基于场力等效的耐撞性能白车身拓扑优化分析

1 课题背景

       基于仿真驱动设计的产品开发理念，进行某款白车身的前期方案设计。因为白车身的性能要求包括耐撞性、耐久性及NVH性能，所以在概念设计阶段，拓扑优化模型也应该考虑碰撞工况、弯曲刚度和模态工况。对于白车身多工况优化问题，可以利用多工况优化方法或多模型优化方法（MMO）。但是在实际工程应用过程中，对于刚度及模态线性分析工况，可以获得比较理想拓扑结果，而对于高度非线性的碰撞工况，目前公开文献中采用的近似静态载荷法获得的拓扑路径解读性较差。

      因此，如何用有效的静态工况近似代替碰撞工况，是白车身多工况拓扑优化的关键问题。

       本课题提出一种利用场力代替碰撞力的优化方法。通过与其它两种方法对比发现，该方法不但保留了线性优化的高效性，而且拓扑结果路径清晰，材料分布合理，容易解读。通过在实际项目中应用及后期碰撞性能分析，验证该方法在概念设计阶段可以等效替代碰撞工况。

      最终结合多工况拓扑结果，利用solidthinking解读出车身骨架的概念方案，如下图。

2 问题描述

基于造型、总布置及base模型，创建白车身的拓扑优化空间，如下图：

3 优化模型

变量单元：以六面体为主的体单元；数量115万；

边界条件：约束前保险杠主点123；

载荷：施加全局-X向重力场；

约束：体积分数＜0.3；

目标：全局应变能最小。

4 正碰拓扑结果

     基于正碰工况下的等效场力法，经优化迭代后拓扑结果如下图：

5 多工况拓扑优化

工况：静态载荷约束法（弯曲刚度、扭转刚度、顶压）；等效场力法（正碰、偏置碰、侧碰、后碰）；

约束：体积分数＜0.3；

目标：利用折中规划法，将全局应变能最小作为目标。

拓扑结果：

       

6 概念方案

   将拓扑结果导入SolidThinking下的Inspire，利用多边形建模工具，将载荷传递路径转化为几何结构。 

     

结合拓扑结果、仿真经验和工程实践，最终完成j基于多性能开发的白车身主要传力路径的概念方案设计。

7 课题结论

      1、利用OptiStruct先进的优化工具，采用场力代替碰撞力的拓扑优化方法，即保留了线性优化的高效性，而且拓扑结果路径清晰，材料分布合理，容易解读，具有较高的工程应用价值。

     2、Inspire可快速实现拓扑结果转化，是拓扑方法融入车身结构概念开发中不可或缺的高效工具。