基于solidThinking的车身外覆盖件仿生设计

                                   高超 （中智浩云科技有限公司，上海，200000）

摘 要：车身结构的外覆盖件设计是车身设计中比较重要的部分。传统设计方法是使用08f钢板设计车身外形，在四门两盖内部加入相关加强梁增加其刚度。在现代设计方法中，仿生学设计越来越受到设计工程师的青睐，树枝状结构也更多的被用在建筑和工业领域。本文创新性的采用soildThinking Inspire有限元技术和计算机优化技术，对车身外覆盖件进行了设计，并利用Evolve进行了车身造型设计渲染。

1 引言

车身外覆盖设计一直是车身设计中十分重要的一部分，其设计性能的好坏直接与关系着整车安全性能、NVH性能和美观性。传统的车身结构是内部车身骨架和外覆盖件组成。内部由冲压后的钢梁经焊接组成“笼式车身”，主要功能是承担整车的外部载荷，是车身中起最大作用的结构件。外部由钢板冲压后的覆盖板和支撑梁组成，其主要功能是提高覆盖件刚度，减少噪音， 减轻日常滥用力造成的变形。

随着新材料新科技的大量应用，传统的钢结构外覆盖件已经不能满足整车NVH和轻量化的性能，于是碳纤维复合材料等新技术已经大量应用在覆盖板上。为了进一步提升外覆盖件的性能，使用拓扑优化等计算机辅助设计成为十分必要的技术。本文利用拓扑优化的技术，在车身覆盖件设计中选取了树枝状仿生设计方案，提出一个新的设计构想。

2 设计背景和思路

传统冲压的钢结构车身零件数量多、装配工艺复杂，造成产业庞大、供应链繁杂。一个车 身从设计到定型需要考虑上下游所有因素，最终的产品往往外形单一、造型平庸。3D打印和复合材料等新技术的出现使现代车身设计成为可能。

本文提出的新型车身设计结构分为三个部分： 

1. 内部钢结构框架，采用传统或者现代的钢结构框架，强度大结构简单互换性好；

2. 中部复合材料结构，采用3D打印等先进制造技术，强度中等，结构复杂； 

3. 外层蒙皮，其强度要求低，可采用轻薄材料，甚至薄膜张紧。

                                                  图1 车身三部分构成图

内部框架构成车身主体，中部结构和外层蒙皮构成概念车身的外覆盖件结构，外层蒙皮不能承载外部载荷。所以对中部的复合材料结构进行优化仿生设计，使其满足外覆盖件的结构性 能要求就是本文的重点。

3 设计验证

参考对标车型中的长宽高尺寸，在Evolve软件中建立车身外形蒙皮曲面，考虑外覆盖支撑梁的一般设计尺寸，将曲面加厚成实体曲面，作为设计空间整体导入Inspire中。

车身覆盖件在结构设计中一般会考察顶压、雪载、SLAM分析等，考虑车身覆盖件的一般滥用力情况，建立整体的四种工况如下表。

                                                     表1 工况载荷表

在软件中约束是红色的小圆锥表示，而载荷是红色的箭头表示。由于结构是概念设计阶段， 不考虑重力带来的相关影响。加载好的模型见图2.

                                                   图2 车身外覆盖件设计空间

软件采用的是拓扑优化的经典理论，即优化三要素为：设计变量单元密度，设计目标柔度最小，设计约束体积分数小于某一个数值（一般为30%）。在Inspire中对模型的有限元处理是自动化的，即不需要手工进行网格划分，只需要设计优化参数即可。这里通过设定不同的体积分数约束可以取得不同的方案。经过计算，结果如下图3所示。

分析四种方案的结果，都出现了树枝状的仿生结构，说明在覆盖件的结构设计中树枝状的结构可以为其提供更大的刚度，得到更好的性能。然而四种结构都没有明显的给出各个子面板的具体形状结构，难以进行加工制造。如此，经过验证，车身外覆盖件可以进行基于优化的仿生设计。

                                                图3 不同优化参数下的计算结果

4 设计流程 

根据设计验证的思路，建立设计流程如下：

 1. 利用传统设计思路建立框架式模型，导入evlve软件中，这里采用圆形截面梁示意；   

                                                      图4 内部框架梁结构 

2. 利用Evolve软件在车身骨架梁的基础上进行车身蒙皮造型设计；

                                                 图5 外部蒙皮造型

3. 将蒙皮分区域导入Inspire中，拉伸出相应的设计空间，增加对称拔模等制造化约束 

                                           图6 Inspire中建立设计空间和工况

4. 根据各个子结构的特点重新规划工况载荷，见表2所列，对各个子结构进行优化设计，选取最佳结果，并自适应除相关的结构形状；

                                                  表2 子结构工况载荷表

                                                       图7 子结构优化结果

                                                   图7 子结构自适应结果

5. 利用软件进行模型修改并渲染。

                                                   图8 模型渲染并输出

5 优化设计结果

经过solidThinking的优化设计，最终可以形成里中外三层的优化设计结构。其中，中间的树枝状结构形状复杂，采用传统制造工艺很难加工。采用3D打印等新型工艺制造可以有效的规避这个问题，同时复合材料的使用使整个结构更加轻量化，造型更加炫酷。

最终的设计结果如图9所示，在引擎盖上生成了三角形的加强梁，与目前的钢制加强梁一般设计一致，在一定程度上相互印证其设计原理；顶盖存在两个纵梁承担主要载荷，中部的一些横梁提供顶压刚度；侧门网状结构具有很大的刚度，可以在一定程度上减轻侧撞造成的变形。

                                                   图9 中部树枝状结构

 6 结论

车身外覆盖件的仿生设计利用solidThinking仿真优化设计平台，创新性的提出内中外三层结构车身，利用Evolve软件实现了造型和渲染。设计工程师利用Inspire工具，免去了网格划分等专业化工作，在概念设计中就可以采用CAE工具进行创新设计，极大了拓宽了设计工程师的 设计思路，同时设计出的产品也更具结构性能。

 7 参考文献  

[1]solidThinking Inspire 设计工程师基础教程.pdf  

[2]HyperWorks Help Version 14.0, Altair Engineering, Inc. 

[3]solidThinking Inspire User’s Manual

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