黄永旺 李芹英 李利
长安汽车股份有限公司汽车工程研究总院CAE工程所 重庆 401120
摘要：基于OptiStruct平台，利用尺寸优化方法对某车进行轻量化设计。以一阶弯曲、扭转模态和刚度位移为约束条件，质量最小为目标函数。对选取的零部件厚度进行合理的优化设计，实现了车身减重。
关键词：汽车 刚度 模态 优化 轻量化
1 概述
随着燃油价格的有增无减，高油价时代已经悄悄的走到了我们这个时代。在当今的汽车制造业，各个车厂都在为降低车重，减少燃油消耗作为汽车产业的科技发展方向。在不影响汽车汽车应用强度的前提下，扯起重量每减轻1%，燃油消耗就可以降低0.6--1%，从这个数字不难看出降低车重对于减排降耗的重要性。
如何降低汽车整体重量呢？随着科技的发展车身减重优化方法越来越多，OptiStruct中的尺寸优化功能，实现了对车身部零部件的最优料厚分布。不仅减轻了质量，而且合理的设计对整车的性能还有所提升。
2 尺寸灵敏度理论
在进行优化前，首先需要进行灵敏度分析以确定各个设计变量对目标函数的影响因子，再根据影响因子的大小对设计变量进行修改，以便在符合约束条件的情况下，最优化设计目标。设计变量的灵敏度是相对于目标函数而言的，它是通过设计变量的变化而引起的目标函数的变化来衡量，灵敏度分析的是优化分析的基础，在进行优化计算前，完全可以根据灵敏度分析的结果进行结构的改进，这样可以节省大量的计算时间，提高优化效率。
灵敏度分析在数学上可以理解为：
若某一函数F（x）可导，其一阶灵敏度可表示为:
灵敏度计算方法一般有两种，直接求导法和伴随结构法，直接求导法由Fox,R.L 和Kapoor,M.P 提出，经过多人的不断拓展，得到了广泛的推广和应用。伴随结构法是根据电子学中的伴随结构理论,利用特勒根定理和结构力学中的虚功原理之间的相似性，将网络理论扩展到机械结构中的一种方法。伴随结构法一般用于计算一阶灵敏度，而且公式推导及计算比较复杂，概念不直观。而直接求导法物理概念明确，数学推导简单，计算方便，可从一阶灵敏度扩展到高阶灵敏度，因此得到广泛的应用。
3 基础模型分析
3.1 有限元模型描述
利用HyperMesh建立白车身和TB有限元模型，分析模型采用Shell单元建模，焊点用reb3+bar+reb3单元模拟，总装螺栓采用Rbe2+CBar模拟。如下图1所示
3.2 基础模态刚度分析和评价
计算0到50Hz内白车身的自由模态和弯扭刚度，计算结果如下表1所示。
表1基础模型分析结果
4 优化减重
4.1 尺寸优化
应用optimization模块的尺寸优化，选取多组材料厚度属性作为设计变量，以一阶扭转和弯曲扭转刚度位移为约束条件，车身重量为目标函数，进行灵敏度分析。对减重灵敏度较高的部件提取，做进步的料厚尺寸优化分析；灵敏度分析结果如下图2所示。
