基于多目标优化的白车身结构轻量化设计
王康曹永晟贺启才赵国栋
摘要：白车身轻量化研究有利于提高整车性能和减少研发成本，首先建立了某乘用车白车身的有限元模型，接着根据仿真模型分别计算出与NVH、静刚度及正面碰撞安全性能相关的参数，模型各项指标均满足要求。其次，依据综合灵敏度分析思路筛出与碰撞安全无关的设计变量，并且参照能量吸收曲线图选出正面碰撞安全板件的设计变量。针对白车身非碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各类近似模型的精度，采用了椭圆基近似模型，将白车身质量最小、低阶模态最大作为设计目标，把白车身的静态扭转刚度以及静态弯曲刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对非碰撞安全板件进行多目标优化。针对白车身正面碰撞安全相关板件的轻量化设计，根据试验设计方法设计出样本点，对比各种近似模型的精度，采用了响应面模型，将白车身质量最小、乘员舱加速度峰值最小作为设计目标，将一阶弯曲和一阶扭转模态频率、静态弯曲扭转刚度作为设计的约束条件，并采用遗传算法对碰撞安全板件进行多目标优化。最后，对轻量化前后的性能参数进行比较分析，实现了白车身质量降低13.4kg，降幅3.32%，轻量化系数减小了1，不仅保证了静态弯曲刚度和扭转刚度、白车身的模态频率各项指标基本不变，并且提高了白车身正面碰撞性能。结果表明基于多目标优化的白车身结构轻量化设计的减重效果较好，对车身的轻量化设计具有一定的参考意义与指导价值。
关键词：白车身灵敏度分析试验设计近似模型多目标优化轻量化
随着新时代的发展，世界汽车保有量不断增加，国家对汽车的安全性能和排放指标也越来越严格。车辆正朝着安全舒适、持续发展、电动智能的方向发展，白车身轻量化可以对汽车工业所遇到的绿色环保、主被动安全性和能耗等问题的解决有所帮助，白车身是集汽车造型以及性能为一体的关键子系统，汽车轻量化方案的选择中，白车身结构的轻量化备受学术研究者与各大车企的关注。
车身研究开发的费用一般会占到整车成本的60%左右，车身质量占车辆整备质量的比重约为30%～40%[1-2]，对于电动汽车来说，车辆每减重100千克，能量电池包成本节省15%-20%，续航里程增加6%-11%；而针对燃油车，汽车车身的重量每减轻自重的10%，制动距离将缩短3m，轮胎寿命延长7%，油耗减小0.7L/100km，尾气污染排放减少7%，节约10%动能，速度由零加速到100Km/h的加速时间减少0.5s[3]。
白车身结构轻量化关系到多学科交叉和多目标优化，在进行轻量化设计时，也应该同步考虑刚度、NVH性能、强度、碰撞安全性、疲劳耐久性能能等其他性能指标的优化[4]，Ryberg设计出基于元模型的多学科优化体系，加快复杂仿真分析的速度[5]，辛勇等选取折衷规划法对钢铝混合车身运用了基于多目标优化的轻量化设计[6]。
本文提出基于多目标优化的白车身结构轻量化设计的分析流程是：首先分析白车身模型的可靠性，其次分别采用综合灵敏度分析方法和能量吸收曲线图筛选出相应的设计变量，采用相同的试验设计方法分别设计出大规模的样本点，接着在不同仿真软件中分别算出每个样本点对应的具体性能参数，利用Isight優化软件中建立近似模型，最后在多目标优化后挑选最合适的最优解。
2白车身有限元相关分析
整车综合性能包括刚度、NVH性能、强度、主被动安全性以及疲劳耐久性等，BIP，也称作带玻璃的白车身模型，BIP的各项性能均为许多车企研究整车的基础，本文主要分析BIP三个方面的性能，一是通过BIP的一阶弯曲和一阶扭转模态分析与优化使其满足相应的NVH指标并进行验证；二是对BIP的弯曲与扭转刚度进行分析和优化，让其满足相应的静刚度指标并进行验证；三是对白车身的正面碰撞进行分析与优化，让其满足相应的被动安全性能指标。对白车身进行建模，网格质量满足要求，赋上材料属性，建立连接关系，如图1所示。
在不同的边界条件下，分别仿真分析其模态、刚度、碰撞性能，经过优化后所得结果均满足目标值要求，如表1所示。
3设计变量研究
由于白车身组成的板件数量相对较多，所以在进行研究时选择将板件整体式进行优化或者将板件分模块进行优化，筛选出待优化件。本文从以下四个方面着手，对非碰撞安全板件设计变量进行筛选，一是对于质量很小的板件，即使厚度减薄很多，也不会得到太明显的轻量化效果，所以优先排除了一部分质量太小的板件；二是考虑到白车身的被动安全性能的研究不可缺少，为保证轻量化后的白车身的碰撞安全性能不会大幅度降低，将一些与正碰、侧碰性能息息相关的零部件比如A柱、B柱、侧围、门槛梁等板件分离出来，单独地进行碰撞安全板件的优化，防止后续往复优化；三是表面积相对较大的板件，相应的质量直接灵敏度也越大，厚度的增减会产生比较明显的质量变化，可优先筛选质量直接灵敏度较大的板件；四