结构优化在车身刚度性能优化中的应用

车身刚度优化与结构性能增强


引言

汽车主机的整体性能始终是工程师们追求的主要目标，其中最为关键的因素之一便是车身的刚度设计。车身作为汽车结构的主体承重部件，需在复杂的工作环境中保持稳定性和抗振动性，进而确保车辆的整个结构性能不受损伤。刚度性能的优化不仅关乎驾驶的稳定性、舒适性和安全性，还是降低噪音、振动与声振粗糙度（NVH）的关键，同时，车身刚度也是衡量耐久性能的指标之一。因此，深入理解车身结构对性能的影响，持续优化并提升车身刚度设计，对于开发高效能的汽车至关重要。

刚度对车身性能的影响


车身刚度不良对车辆性能的影响可以体现在多个方面：




1. 振动共振：在缺乏足够的刚度时，车身结构响应外部激励的频率可能与固有频率发生重叠，导致结构共振，引发连接部件的塑性变形，可能导致车门、窗框、背门框等部件的变形加大，甚至引发卡死、玻璃破碎、密封失效、甚至车辆漏水等问题。

2. 操稳性能与舒适性：较高的车身刚度能够更好地控制动态响应，有效减少振幅，提升车辆操控稳定性，提高乘坐舒适性。同时，对NVH性能的改善同样有益，避免高频共振带来的噪声与振动。

3. 材料性能与轻量化：在刚度性能优化的同时，还需要考虑轻量化需求，通过结构优化设计达到材料的有效利用，而非简单依赖材料堆叠，以确保在满足刚度要求的同时，兼顾动力经济性的提升。

结构优化策略


为实现车身刚度性能的优化与提升，通常采用的策略包括拓扑优化和形状优化。


1. 拓扑优化：

目标与方法：拓扑优化旨在合理调整材料分布，识别并强化车身结构的薄弱之处。通过分析车辆后端如C、D柱、dog leg区域的载荷分布，采用计算模拟手段识别结构的力学薄弱点，为后续的重构设计提供依据。

案例：如考虑为某一车型的C环结构进行优化，原设计为满足规划需求的初版方案，拓扑优化提出新的设计方案，比如通过增加内部加强件（如bulk head）或修改特定结构参数以增强刚度性能。

注意点：保留材料的力学性能当量，特别是在添加结构构件时，确保新构件与原车身结构之间力学性能的匹配，以避免随后的模拟分析中出现误判。

2. 形状优化：

参数与策略：形状参数优化针对如C环结构的尺寸、位置等细化参数，以精细调整部件形状，优化材料的分布。例如，通过调整C环的截面尺寸、位置Y向与X向高度、宽度以及材料厚度等，提升整体刚度性能，并考虑特定应用（如与焊点形状优化的由来）。

工具推荐与应用：LSOPT作为一种高效的优化软件，在加快设计迭代、提高模拟精度上发挥着重要作用。通过其丰富的优化策略，如自动模型选择的MOP方法，以及结合实体和壳结构的截面性能评估，支持快速的结构性能提升。