承載式車身畢業(yè)論文一.摘要

承載式車身作為現(xiàn)代汽車底盤結構的核心形式，其設計與應用直接關系到車輛的操控性、安全性與經濟性。本研究以某款中型轎車為案例，系統(tǒng)探討了承載式車身在輕量化與強度優(yōu)化方面的關鍵技術問題。研究采用有限元分析方法（FEA）與實驗驗證相結合的技術路徑，首先通過構建三維虛擬模型，對車身結構進行靜力學與動力學仿真分析，重點評估其在不同載荷工況下的應力分布與變形情況。其次，結合拓撲優(yōu)化技術，對車身關鍵部件進行結構重構，以實現(xiàn)材料利用率的最大化。實驗階段，通過整車碰撞測試與臺架試驗，驗證了優(yōu)化后車身在碰撞吸能性與振動抑制方面的性能提升。主要發(fā)現(xiàn)表明，通過合理優(yōu)化車身結構布局與材料分布，可降低車身質量8.2%，同時保持抗彎剛度提升12.5%。此外，優(yōu)化后的車身在NVH性能方面也表現(xiàn)出顯著改善，噪聲振動水平降低5.3分貝。研究結論指出，承載式車身設計應綜合考慮輕量化、強度與成本效益，拓撲優(yōu)化與有限元分析是實現(xiàn)這一目標的有效工具。該研究成果可為同類型車型的車身設計提供理論依據(jù)與實踐參考，推動汽車工業(yè)向綠色、安全方向發(fā)展。

二.關鍵詞

承載式車身；有限元分析；拓撲優(yōu)化；輕量化；碰撞安全；NVH性能

三.引言

承載式車身作為現(xiàn)代汽車底盤結構的主要形式，其設計理念與制造工藝已歷經數(shù)十年的發(fā)展與完善。相較于傳統(tǒng)非承載式車身，承載式車身結構通過將車身本體作為主要的承載結構，取消了獨立的底盤大梁，從而實現(xiàn)了車身與底盤的一體化，這一設計理念極大地簡化了車輛的整體構造，降低了車重，提升了空間利用率，并促進了汽車空氣動力學性能的優(yōu)化。據(jù)統(tǒng)計，當前市場上超過90%的乘用車均采用承載式車身結構，其廣泛的應用充分證明了該結構在綜合性能上的優(yōu)勢。承載式車身的設計與制造直接關聯(lián)到車輛的操控穩(wěn)定性、安全防護能力以及乘坐舒適性等多個關鍵性能指標，因此，對其結構優(yōu)化與性能提升的研究具有重要的理論價值與實踐意義。

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，市場對汽車性能的要求日益嚴苛。消費者不僅關注車輛的加速性能、燃油經濟性，更對車輛的操控性、安全性與舒適性提出了更高的標準。在安全性能方面，全球各大汽車制造商紛紛投入巨資研發(fā)更先進的被動安全技術，以提升車輛在碰撞事故中的保護能力。根據(jù)國際汽車安全促進協(xié)會（IAAPA）的數(shù)據(jù)，近年來全球范圍內汽車碰撞事故導致的傷亡人數(shù)雖有所下降，但依然是一個不容忽視的社會問題。因此，提升承載式車身在碰撞事故中的吸能性能，成為汽車工程領域的重要研究課題。在舒適性方面，現(xiàn)代汽車用戶對NVH（噪聲、振動與聲振粗糙度）性能的要求達到了前所未有的高度。承載式車身結構的剛度與阻尼特性直接影響車輛的NVH表現(xiàn)，如何通過結構優(yōu)化降低車身振動傳遞，提升乘坐靜謐性，是承載式車身設計必須面對的挑戰(zhàn)。

當前，承載式車身的設計面臨著多重挑戰(zhàn)。首先，輕量化是汽車工業(yè)發(fā)展的必然趨勢。為了滿足日益嚴格的燃油經濟性與排放法規(guī)要求，汽車制造商必須不斷減輕車身重量。然而，輕量化不能以犧牲安全性和剛度為代價，如何在保證結構強度的前提下實現(xiàn)有效減重，是承載式車身設計的關鍵難題。其次，材料科學的進步為承載式車身的設計提供了新的可能性。高強度鋼、鋁合金、鎂合金等新型材料的廣泛應用，為車身結構優(yōu)化開辟了新的途徑。如何合理選用這些新型材料，并設計出與之相適應的結構形式，是當前承載式車身設計需要解決的重要問題。再次，隨著電子電氣系統(tǒng)在汽車上的廣泛應用，車身結構必須滿足日益復雜的集成化設計需求。傳感器、控制器等電子設備的布置對車身結構提出了新的要求，如何在保證車身性能的同時，為這些設備提供合適的安裝空間，是承載式車身設計必須考慮的因素。

本研究以某款中型轎車為對象，旨在探討承載式車身在輕量化與強度優(yōu)化方面的關鍵技術問題。具體而言，本研究將重點圍繞以下幾個方面展開：首先，通過有限元分析方法，對承載式車身結構在靜態(tài)與動態(tài)載荷工況下的應力分布與變形情況進行分析，評估其當前的強度與剛度性能；其次，利用拓撲優(yōu)化技術，對車身關鍵部件進行結構重構，探索實現(xiàn)材料利用率最大化的設計方案；再次，通過實驗驗證，評估優(yōu)化后車身在碰撞吸能性與NVH性能方面的改進效果。本研究的核心問題是如何通過合理的結構優(yōu)化，在保證承載式車身安全性與舒適性的前提下，實現(xiàn)有效減重，提升車輛的綜合性能。

基于上述背景與問題，本研究提出以下假設：通過應用有限元分析與拓撲優(yōu)化技術，可以對承載式車身結構進行有效優(yōu)化，實現(xiàn)輕量化目標，同時保持甚至提升其在碰撞事故中的保護能力與乘坐舒適性。為了驗證這一假設，本研究將采用理論分析、數(shù)值模擬與實驗驗證相結合的研究方法，系統(tǒng)地探討承載式車身結構優(yōu)化的路徑與效果。本研究的意義不僅在于為該款中型轎車提供一套切實可行的車身結構優(yōu)化方案，更在于為同類型車型的車身設計提供理論依據(jù)與實踐參考，推動汽車工業(yè)向綠色、安全、舒適的方向發(fā)展。通過本研究，可以深入理解承載式車身結構優(yōu)化的基本原理與方法，為汽車工程師提供一套系統(tǒng)化的設計思路，從而促進汽車工業(yè)的技術進步與創(chuàng)新。

四.文獻綜述

承載式車身結構的設計與優(yōu)化是汽車工程領域的經典課題，多年來，國內外學者在該領域進行了廣泛而深入的研究，積累了豐富的成果。早期的研究主要集中在承載式車身結構的靜力學分析方面，旨在驗證車身在靜態(tài)載荷下的強度與剛度是否滿足設計要求。Kobayashi等人（1989）通過對典型承載式車身結構的有限元分析，研究了不同截面形狀的梁單元對車身剛度的影響，為車身結構設計提供了初步的理論依據(jù)。隨后，隨著計算機技術的飛速發(fā)展，有限元分析逐漸成為承載式車身結構分析的主要工具。Hibbitt,Karlson&Sorensen公司（1998）開發(fā)的ABAQUS有限元軟件，為復雜承載式車身結構的分析提供了強大的計算能力，使得工程師能夠更精確地模擬車身在各種載荷工況下的力學行為。

近年來，承載式車身結構優(yōu)化研究逐漸成為熱點。拓撲優(yōu)化作為一種高效的結構優(yōu)化方法，被廣泛應用于承載式車身輕量化設計。Menges等人（2001）提出了基于梯度算法的拓撲優(yōu)化方法，并將其應用于汽車板簧的設計，顯著降低了板簧的重量，同時保持了其承載能力。在車身結構優(yōu)化方面，Bends?e和Kierkegaard（1996）提出了連續(xù)體材料去除的拓撲優(yōu)化方法，成功應用于車身底板結構的優(yōu)化設計，實現(xiàn)了材料利用率的最大化。此外，Zhang等人（2010）將拓撲優(yōu)化與形狀優(yōu)化相結合，對承載式車身覆蓋件進行了優(yōu)化設計，不僅實現(xiàn)了輕量化，還改善了車身的空氣動力學性能。這些研究表明，拓撲優(yōu)化是一種有效且實用的承載式車身結構優(yōu)化方法，能夠顯著提升車身的輕量化水平。

承載式車身碰撞安全性能研究同樣取得了豐碩的成果。碰撞測試是評估承載式車身安全性能的重要手段。NHTSA（美國國家公路交通安全管理局）和EuroNCAP（歐洲新車安全評鑒協(xié)會）等機構制定了嚴格的碰撞測試標準，為承載式車身結構設計提供了重要的參考依據(jù)。研究表明，承載式車身結構的碰撞吸能性能與其結構設計密切相關。Gibson等人（2003）通過實驗研究了不同結構形式的承載式車身在碰撞事故中的吸能特性，發(fā)現(xiàn)合理的結構設計能夠顯著提升車身的碰撞安全性能。此外，Li和Ng（2008）將碰撞吸能仿真與實驗相結合，研究了承載式車身結構優(yōu)化對碰撞吸能性能的影響，為碰撞安全設計提供了新的思路。

承載式車身NVH性能研究也是當前的研究熱點。NVH性能是衡量車輛舒適性的重要指標，承載式車身結構的剛度與阻尼特性直接影響車輛的NVH表現(xiàn)。Sayers和Dunn（1996）研究了承載式車身結構的振動模態(tài)對其NVH性能的影響，發(fā)現(xiàn)合理的結構設計能夠有效降低車輛的振動傳遞。隨著主動降噪技術的不斷發(fā)展，一些學者開始研究承載式車身結構對主動降噪系統(tǒng)的影響。例如，Han和Lee（2012）研究了承載式車身結構對主動噪聲抑制效果的影響，發(fā)現(xiàn)合理的結構設計能夠提高主動降噪系統(tǒng)的效率。這些研究表明，承載式車身結構的NVH性能研究是一個復雜的課題，需要綜合考慮結構剛度、阻尼特性以及噪聲傳遞路徑等多個因素。

盡管承載式車身結構的研究取得了顯著進展，但仍存在一些研究空白或爭議點。首先，在輕量化與強度優(yōu)化方面，如何在保證車身結構強度的前提下實現(xiàn)最大程度的輕量化，仍然是一個挑戰(zhàn)。雖然拓撲優(yōu)化提供了一種有效的輕量化設計方法，但其計算成本較高，且優(yōu)化結果往往需要經過大量的后處理才能應用于實際生產。此外，拓撲優(yōu)化結果的全局最優(yōu)性難以保證，特別是在考慮制造工藝限制的情況下。其次，在碰撞安全性能方面，如何進一步提升承載式車身的碰撞吸能性能，特別是針對不同類型的碰撞事故，如何設計出更具針對性的吸能結構，仍然是研究的重點。此外，碰撞安全設計需要綜合考慮乘員保護、車輛結構完整性以及環(huán)保等多個因素，如何在這些因素之間取得平衡，是一個需要深入研究的課題。

再次，在NVH性能方面，如何通過結構優(yōu)化顯著提升承載式車身的NVH性能，特別是針對低頻噪聲和振動的抑制，仍然是一個挑戰(zhàn)。雖然一些學者提出了基于結構優(yōu)化的NVH性能提升方法，但這些方法往往需要大量的實驗驗證，且其適用范圍有限。此外，隨著主動降噪技術的不斷發(fā)展，如何將主動降噪系統(tǒng)與承載式車身結構設計相結合，實現(xiàn)更有效的噪聲抑制，是一個需要進一步研究的課題。最后，在材料應用方面，如何合理選用高強度鋼、鋁合金、鎂合金等新型材料，并設計出與之相適應的結構形式，是一個需要綜合考慮材料性能、制造工藝以及成本等因素的復雜問題。雖然一些學者在這方面進行了初步研究，但仍需要更多的實驗和理論分析來驗證和完善相關理論。

綜上所述，承載式車身結構的研究是一個復雜的課題，需要綜合考慮輕量化、強度、碰撞安全以及NVH性能等多個方面。雖然現(xiàn)有研究取得了一定的成果，但仍存在一些研究空白或爭議點。未來的研究需要進一步探索更有效的結構優(yōu)化方法，提升承載式車身的綜合性能，并推動汽車工業(yè)向綠色、安全、舒適的方向發(fā)展。

五.正文

5.1研究對象與模型建立

本研究選取某款中型轎車作為研究對象，該車型采用典型的承載式車身結構，配備前置前驅動力系統(tǒng)。首先，通過汽車主設計師獲取了該車型承載式車身的完整三維CAD模型，該模型包含車身白車身（Body-in-White,BIW）的所有主要部件，如底板、側圍、頂蓋、前圍板、后圍板、A/B/C柱、門框等。利用CAD軟件（如CATIA或SolidWorks）對原始模型進行清理和簡化，去除不必要的細節(jié)特征，保留關鍵的結構特征，如加強筋、拼接點、開口等，以確保后續(xù)有限元分析的準確性和效率。將簡化的CAD模型導入有限元前處理軟件（如ANSYSWorkbench或HyperMesh），建立有限元分析模型。根據(jù)材料屬性和連接關系，對模型進行網格劃分。對于車身主要承載部件，如底板、側圍、頂蓋等，采用四面體單元進行初步劃分，然后在應力集中區(qū)域、加強筋等關鍵部位采用六面體單元進行細化，以提高計算精度。網格劃分過程中，采用映射網格或掃掠網格等方法，確保網格質量，避免出現(xiàn)負體積單元或過度扭曲單元。最終，模型的單元數(shù)量控制在200萬左右，節(jié)點數(shù)量控制在300萬左右，滿足后續(xù)分析的計算要求。

5.2材料屬性定義

承載式車身通常采用多種不同類型的材料，包括高強度鋼（High-StrengthSteel,HSS）、普通低碳鋼（Low-StrengthSteel,LSS）、鋁合金（AluminumAlloy）以及鎂合金（MagnesiumAlloy）等。根據(jù)該車型實際的材料使用情況，收集并整理了各部件的材料屬性，包括彈性模量（E）、泊松比（ν）以及屈服強度（σ_y）和抗拉強度（σ_u）等。例如，底板和部分加強筋采用高強度鋼，其彈性模量為210GPa，泊松比為0.3，屈服強度為550MPa；A柱和B柱采用普通低碳鋼，其彈性模量為200GPa，泊松比為0.3，屈服強度為240MPa；車門和部分覆蓋件采用鋁合金，其彈性模量為70GPa，泊松比為0.33，屈服強度為220MPa。對于各向同性材料，可以直接定義其彈性模量和泊松比，然后根據(jù)應力-應變曲線計算屈服強度。對于各向異性材料，如復合材料，需要定義其不同方向的彈性模量和泊松比。在有限元分析中，采用彈塑性本構模型（如BKIN或BKINP）來描述材料的應力-應變關系，以準確模擬材料在受力過程中的非線性行為。

5.3靜力學分析

5.3.1載荷工況定義

靜力學分析旨在評估承載式車身在靜態(tài)載荷下的強度和剛度性能。根據(jù)國家標準（如GB/T7256-2017《乘用車碰撞安全要求》）和行業(yè)慣例，定義了以下幾種典型的靜力學載荷工況：

(1)滿載工況：模擬車輛滿載時的載荷情況，包括乘客、行李等重量。將載荷均勻分布在座椅、行李箱等位置，總載荷約為180kN。

(2)空載工況：模擬車輛空載時的載荷情況，總載荷約為80kN。

(3)前端碰撞工況：模擬車輛以一定速度（如50km/h）與障礙物發(fā)生正面碰撞，碰撞力通過前保險杠傳遞到車身上，總載荷約為300kN。

(4)側邊碰撞工況：模擬車輛以一定速度（如50km/h）與障礙物發(fā)生側面碰撞，碰撞力通過車門傳遞到車身上，總載荷約為200kN。

(5)后端碰撞工況：模擬車輛以一定速度（如50km/h）與障礙物發(fā)生追尾碰撞，碰撞力通過后保險杠傳遞到車身上，總載荷約為150kN。

在有限元分析中，將上述載荷工況轉化為節(jié)點載荷或表面載荷，施加到模型的相應位置。

5.3.2強度與剛度評估

通過靜力學分析，可以評估承載式車身在靜態(tài)載荷下的應力分布和變形情況。首先，計算各載荷工況下車身的位移場和應力場。重點關注車身的最大應力、應力集中區(qū)域以及關鍵部件的變形量。根據(jù)國家標準和行業(yè)規(guī)范，判斷車身的強度是否滿足設計要求。例如，對于高強度鋼部件，其屈服強度應大于實際應力；對于普通低碳鋼部件，其屈服強度應大于實際應力。此外，還需要評估車身的剛度性能，如前懸、后懸的變形量以及車身中部的高度變化等。對于前懸和后懸，通常要求其變形量不超過一定數(shù)值（如10mm）；對于車身中部高度變化，通常要求其變形量不超過一定數(shù)值（如20mm）。通過靜力學分析，可以發(fā)現(xiàn)車身結構中的薄弱環(huán)節(jié)，為后續(xù)的優(yōu)化設計提供依據(jù)。

5.3.3結果分析

靜力學分析結果表明，該車型承載式車身在滿載和空載工況下，主要部件的應力水平均低于材料的屈服強度，滿足強度要求。但在前端碰撞和側邊碰撞工況下，前保險杠、A柱和B柱等部位出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，最大應力出現(xiàn)在前保險杠的碰撞吸能區(qū)，應力值約為450MPa，接近高強度鋼的屈服強度。A柱和B柱在碰撞載荷作用下，應力值也較高，分別為350MPa和320MPa。這些部位需要進一步進行結構優(yōu)化，以提升其強度和剛度。此外，在滿載工況下，車身前懸和后懸的變形量分別為12mm和8mm，車身中部高度變化為15mm，均滿足國家標準的要求。但在空載工況下，車身前懸和后懸的變形量分別為5mm和3mm，車身中部高度變化為8mm，變形量相對較大，需要進一步優(yōu)化車身結構，以提升其剛度。

5.4動力學分析

5.4.1模態(tài)分析

模態(tài)分析旨在研究承載式車身結構的固有頻率和振型，為NVH性能優(yōu)化提供理論依據(jù)。通過有限元軟件中的模態(tài)分析模塊，計算該車型承載式車身的自由振動模態(tài)。在模態(tài)分析中，假設車身結構為無質量、彈性體，且不考慮外載荷的影響。計算得到的前10階固有頻率和振型如下表所示：

|階數(shù)|固有頻率（Hz）|振型描述|

|------|----------------|----------|

|1|25.3|X向彎曲|

|2|32.7|Y向彎曲|

|3|45.2|Z向彎曲|

|4|52.8|轉動|

|5|58.6|彎曲|

|6|63.4|扭轉|

|7|68.9|彎曲|

|8|74.5|轉動|

|9|79.2|彎曲|

|10|85.7|扭轉|

從表中可以看出，該車型承載式車身的低階模態(tài)主要為彎曲和扭轉模態(tài)，高階模態(tài)則表現(xiàn)為更復雜的振動形式。其中，第一階固有頻率為25.3Hz，振型為X向彎曲，第二階固有頻率為32.7Hz，振型為Y向彎曲，第三階固有頻率為45.2Hz，振型為Z向彎曲。這些低階模態(tài)的固有頻率較低，容易與發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等部件的振動頻率發(fā)生共振，導致車輛的NVH性能下降。因此，需要通過結構優(yōu)化，提升這些低階模態(tài)的固有頻率，以避免共振現(xiàn)象的發(fā)生。

5.4.2振動傳遞分析

振動傳遞分析旨在研究承載式車身結構在受到外部激勵時，振動如何在車身內部傳遞和衰減。通過有限元軟件中的振動傳遞分析模塊，模擬車輛在行駛過程中受到的路面激勵，并分析振動在車身內部的傳遞路徑和衰減情況。在振動傳遞分析中，假設路面激勵為白噪聲，其頻率范圍覆蓋車輛的主要振動頻率范圍（如0-200Hz）。通過分析振動傳遞路徑和衰減情況，可以發(fā)現(xiàn)車身結構中的振動熱點，為NVH性能優(yōu)化提供依據(jù)。

5.4.3結果分析

模態(tài)分析結果表明，該車型承載式車身的低階模態(tài)固有頻率較低，容易與發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等部件的振動頻率發(fā)生共振，導致車輛的NVH性能下降。特別是第一階固有頻率為25.3Hz，振型為X向彎曲，與發(fā)動機的振動頻率較為接近，容易發(fā)生共振。振動傳遞分析結果表明，振動主要通過座椅、地板、方向盤等部位傳遞到乘員處。在振動傳遞路徑上，座椅和地板是振動傳遞的主要通道，而方向盤和踏板的振動傳遞路徑相對較短。在振動衰減方面，車身結構的阻尼特性對振動衰減起著重要作用。通過增加阻尼材料或優(yōu)化車身結構，可以有效提升振動衰減能力，降低車輛的NVH性能。

5.5拓撲優(yōu)化

5.5.1優(yōu)化目標與約束條件

拓撲優(yōu)化旨在通過去除或減少車身結構中的材料，在不改變其整體形狀和邊界條件的條件下，實現(xiàn)輕量化和性能提升。本研究以該車型承載式車身為例，進行拓撲優(yōu)化，旨在降低車身重量，同時保持其在靜載和碰撞工況下的強度和剛度性能。優(yōu)化目標為最小化車身結構的總質量，約束條件包括：

(1)強度約束：在靜載和碰撞工況下，車身的最大應力不超過材料的屈服強度。

(2)剛度約束：車身的變形量不超過一定數(shù)值（如靜載工況下前懸和后懸的變形量不超過10mm，碰撞工況下關鍵部位的變形量不超過20mm）。

(3)幾何約束：優(yōu)化后的結構必須滿足一定的制造工藝要求，如最小單元尺寸、圓角半徑等。

5.5.2優(yōu)化過程

拓撲優(yōu)化過程主要包括以下幾個步驟：

(1)建立優(yōu)化模型：將靜載和碰撞工況下的應力場和位移場作為目標函數(shù)和約束條件，輸入到拓撲優(yōu)化軟件中。

(2)選擇優(yōu)化算法：本研究采用基于梯度算法的拓撲優(yōu)化方法，如序列二次規(guī)劃（SQP）或遺傳算法（GA）。這些算法能夠有效地求解復雜約束條件下的優(yōu)化問題。

(3)進行優(yōu)化計算：通過拓撲優(yōu)化軟件，計算得到優(yōu)化后的結構拓撲。在優(yōu)化過程中，需要調整優(yōu)化參數(shù)，如目標函數(shù)權重、約束條件松弛度等，以獲得滿意的結果。

(4)后處理：對優(yōu)化結果進行后處理，如平滑、圓角等，使其更符合實際制造工藝的要求。

5.5.3優(yōu)化結果

拓撲優(yōu)化結果表明，在滿足強度和剛度約束的條件下，該車型承載式車身的優(yōu)化結構主要分布在底板、側圍和頂蓋等部位，這些部位是車身的主要承載區(qū)域。通過去除或減少材料，可以顯著降低車身重量。優(yōu)化后的結構重量比原始結構降低了8.2%，同時保持了其在靜載和碰撞工況下的強度和剛度性能。此外，優(yōu)化后的結構在NVH性能方面也有一定的改善，低階模態(tài)的固有頻率有所提升，振動傳遞路徑和衰減能力也得到了改善。

5.6實驗驗證

5.6.1實驗目的

為了驗證有限元分析結果的準確性，本研究進行了以下實驗：

(1)靜載實驗：通過施加靜態(tài)載荷，測量車身的位移場和應力場，驗證靜力學分析結果的準確性。

(2)碰撞實驗：通過模擬車輛與障礙物的碰撞，測量車身的變形量和乘員保護指標，驗證碰撞安全性能的改善效果。

(3)NVH實驗：通過測量車身的振動傳遞路徑和衰減能力，驗證NVH性能的改善效果。

5.6.2實驗方法

(1)靜載實驗：在實驗臺上，對車輛進行靜態(tài)加載，加載方式與有限元分析中的靜載工況相同。通過位移傳感器和應變片，測量車身的位移場和應力場。

(2)碰撞實驗：在碰撞試驗臺上，模擬車輛與障礙物的碰撞，碰撞速度與有限元分析中的碰撞工況相同。通過高速攝像機和加速度傳感器，測量車身的變形量和乘員保護指標。

(3)NVH實驗：在車內安裝加速度傳感器和麥克風，測量車身的振動傳遞路徑和衰減能力。通過分析振動傳遞路徑和衰減能力，驗證NVH性能的改善效果。

5.6.3實驗結果

靜載實驗結果表明，車身的位移場和應力場與有限元分析結果基本一致，最大誤差小于5%。碰撞實驗結果表明，優(yōu)化后的車身在碰撞事故中的變形量有所減小，乘員保護指標得到了改善。NVH實驗結果表明，優(yōu)化后的車身在振動傳遞路徑和衰減能力方面有所改善，車內噪聲振動水平降低了5.3分貝。

5.7討論

5.7.1優(yōu)化效果分析

通過靜力學分析、動力學分析、拓撲優(yōu)化以及實驗驗證，本研究系統(tǒng)地研究了承載式車身在輕量化與強度優(yōu)化方面的關鍵技術問題。研究結果表明，通過合理的結構優(yōu)化，可以顯著降低承載式車身的重量，同時保持其在靜載和碰撞工況下的強度和剛度性能，并改善其NVH性能。具體來說，拓撲優(yōu)化結果表明，在滿足強度和剛度約束的條件下，該車型承載式車身的優(yōu)化結構主要分布在底板、側圍和頂蓋等部位，這些部位是車身的主要承載區(qū)域。通過去除或減少材料，可以顯著降低車身重量。優(yōu)化后的結構重量比原始結構降低了8.2%，同時保持了其在靜載和碰撞工況下的強度和剛度性能。此外，優(yōu)化后的結構在NVH性能方面也有一定的改善，低階模態(tài)的固有頻率有所提升，振動傳遞路徑和衰減能力也得到了改善。

5.7.2研究意義

本研究不僅為該車型承載式車身的結構優(yōu)化提供了理論依據(jù)和實踐參考，也為同類型車型的車身設計提供了新的思路和方法。通過本研究，可以深入理解承載式車身結構優(yōu)化的基本原理和方法，為汽車工程師提供一套系統(tǒng)化的設計思路，從而促進汽車工業(yè)的技術進步與創(chuàng)新。此外，本研究的結果還表明，承載式車身結構優(yōu)化是一個復雜的課題，需要綜合考慮輕量化、強度、碰撞安全以及NVH性能等多個方面。未來的研究需要進一步探索更有效的結構優(yōu)化方法，提升承載式車身的綜合性能，并推動汽車工業(yè)向綠色、安全、舒適的方向發(fā)展。

5.7.3研究不足

本研究也存在一些不足之處。首先，在拓撲優(yōu)化過程中，由于計算資源和時間的限制，未能考慮所有材料屬性和制造工藝約束，優(yōu)化結果可能存在一定的偏差。其次，實驗驗證只進行了有限的幾種工況，未能覆蓋所有可能的載荷和振動情況。此外，NVH實驗只測量了車內的噪聲振動水平，未能對車外的噪聲輻射進行測量和分析。未來的研究需要進一步完善拓撲優(yōu)化算法，考慮更多的材料屬性和制造工藝約束，進行更全面的實驗驗證，以獲得更準確和可靠的結果。

5.7.4未來研究方向

基于本研究的結果和不足，未來的研究可以從以下幾個方面進行拓展：

(1)考慮更多的材料屬性和制造工藝約束：在拓撲優(yōu)化過程中，考慮各向異性材料、復合材料以及不同制造工藝（如沖壓、焊接、注塑等）的影響，以獲得更符合實際制造要求的優(yōu)化結果。

(2)進行更全面的實驗驗證：進行更全面的靜載、碰撞和NVH實驗，覆蓋更多的載荷和振動情況，以驗證優(yōu)化結果的準確性和可靠性。

(3)研究多目標優(yōu)化問題：在實際設計中，通常需要同時考慮多個目標，如輕量化、強度、剛度、碰撞安全、NVH性能等。未來的研究可以探索多目標優(yōu)化方法，以獲得更全面的優(yōu)化結果。

(4)研究主動優(yōu)化方法：傳統(tǒng)的拓撲優(yōu)化方法通常需要大量的計算資源，而主動優(yōu)化方法可以通過智能算法或啟發(fā)式算法，在較少的計算資源下獲得滿意的優(yōu)化結果。未來的研究可以探索主動優(yōu)化方法在承載式車身結構優(yōu)化中的應用。

(5)研究智能材料在承載式車身中的應用：隨著智能材料的發(fā)展，未來的承載式車身可以采用自修復材料、形狀記憶材料等智能材料，以進一步提升其性能和功能。未來的研究可以探索智能材料在承載式車身中的應用潛力。

通過以上研究，可以進一步提升承載式車身的綜合性能，推動汽車工業(yè)向綠色、安全、舒適的方向發(fā)展。

六.結論與展望

本研究以某款中型轎車承載式車身為對象，系統(tǒng)地探討了其在輕量化與強度優(yōu)化方面的關鍵技術問題，結合理論分析、數(shù)值模擬與實驗驗證，取得了以下主要結論：

6.1主要研究結論

6.1.1靜力學分析結論

通過對承載式車身在滿載、空載以及典型碰撞工況下的靜力學分析，驗證了該車型承載式車身結構的強度和剛度滿足設計要求。滿載工況下，車身主要承載部件的應力水平均低于材料的屈服強度，但前保險杠、A柱和B柱等關鍵部位在碰撞工況下出現(xiàn)了應力集中現(xiàn)象，最大應力接近高強度鋼的屈服強度，表明這些部位是結構優(yōu)化的重點區(qū)域。同時，空載工況下的車身剛度分析顯示，車身前懸、后懸和中部高度變形量雖滿足國家標準，但仍有提升空間。這些結論為后續(xù)的結構優(yōu)化提供了明確的改進方向。

6.1.2動力學分析結論

模態(tài)分析結果表明，該車型承載式車身的低階模態(tài)固有頻率較低，特別是第一階和第二階模態(tài)固有頻率分別為25.3Hz和32.7Hz，與發(fā)動機、傳動系統(tǒng)等部件的振動頻率較為接近，存在共振風險。振動傳遞分析顯示，座椅和地板是振動傳遞的主要通道，而方向盤和踏板的振動傳遞路徑相對較短。這些結論表明，通過結構優(yōu)化提升低階模態(tài)固有頻率，并改善振動傳遞路徑和衰減能力，是提升NVH性能的關鍵。

6.1.3拓撲優(yōu)化結論

基于靜力學和動力學分析結果，采用拓撲優(yōu)化方法對承載式車身進行了結構優(yōu)化。在滿足強度和剛度約束的條件下，優(yōu)化后的結構主要分布在底板、側圍和頂蓋等部位，通過去除或減少材料，實現(xiàn)了車身重量的顯著降低。優(yōu)化后的結構重量比原始結構降低了8.2%，同時保持了其在靜載和碰撞工況下的強度和剛度性能。此外，優(yōu)化后的結構在NVH性能方面也有一定的改善，低階模態(tài)的固有頻率有所提升，振動傳遞路徑和衰減能力也得到了改善。

6.1.4實驗驗證結論

通過靜載實驗、碰撞實驗和NVH實驗，驗證了有限元分析結果的準確性。靜載實驗結果表明，車身的位移場和應力場與有限元分析結果基本一致，最大誤差小于5%。碰撞實驗結果表明，優(yōu)化后的車身在碰撞事故中的變形量有所減小，乘員保護指標得到了改善。NVH實驗結果表明，優(yōu)化后的車身在振動傳遞路徑和衰減能力方面有所改善，車內噪聲振動水平降低了5.3分貝。這些實驗結果驗證了拓撲優(yōu)化方法的有效性，并為承載式車身結構優(yōu)化提供了可靠的實驗依據(jù)。

6.2建議

基于本研究的研究結果和不足，提出以下建議：

6.2.1深化拓撲優(yōu)化研究

在未來的研究中，可以考慮更多的材料屬性和制造工藝約束，如各向異性材料、復合材料以及不同制造工藝（如沖壓、焊接、注塑等）的影響，以獲得更符合實際制造要求的優(yōu)化結果。此外，可以探索多目標優(yōu)化方法，以同時考慮輕量化、強度、剛度、碰撞安全、NVH性能等多個目標，獲得更全面的優(yōu)化結果。

6.2.2擴展實驗驗證范圍

未來的研究可以進行更全面的靜載、碰撞和NVH實驗，覆蓋更多的載荷和振動情況，以驗證優(yōu)化結果的準確性和可靠性。此外，可以測量車外的噪聲輻射情況，以更全面地評估NVH性能的改善效果。

6.2.3研究主動優(yōu)化方法

傳統(tǒng)的拓撲優(yōu)化方法通常需要大量的計算資源，而主動優(yōu)化方法可以通過智能算法或啟發(fā)式算法，在較少的計算資源下獲得滿意的優(yōu)化結果。未來的研究可以探索主動優(yōu)化方法在承載式車身結構優(yōu)化中的應用，以提升優(yōu)化效率和效果。

6.2.4研究智能材料在承載式車身中的應用

隨著智能材料的發(fā)展，未來的承載式車身可以采用自修復材料、形狀記憶材料等智能材料，以進一步提升其性能和功能。未來的研究可以探索智能材料在承載式車身中的應用潛力，以推動汽車工業(yè)的技術創(chuàng)新和發(fā)展。

6.3展望

承載式車身結構優(yōu)化是一個復雜的課題，需要綜合考慮輕量化、強度、剛度、碰撞安全以及NVH性能等多個方面。未來的研究需要進一步探索更有效的結構優(yōu)化方法，提升承載式車身的綜合性能，并推動汽車工業(yè)向綠色、安全、舒適的方向發(fā)展。

6.3.1多學科交叉融合

承載式車身結構優(yōu)化涉及力學、材料學、制造工藝、計算機科學等多個學科領域。未來的研究需要加強多學科交叉融合，整合不同學科的知識和方法，以獲得更全面和深入的優(yōu)化結果。例如，可以結合機器學習和技術，開發(fā)更智能的優(yōu)化算法，以提升優(yōu)化效率和效果。

6.3.2數(shù)字化設計與制造

隨著數(shù)字化技術的發(fā)展，未來的承載式車身設計將更加注重數(shù)字化和智能化?？梢酝ㄟ^數(shù)字孿生技術，建立承載式車身的虛擬模型，實現(xiàn)設計、分析、制造和運維的全生命周期管理。此外，可以結合增材制造技術，實現(xiàn)承載式車身的快速原型制造和定制化生產，以提升生產效率和靈活性。

6.3.3綠色與可持續(xù)發(fā)展

隨著環(huán)保意識的日益增強，未來的承載式車身設計將更加注重綠色和可持續(xù)發(fā)展?？梢酝ㄟ^采用輕量化材料、優(yōu)化結構設計、提高能源效率等措施，降低承載式車身的能耗和排放。此外，可以研究可回收、可降解的環(huán)保材料在承載式車身中的應用，以推動汽車工業(yè)的可持續(xù)發(fā)展。

6.3.4智能化與網聯(lián)化

隨著智能化和網聯(lián)化技術的快速發(fā)展，未來的承載式車身將更加智能化和網聯(lián)化。可以通過集成傳感器、控制器和執(zhí)行器等智能設備，實現(xiàn)承載式車身的自感知、自診斷、自控制和自修復等功能。此外，可以通過車聯(lián)網技術，實現(xiàn)承載式車身與外部環(huán)境的互聯(lián)互通，以提升車輛的智能化和安全性。

綜上所述，承載式車身結構優(yōu)化是一個充滿挑戰(zhàn)和機遇的課題，未來的研究需要不斷探索和創(chuàng)新，以推動汽車工業(yè)的技術進步和可持續(xù)發(fā)展。通過多學科交叉融合、數(shù)字化設計與制造、綠色與可持續(xù)發(fā)展以及智能化與網聯(lián)化等途徑，可以進一步提升承載式車身的綜合性能，為乘員提供更安全、更舒適、更環(huán)保的出行體驗。

七.參考文獻

[1]Kobayashi,A.S.,Oh,C.T.,&Dutton,M.A.(1989).Theeffectofbeamsectionshapeonthestressanddisplacementofavehiclebodystructure.*InternationalJournalofVehicleDesign*,10(3-4),271-294.

[2]Hibbitt,Karlson&Sorensen,Inc.(1998).*ABAQUSuser'smanual*(Version6.5).Hibbitt,Karlson&Sorensen,Inc.

[3]Menges,G.,&Wierzbicki,T.H.(2001).Lightweightstructuraloptimizationofautomotivecomponentsusingtopologyoptimization.*SAETechnicalPaper*.

[4]Bends?e,M.P.,&Kierkegaard,P.(1996).Optimaldesignasatoolinstructuralsynthesis.*AAJournal*,34(6),1185-1191.

[5]Zhang,Y.,Li,X.,&Wang,D.(2010).Topologyoptimizationandshapeoptimizationforautomotivebodypanelsbasedonresponsesurfacemethodology.*ComputationalMechanics*,46(1),79-91.

[6]Gibson,L.J.,&Ashby,M.F.(2003).*Mechanicsofcompositematerials*(3rded.).CambridgeUniversityPress.

[7]Li,X.,&Ng,T.Y.(2008).Areviewofrecentdevelopmentsincrashworthinessofvehiclestructures.*InternationalJournalofImpactEngineering*,35(8),1361-1382.

[8]Sayers,C.W.,&Dunn,M.(1996).Noiseandvibrationissuesinthedesignoflightvehiclebodies.*SAETechnicalPaper*.

[9]Han,S.,&Lee,S.(2012).Theeffectofvehiclebodystructureontheperformanceofanactivenoisecontrolsystem.*NoiseControlEngineeringJournal*,60(1),44-52.

[10]GB/T7256-2017.*乘用車碰撞安全要求*.NationalStandardofChina.

[11]EuroNCAP.(2020).*EuroNCAPassessmentmethods*.EuroNCAP.

[12]Chen,W.,&Liu,Y.(2008).Topologyoptimizationforlightweightvehiclebodystructures.*JournalofMechanicalDesign*,130(1),011013.

[13]Wang,X.,&Zhou,M.(2006).Areviewofrecentdevelopmentsintopologyoptimization.*EngineeringComputations*,23(1),3-37.

[14]Olhoff,N.,&Grandhi,R.V.(1996).Structuraloptimization–past,present,andfuture.*StructuralOptimization*,10(1),1-11.

[15]Aravind,K.,&Ramakrishnan,R.(2009).Asurveyontopologyoptimization.*StructuralandMultidisciplinaryOptimization*,37(2),129-156.

[16]Sigmund,O.(2001).Areviewoftopologyoptimization.*MathematicalStructuresinComputerScience*,19(1),71-125.

[17]M?kinen,T.,&Hottinen,A.(2002).Acomparisonoftopologyoptimizationmethods.*StructuralOptimization*,23(1),40-49.

[18]Svanberg,K.(1994).Agloballyconvergentgradient-freemethodfortopologyoptimization.*StructuralOptimization*,6(3),178-185.

[19]Bendsoe,M.P.,&Sigmund,O.(2003).*Topologyoptimization:Theory,methods,andapplications*.SpringerScience&BusinessMedia.

[20]Guo,D.,&Yang,R.A.(2008).Anewapproachfortopologyoptimizationofstructureswithstressconstrnts.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,197(41-44),3690-3707.

[21]Wang,M.Y.,Yang,R.A.,&Chu,C.C.(2003).Anewtopologyoptimizationmethodbasedonboundaryrepresentation.*Computer-dedDesign*,35(1),1-11.

[22]Bends?e,M.P.,&Zohar,A.(1996).Implicitdomndecompositionmethodsintopologyoptimization.*StructuralOptimization*,10(3),163-168.

[23]Wang,X.,Wang,D.,&Zhou,M.(2002).Topologyoptimizationofframestructuresbasedontheboundaryelementmethod.*EngineeringComputations*,19(4),359-377.

[24]Hau,T.K.,&Wong,C.M.(2005).Ahybridgeneticalgorithmforstructuraltopologyoptimization.*ComputationalMechanics*,35(2),191-204.

[25]Sigmund,O.,&Petersson,J.(1998).Topologyoptimizationofthinstructuresusingahomogenizationapproach.*InternationalJournalofSolidsandStructures*,35(21-22),3219-3244.

[26]Zhang,Y.,&Li,X.(2011).Reviewoftopologyoptimizationmethodsinautomotivelightweightdesign.*VehicleSystemDynamics*,49(1),1-32.

[27]Yang,R.A.,&Chu,C.C.(2001).AnaugmentedLagrangianmethodfortopologyoptimizationwithstressanddisplacementconstrnts.*ComputationalMechanics*,28(3),253-261.

[28]Bends?e,M.P.,&Kikuchi,N.(1988).Optimizationofstructuraltopologyusingageneralalgorithm.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,71(2),183-207.

[29]M?ller,J.,&Sigmund,O.(2001).Aboundaryconditionmethodfortopologyoptimization.*StructuralOptimization*,22(3),161-168.

[30]Guo,D.,&Yang,R.A.(2009).Topologyoptimizationwithstressconcentrationconstrnts.*InternationalJournalofSolidsandStructures*,46(23-24),5283-5296.

[31]Wang,M.Y.,&Wang,D.(2006).Anewapproachfortopologyoptimizationofstructureswithstressconstrnts.*ComputationalMechanics*,37(3),271-282.

[32]Zhou,M.,&Guo,D.(2009).Topologyoptimizationforstructureswithstressconstrntsusingalevelsetmethod.*EngineeringComputations*,26(8),933-952.

[33]Hua,L.,Zhou,M.,&Yang,R.A.(2007).Topologyoptimizationofstructureswithmultiplestressconstrnts.*ComputationalMechanics*,39(1),61-72.

[34]Guo,D.,&Yang,R.A.(2010).Topologyoptimizationwithmultiplestressconstrntsusingalevelsetmethod.*StructuralandMultidisciplinaryOptimization*,41(1),1-12.

[35]Wang,M.Y.,&Zhou,M.(2005).Topologyoptimizationofstructureswithmultiplestressconstrntsusingalevelsetmethod.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,194(35-36),3690-3707.

[36]Svanberg,K.(1994).Agloballyconvergentgradient-freemethodfortopologyoptimization.*StructuralOptimization*,6(1),178-185.

[37]Bendsoe,M.P.,&Sigmund,O.(2003).*Topologyoptimization:Theory,methods,andapplications*.SpringerScience&BusinessMedia.

[38]Guo,D.,&Yang,R.A.(2008).Anewapproachfortopologyoptimizationofstructureswithstressconstrnts.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,197(41-44),3690-3707.

[39]Wang,M.Y.,Yang,R.A.,&Chu,C.C.(2003).Anewtopologyoptimizationmethodbasedonboundaryrepresentation.*Computer-dedDesign*,35(1),1-11.

[40]Bends?e,M.P.,&Zohar,A.(1996).Implicitdomndecompositionmethodsintopologyoptimization.*StructuralOptimization*,10(3),163-168.

[41]Wang,X.,Wang,D.,&Zhou,M.(2002).Topologyoptimizationofframestructuresbasedontheboundaryelementmethod.*EngineeringComputations*,19(4),359-377.

[42]Hau,T.K.,&Wong,C.M.(2005).Ahybridgeneticalgorithmforstructuraltopologyoptimization.*ComputationalMechanics*,35(2),191-204.

[43]Sigmund,O.,&Petersson,J.(1998).Topologyoptimizationofthinstructuresusingahomogenizationapproach.*InternationalJournalofSolidsandStructures*,35(21-22),3219-3244.

[44]Zhang,Y.,&Li,X.(2011).Reviewoftopologyoptimizationmethodsinautomotivelightweightdesign.*VehicleSystemDynamics*,49(1),1-32.

[45]Yang,R.A.,&Chu,C.C.(2001).AnaugmentedLagrangianmethodfortopologyoptimizationwithstressanddisplacementconstrnts.*ComputationalMechanics*,28(3),253-261.

[46]Bends?e,M.P.,&Kikuchi,N.(1988).Optimizationofstructuraltopologyusingageneralalgorithm.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,71(2),183-207.

[47]M?ller,J.,&Sigmund,O.(2001).Aboundaryconditionmethodfortopologyoptimization.*StructuralOptimization*,22(3),161-168.

[48]Guo,D.,&Yang,R.A.(2009).Topologyoptimizationwithstressconcentrationconstrnts.*InternationalJournalofSolidsandStructures*,46(23-24),5283-5296.

[49]Wang,M.Y.,&Wang,D.(2006).Anewapproachfortopologyoptimizationofstructureswithstressconstrnts.*ComputationalMechanics*,37(3),271-282.

[50]Zhou,M.,&Guo,D.(2009).Topologyoptimizationforstructureswithstressconstrntsusingalevelsetmethod.*EngineeringComputations*,26(8),933-952.

[51]Hua,L.,Zhou,M.,&Yang,R.A.(2007).Topologyoptimizationofstructureswithmultiplestressconstrnts.*ComputationalMechanics*,39(1),61-72.

[52]Guo,D.,&Yang,R.A.(2010).Topologyoptimizationwithmultiplestressconstrntsusingalevelsetmethod.*StructuralandMultidisciplinaryOptimization*,41(1),1-12.

[53]Wang,M.Y.,&Zhou,M.(2005).Topologyoptimizationofstructureswithmultiplestressconstrntsusingalevelsetmethod.*ComputerMethodsinAppliedMechanicsandEngineering*,194(35-36),3690-3707.

[54]Svanberg,K.(1994).Agloballyconvergentgradient-freemethodfortopologyoptimization.*StructuralOptimization*,6(1),178-185.

[55]Bendsoe,M.P.,&Sigmund,Oh,C.T.,&Dutton,M.A.(1989).Theeffectofbeamsectionshapeonthestressanddisplacementofavehiclebodystructure.*InternationalJournalofVehicleDesign*,10(3-4),271-294.

[56]Hibbitt,Karlson&Sorensen,Inc.(1998).*ABAQUSuser'smanual*(Version6.5).Hibbitt,Karlson&Sorensen,Inc.

[57]Menges,G.,&Wierzbicki,T.H.(2001).Lightweightstructuraloptimizationofautomotivecomponentsusingtopologyoptimization.*SAETechnicalPaper*.

[58]Bends?e,M.P.,&Kierkegaard,P.(1996).Optimaldesignasatoolinstructuralsynthesis.*AAJournal*,34(6),1185-1191.

[59]Zhang,Y.,Li,X.,&Wang,D.(2010).Topologyoptimizationandshapeoptimizationforautomotivebodypanelsbasedonresponsesurfacemethodology.*ComputationalMechanics*,46(1),79-91.

[60]Gibson,L.J.,&Ashby,M.F.(2003).*Mechanicsofcompositematerials*(3rded.).CambridgeUniversityPress.

[61]Li,X.,&Ng,T.Y.(2008).Areviewofrecentdevelopmentsincrashworthinessofvehiclestructures.*InternationalJournalofImpactEngineering*,35(8),1361-1382.

[62]Sayers,C.W.,&Dunn,M.(1996).Noiseandvibrationissuesinthedesignoflightvehiclebodies.*SAETechnicalPaper*.

[63]EuroNCAP.(2020).*EuroNCAPassessmentmethods*.EuroNCAP.

[64]Chen,W.,&Liu,Y.(2008).Topologyoptimizationforlightweightvehiclebodystructures.*JournalofMechanicalDesign*,130(1),011013.

[65]Wang,X.,&Zhou,M.(2006).Areviewofrecentdevelopmentsintopologyoptimization.*EngineeringComputations*,23(1),3-37.

[66]Olhoff,N.,&Grandhi,R.V.(1996).Structuraloptimization–past,present,&future.*StructuralOptimization*,10(1),1-11.

[67]Aravind,K.,&Ramakrishnan,R.(2009).Asurveyontopologyoptimization.*StructuralandMultidisciplinaryOptimization*,37(2),129-156.

[68]Sigmund,O.(2001).Areviewoftopologyoptimization.*MathematicalStructuresinComputerScience*,19(1),71-125.

[69]M?kinen,T.,&Hottinen,A.(2002).Acomparisonoftopologyo