面向车身刚度的敞篷车底部空间拓扑优化
苏松松吴龙质罗茂康黎谦
摘要：敞篷车顶盖总成和部分侧围关键接头缺失导致扭转刚度较低的问题，论文以提升敞篷车扭转刚度为目的，通过有限元软件OptiStruct模块对敞篷车下车体空间进行拓扑分析，解析扭转工况车身拓扑传力路径，结合工程实际情况，提出在电池包底部增加抗扭管梁方案，且抗扭管梁与电池包螺栓连接，使得敞篷车身扭转刚度提升51.2%，效果显著。
关键词：敞篷车扭转刚度拓扑优化抗扭管梁
TopologyOptimizationoftheCabrioletFloorSpaceforBodyStiffness
SuSongsong，WuLongzhi，LuoMaokang，LiQian
Abstract：Inordertoimprovethetorsionalstiffnessoftheconvertible，thetopologicalanalysisofthebodyspaceundertheconvertibleisanalyzedbytheFiniteElementSoftwareOptiStructmodule，thetopologicaltransmissionpathofthetorsionalworkingbodyisanalyzed，andtheschemeofaddingthetorsionalpipebeamatthebottomofthebatterypackisproposedincombinationwiththeactualsituationoftheproject，andthetorsionalpipebeamisboltedwiththebatterypack，whichincreasesthetorsionalstiffnessoftheconvertiblebodyby51.2%，whichhasasignificanteffect.
Keywords：convertible，torsionalstiffness，topologyoptimization，torsionalpipebeam
国家“双碳”目标对新能源汽车发展提出更高的需求，新能源乘用车渗透率近两年快速提升，目前已达到30%以上。为了满足消费者更多需求，新能源敞篷汽车顺应而生。
白车身侧围承受车顶和地板传给的力产生弯矩扭矩，侧围上的A柱、B柱、C柱、D柱是主要的受力件，只有当立柱、顶盖横梁、地板横梁在一个横断面上构成环结构时，才能有效的抵抗弯矩扭矩[1]；敞篷车相对于常规车，结构形式存在较大差异，车身整体骨架连续性被打断，导致车身扭转刚度性能急剧下降，而与刚度相关的操稳、凹凸路面车身抗变形能力、NVH以及疲劳耐久也将受到影响[2]。所以解决敞篷车扭转刚度低的问题，是敞篷车在开发设计中的基础重大问题。
拓扑优化是在给定的优化区间内，寻求结构基于设计目标的最优形状或材料分布的一种方法[3]。本文采用拓扑优化手段，寻找扭转工况下车身拓扑传力路径材料分布情况，依据拓扑结果寻找最优的设计方案是论文的研究重点；
2白车身刚度分析
2.1有限元建模
本敞篷车白车身刚度分析有限元模型包含部件有白车身总成（含防滚架总成）、前挡风玻璃以及电池包总成。将各总成导入Hypermesh前处理软件进行有限元网格划分，钣金采用壳体单元，网格大小8mm，螺栓、涂胶及烧焊采用相关对应单元模拟，各部件赋予对应材料与属性。
2.2扭转刚度分析
敞篷车扭转刚度分析，左、右前悬中心加载沿Z向大小相同，方向相反的两个力，左侧加载沿+Z向，右侧沿-Z向，力的大小根据各车前悬中心Y向距离确定，即F=1345N.m/L，L为前悬中心的Y向距离；在前防撞梁中心处约束自由度3，后螺簧座中心处左侧约束自由度13，右侧约束自由度123。白车身扭转刚度工况边界约束如图2所示。
在进行白车身扭转刚度计算时，利用扭矩除以消除刚度位移的扭转角度，既可得到白车身的扭转刚度。计算公式如下：
K=（1）
公式中K为扭转刚度，F为施加在车身扭转载荷，L为车身前悬中心距，θ为消除刚度位移的扭转角度。
车身扭转角计算公式：
θ=atan（（Z1+Z2）/L1）-atan（（Z3+Z4）/L2）（2）
公式中Z1、Z2、Z3、Z4分别为前大梁左侧、前大梁右侧、后大梁左侧以及后大梁右侧测点Z向绝对位移，L1、L2分别为前悬后悬测点Y向距离。前大梁测点为左右加载点Z向投影到前大梁下表面Y向中点处节点，后大梁测点为后螺簧座约束点Z