本文摘录自期刊题目名为“快速网格变形技术在车身开发流程中的应用”，感谢作者：广州汽车集团股份有限公司汽车工程研究院的闫亮、姜叶洁、刘向征和袁焕泉
车身是汽车的重要组成部分，是汽车所有总成及乘员的载体，其重量约占整车重量的 40%，对车身结构进行优 化设计能够有效降低汽车自重。传统的白车身开发流程以线框车身结构及截面设计为起点，设计出 CAD 数据后通过 CAE 校核反馈，再 优化设计，见图 1。
图 1
由于线框结构与详细的车身结构性能差别较大，甚至
在某些时候反映的性能趋势与详细车身结构相反，因此工
程师借助线框结构设计出的车身详细数模不可避免地存
在诸多缺陷；此外，从线框结构开始到建立完详细的钣金
结构数模，耗时较长，这一定程度上影响了后续开发的时间。综上所述，现有的车身结构开发流程有诸多缺陷。
1 车身开发流程起点的新思路—基于网格变 形的结构灵敏度多目标优化
本文作者在长期的研发实践中，依托先进的
CAE
分
析工具，提出车身开发流程的全新思路：结合快速网格变
形工具及多目标灵敏度优化分析软件，能对现有平台快速
变形出贴合早期造型
CAS
面的目标车型，进而能获得包
含详细工艺特征的准确
CAE
分析模型，再联合多目标灵
敏度分析软件建立结构形状参数及厚度参数作为设计变
量，进行结构优化及轻量化，可在整车开发流程的起点阶
段较准确获知并优化车身结构各项性能
、
车身质量，进而
为项目决策提供可靠的指导
。
1.1新流程的起点——MeshWorks 快速网格变形技术
新流程的起点，是借助Meshworks的morph 技术，高质量快速地获得具有详细工艺特征的有限元模型。将已有同级别对标车（或扩展平台的原型车）的白车身有限元模型 导入MeshWorks 软件，根据新的CAS 面对现有的白车身有限元网格模型进行网格变形，直到贴合CAS 面为止。
本文的车身开发流程的起点技术，与当前基于线框模
型车身分析技术的重要区别在于，可直接基于具备详细工
艺特征的模型开展多目标参数设计，进而通过研究车身结
构性能（刚度
、
模态
、
轻量化
……
）对目标参数的敏感程度，
从而可以确定哪些参数对系统或模型有较大的影响
。
以便
对症下药
，在后期CAD建
模时可获得可信的设计思路
。
车身钣金的结构形状
、
厚度，构成了车身的最基本要
素，下面将详细说明如何通过这两个基本要素建立多目标
参数
。
白车身结构形状由构件及其接头（
Joint
，节点）和板壳
零件共同组成，是承受载荷和传递载荷的基本系统
。
所以，
结构参数需要考虑白车身接头，如图
2
所示
。
对于一般钢结构车身，其构件是由成形钢板制件焊接
组成的，截面为闭口或开口的薄壁杆件，在车身中起支承
和加强的作用
。
车身下部（底架总成）包括前
、
后纵梁，底架
各横梁，地板及由其两侧边与侧围外板组成的门槛，地板
中间通道，前围板
、
后隔板
、
悬架支座及轮罩等；车身上部
包括侧围的
A
、
B
、
C
柱，顶盖及其边梁，风窗上
、
下横梁等
。
所以，在进行结构参数设计时，顶盖横梁
、
后纵梁
、
门槛梁
、
地板中通道
、
上侧围纵梁等也是考虑参数之一
。
厚度参数
的设置可以涵盖白车身上所有板壳的选取，以便白车身轻
量化
。
此处共取形状变量
26
个，厚度变量
16
个
。
具体参数选取及范围见表
1
和表
2
。
表2 16 个厚度变量
为了优化结构，需要量化所有的设计变量，包括结构
参数和厚度参数，即构件截面特性和接头刚度对材料几何
尺寸变化的灵敏度，以及结构整体刚度对截面特性
、
接头
刚度或板厚变化的灵敏度，以便选择较灵敏的变量或部位
进行修改，引导结构优化的方向
。
Isight
软件的优化设计，是对试验设计获得样本库的
基础上，运用近似模型方法，建立设计变量与响应变量之
间的数学表达式，对响应函数进行平滑处理，降低
“
数值噪
声
”
，有利于更快的收敛到全局最优点
。
常用的近似模型方
法包括：响应面模型
、
克里格模型或神经网络
。
本文中用到
的近似模型是响应面模型
。
根据已有的设计变量及设计变量的变化范围，选取样
本点，样本的点的选取通过试验设计
（
DOE
，
Design
of
Experiment
）方法进行抽样，用尽可能少的仿真获取设计变
量与响应变量之间的规律和关系，通过方差分析方法，辨
识对输出参数影响最关键的设计变量，从而有效缩小优化
中设计变量的数量，降低优化的难度和时间开销
。
常用的
试验设计方法包括正交数组和优化拉丁方，这里采用优化
拉丁方选取样本点
。
42
个变量，选取
100
个样本点
。
得到相应的
DOE
矩阵
。
由于车身结构的对称性，为了减少设计变量的个数，
降低计算时间，以几个接头等结构和车身各板厚为设计变
量，将左右相同的部件的厚度设置为同一个设计变量，共
有
42
设计变量，
100
个样本点，根据响应面得到各个设计
变量对性能影响的灵敏读分析
。
各个变量对目标函数的影
响，一般只考虑影响程度在
5%
以上的变量
。
至此，已经获得影响车身结构性能（刚度
、
模态
、
轻量
化
……
）重要的结构部件
。
下面将重点以这些部件为结构
优化及轻量化的对象，开展
CAE
分析
。
白车身结构的轻量化设计是采用优化设计方法，在保证车身结构性能的前提下，通过对车身板件厚度的重新分 配，达到轻量化的目的。优化设计是一种寻找确定最优设 计方案的技术，通过对设计变量的合理选择，在实际约束 状态下，使系统性能指标最优。白车身结构的约束优化设计问题可表述为 
式中
：
x
=[x
1
，
x
2
，
x
3
，
…
，
x
j
，
…
，
x
n
]
T
，
x
为由
车身板件厚
度
组成的向量
。
x
j
、
x
j
分别为设计变量的上
、
下限；f（
x
）为白车
身结构质量函数
；
g
（
k
x
）
为约束函数
。
考虑两个学科对白车身性能的影响，包括弯曲刚度和
扭转刚度，弯曲模态和扭转模态的影响
。
选择对上述工况
有较大影响且可以改进的白车身结构及板厚作为设计变
量，即
1.2.1
中提到的结构参数和厚度参数，根据制造的实
际情况，定义设计变量的取值范围，共计4
2
个设计变量，
26
个结构变量，
16
个厚度变量
。
优化的目标和约束分为两条路径进行：
①
目标函数定
义为弯扭刚度
、
模态最大，定义的约束条件为质量能够接受
的最大值，旨在寻找质量一定的情况下，性能的最大值；
②
目标函数定义为白车身质量最小，定义的约束条件如表
3
。
采
用优化拉丁超立方法对实际可取水平生成刚度
、
模
态的样本矩阵，既可用于参数灵敏度分析，设计变量的
DOE
矩阵
。
根据设计变量和优化工况的特点，刚度
、
模态近似模
型选取二阶逐次替换的响应面模型
。
为确定近似模型的精
度，对其进行了随机抽取样本点的误差分析方法，结果表
明所建立的近似模型满足工程开发的精度要求，弯曲
、
扭
转刚度
、
模态的误差分析结构，刚度
、
模态近似模型的误差
都小于
2%
。
变形后的基础模型，其扭转刚度
21963N
·
m/
°
，弯曲刚
度
15616N/mm
，扭转模态
37.86Hz
，弯曲模态
37.86Hz
，质量
387.9kg
，经过刚度
、
模态优化后，其扭转刚度
23849N
·
m/
°
，
弯
曲
刚
度
16888N/mm
，
扭
转
模
态
39.79Hz
，
弯
曲
模
态
40.37Hz
，质量
393.4kg
，可见，优化后，扭转刚度提高
8.45%
，弯曲刚度提高
8.15%
，扭转模态提升
2.95%
，弯曲
模态提升
6.63%
，质量增加
5.5kg
；轻量化后，其扭转刚度
22529N
·
m/
°
，弯曲刚度
16646N/mm
，扭转模态
40.03Hz
，弯
曲模态
40.05Hz
，质量
381kg
，轻量化后，扭转刚度提高
2.58%
，弯曲刚度提高
6.6%
，扭转模态提升
5.73%
，弯曲模
态提升
5.78%
，质量减小
6.9kg
。
通过上述快速网格变形的多目标优化分析，最终得到
合理的有限元模型
。
将这些有限元模型导成
CAD
格式数
据，导入
CAD
设计软件（如
CATIA
）中，即可获得合理的整
车模型
。
由于此步得到的
CAD
数模已经事先进行了足够
详细的
CAE
分析，可以认为此版数模是足够详细准确的
。
本 文 根 据现有的白车身有限元模型，通过 MeshWorks软件中的 MORPH 功能，在车身预研阶段， 根据 CAS 面，建立了白车身在预研阶段的有限元模型，并且在MeshWorks 软件里建立了结构参数和厚度参数，作为所选取的设计变量，联合 ISIGHT 优化软件，对白车身性能以及质量进行了优化，在保证白车身结构静、动 态特性的提升的前提下，使白车身质量减小 6.9kg，实现了轻量化的目的。事实上，此技术已有效地指导了 GS4、 GA8、GS8 等上市车型的车身结构设计，并在后续项目中继续使用。展望下一步，将切实结合广汽研究院整车开发 流程，继续优化快速网格变化技术，提前介入分析，使车身 结构设计开发更为快速、准确；此方法已纳入广汽研究院 整车开发核心技术。
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