度是较强度要求更高的指标，车身设计和优化时，应以满足刚度要求为主要目标。为了同时保证优化中车身扭转刚度的控制，选取模型关键位置位移作为状态变量，通常情况下选取具有代表意义的塔形支承处节点作为状态变量。另外，考虑优化过程中可能出现的单元厚度变化导致局部位移增大，把优化基本
结构各节点的竖直方向位移也都作为状态变量，总计40400个。要得到最佳布局，必须把最终结构材料所占拓扑空间的最大分数和最小分数作为状态变量，即定义体积分数作为状态变量，这样可缩短迭代时间。
优化设计的目的是要得到一个轻质、高刚度和高强度的车身结构，即在满足整体强度与刚度要求下，把最少的原材料最优化地分布于车身结构的设计空间之中。而拓扑优化采用的是节点密度法，无法将变密度结构在设计中赋以质量目标函数，考虑到体积可以间接反映车身质量，同时该变量在设计中也是不断减小的，因此将车身体积作为目标函数。模型基本参数如表2所示。
表2 优化设计参数表
模型节点个数
24807初始材料分数0.900模型单元个数26521组件参数 1.50模型自由度148842迭代相对精度0.005四边形单元个数24307设计变量
下车身单元密度三角形单元个数2214子工况个数5优化设计单元6320状态变量塔形支撑位移下车身单元位移车身体积极值设计密度范围0~1目标函数车身体积优化方法节点密度法最小成员控制尺寸
40mm 迭代步数
80
相对密度参数
0.005
#b70 奔腾
2523#电动改装轿车车身结构拓扑优化分析)))高云凯 孟德建 姜 欣
4 优化结果分析
重庆国际车展优化后厚度大于6mm 的下车身结构分布结果如图5所示，优化后下车身质量为初始基本拓扑结构的10%
。
图5 下车身材料最优化分布
初始设计下车身采用了整体边梁式承载结构。如图5所示，最优的下车身结构前部和后部均近似边梁式结构，而中间为脊梁式结构。中间的脊梁式结构可提供高的轴间抗扭刚度，有利于降低地板的高度，且保留中央通道，车身中部载荷可以由分布在两边的纵梁以及中央通道共同承受。
优化结果表明，在前后桥处均需要有不同形式的横梁和斜梁承载，而原始设计类似于传统轿车下车身结构，在前后桥部分均只有纵梁承载。图6为相对密度大于25%的下车身结构材料空间分布，在后桥附近下车身依旧存在材料分布，进一步说明在后桥前端下车身上加承载斜梁，在后桥后端下车身上加承载横梁是必要的。图6所示也进一步表明，在前桥处的下车身上设置横梁是必
要的。
图6 下车身相对密度大于25%的材料分布
图7所示为相对密度大于10%的下车身材料分布图。从图7可以看出：前桥部位下车身需要加横梁和两根斜梁，这有助于消除初始车身结构模态分析发现的车身前部较低频率的模态。如果考虑前悬架处布置有复杂的转向系统，也可以在下车身的前桥处仅加一根横梁。在图7所示的下车身中部的A 、B 、C 柱处，单元呈网状结构分布，因下车身中部布置有座椅和燃料电池，所以保留三处横梁是必要的。针对图5、图7所示拓扑优化结果中出现的下车身尾部斜梁结构，说明单一横梁结构不足以满足整车扭转刚度要求，可在此位置设置斜梁。图7 下车身相对密度大于10%的材料分布
5 改制车身结构设计与分析
根据拓扑优化结果，完善了新的下车身结构分析模型，最终的下车身梁类结构模型如图8
所示。
图8 改制后下车身梁单元模型
在ANSYS 中对整个车身结构进行有限元分析，主要分析结果如表3所示。虽然优化后的车身壳体结构质量没有显著降低，但整个车身壳体却能满足强度要求，尤其是车身刚度有明显提高，改制后的车身壳体扭转刚度比原始结构车身壳体扭转刚度提高了100%。可见，拓扑优化方案对提高车身刚度效果非常显著。
表3 优化前后车身结构性能指标对比
下车身质量
(kg)车身壳体最大应力(M Pa)弯曲工况扭转工况抗扭刚度(N #m/rad)
模态振型(Hz)一阶扭转竖直一弯原始
车身
115.00199.80213.58
206
奔驰c20032.66
49.67
优化后
车身
112.27100.44206.8941442.2953.85
优化后车身壳体一阶扭转和竖直一弯模态频率分别比优化前提高了约27%和8%，比CA7220
轿车车身壳体的一阶扭转和竖直一弯模态频率蓝瑟
(25H z 和40H z)提高约68%和35%。原车动力传动系统工作频率为1617H z 。可见，优化后的车身壳体的关键低阶模态频率不但远高于动力传动系统工作频率，而且也高于传统轿车的关键低阶模态频率。
参考文献:
[1] Fukushima J.Shape and To polog y Optimization of a Car
Body w ith M ultiple Loading Conditions:U SA,920777[P].1992O 02O 28.
[2] 王健，张鲁邹，程耿东，等.应力约束下车架的结构拓
扑优化设计[J].汽车工程,1997,19(1):15O 19.
#
2524#中国机械工程第17卷第23期2006年12月上半月
[3]高云凯，张荣荣，彭和东.微型电动轿车车身骨架结
构分析[J].汽车工程,2003,25(6):638O641.
[4]汪萍，侯慕英，方菊.机械优化设计[M].3版.武汉：中
国地质大学出版社,1998.
[5]凯墨尔M M，沃尔夫J A.现代汽车结构分析[M].陈
励志，译.北京：人民交通出版社,1987.
(编辑何成根)
作者简介：高云凯，男,1963年生。同济大学汽车学院教授、博士研究生导师。研究方向为车身结构设计与分析。发表论文30余篇。孟德建，男,1982年生。同济大学汽车学院硕士研究生。姜欣，男,1980年生。同济大学汽车学院硕士研究生。
汽车主动悬架与转向系统的
模糊参数自调整集成控制
陈龙袁传义江浩斌徐凯汪少华
江苏大学，镇江,212013
摘要：建立了汽车主动悬架与转向控制系统半车集成模型，应用模糊逻辑控制理论，提出一种带参数的自调整模糊方法，设计了汽车主动悬架与转向系统模糊参数自调整集成控制器，该控制系统当偏差变小或变大时，调整因子总能确保系统稳定，适合工程应用。通过对汽车主动悬架与转向控制系统试验仿真表明，实行模糊参数自调整集成控制后，汽车的整车平顺性、操纵稳定性和安全性等综合性能指标明显优于汽车主动悬架与转向系统LQG集成控制。
关键词：主动悬架；转向系统；模糊控制；集成控制
中图分类号:U463.33;U463.4文章编号:1004)132X(2006)23)2525)04
Self-adaptive Fu zzy Parameter Integrate d C ontrol of
Vehicle A ctive Suspension and Ste ering System
Chen Long Yuan Chuanyi Jiang Haobin Xu Kai Wang Shaohua
Jiangsu University,Zhenjiang,Jiangsu,212013
A bstract:Through established the integrated control model of vehicle active suspension and steering sys-tem,adopting fuzzy logic control theory,a self-adaptive fuzzy method w ith parameter was put forward,the self-adaptive fuzzy rule controller of integrated vehicle active suspension and steering system was designed. When the errors become large or small,the adjustment gene always insure the system stability,suit for eng-i neering applications.Through simulation of the controller,compared the controller with the integrated vehicle active suspension and steering LQG control system,the performance of steering smooth,control stabilization and security are all distinct improved.
Key w ords:active suspension;steering system;fuzzy control;integrated control
0引言
悬架是汽车车身与车轮之间的一切传力连接装置的总称，它可减缓外界扰动作用于车身的冲击力，保证汽车的乘坐舒适性和行驶安全性。汽车转向系统是用来改变或恢复汽车行驶方向的专用机构，直接影响汽车的行驶安全性。悬架与转向系统之间有着相互影响[1]，主动悬架系统和电动助力转向系统对车辆的某些性能的改善有着一定的影响，但各个控制子系统都是针对提高汽车某一性能指标而设计的，而整车综合性能的提高则依赖于各个
收稿日期:2005)11)16
基金项目：国家自然科学基金资助项目(50475121)；江苏省高新技术项目(BG2004025)；高等学校博士学科点专项科研基金资助项目(20050299005)子系统的协调工作。为改善整车的动力学性能，避免单独控制的相互干扰，多个控制系统的协调控制，即集成控制，已成为车辆工程师关注的课题。
本文通过建立主动悬架与转向系统的半车集成模型，运用模糊逻辑控制理论，以某汽车车型为例，设计了汽车主动悬架与转向系统的模糊参数自调整集成控制器，仿真结果表明，该糊模参数自调整集成控制器的各项性能指标明显优于汽车主动悬架与转向系统LQG集成控制系统。
1系统模型的建立
系统建模时充分考虑了汽车主动悬架与转向系统之间的相互影响和协调关系，利用汽车前后悬架作动器的作用力来调整汽车转向时的车身姿态,
#
2525
#
汽车主动悬架与转向系统的模糊参数自调整集成控制)))陈龙袁传义江浩斌等
发布评论