驾驶室白车身顶盖优化设计和分析

毛洪海,张钦超,杨延功

（201114 上海市 潍柴动力上海研发中心）

0 引言

随着商用车技术的不断发展和人民生活水平的提高，对商用车的驾乘舒适性要求越来越高，对驾驶室白车身的性能和轻量化的研究也越来越多。马迅等[1]、秦东晨等[2]对客车车身结构模态进行有限元分析，通过研究主要零部件对低阶模态的影响确定车身结构设计中的主要影响因素，为客车车身设计提供了参考依据。李学修[3]建立了驾驶室白车身高有限元模型，以车身的长宽高、前围、地板、顶盖等的厚度为设计变量，以车身质量为目标函数，考虑了性能、频率、位移等约束条件，对车身进行了优化分析。孙志刚等[4]、王新宇等[5]、陈剑等[6]运用不同的方法对驾驶室进行了轻量化研究并发现驾驶室白车身顶盖总成对整车性能贡献中占比很大，因此驾驶室白车身顶盖的优化设计尤为重要。

本文采用拓扑优化、形貌优化和DOE 分析相结合，对驾驶室顶盖进行结构设计和优化。在保证整车1 阶模态频率基础上，大幅降低一些材料的厚度、减小一些钣金件的形貌尺寸等，为设计人员提供有效的数据支持，从而达到驾驶室轻量化目的，节约了材料成本。

1 顶盖优化设计

1.1 顶盖模型建立

根据规划和模块化设计要求，此驾驶室白车身顶盖有天窗模块，因为天窗体积和质量均较大，要求天窗的安装基础要有足够的刚度。由于天窗位于顶盖中间位置，若刚度不足，此布置方式易造成顶盖的呼吸模态偏低，进而引起振动和噪声问题，影响驾乘舒适性，因此需要对顶盖总成进行优化设计。

建立模型如图1 所示，顶盖外板部分设置为优化区域，采用平板形式代替。优化过程只进行约束模态计算，计算内容如表1 所示。

表1 分析内容Tab.1 Analysis content

图1 顶盖总成截断有限元模型Fig.1 Finite element model of truncated top cover assembly

1.2 拓扑优化

将顶盖外板设置为优化区域，外板板厚为优化变量，提取第1 阶模态和优化区域的体积分数为响应，以第1 阶模态的频率为目标函数，进行拓扑迭代，部分迭代步的材料密度云图如图2 所示，部分迭代结果如表2 所示。

表2 拓扑优化部分迭代结果Tab.2 Iteration results of topology optimization part

图2 顶盖拓扑优化材料密度云图Fig.2 Top cover topology optimization material density cloud map

根据顶盖拓扑优化结果，进行顶盖内加强梁的结构形式设计，如图3 所示。

图3 顶盖内加强梁设计结构Fig.3 Design structure of reinforcing beams in the roof

1.3 形貌优化

顶盖外板要求不能有积水，因此外板需要设计流水槽。流水槽位置设计采用形貌优化的方式，优化区域和拓扑优化区域相同，仍然以第1 阶模态的频率为目标函数。顶盖形貌优化形状云图如图4所示，迭代结果如表3 所示。

表3 形貌优化迭代结果Tab.3 Iterative results of topography optimization part

图4 顶盖形貌优化形状云图Fig.4 Top cover topography optimized shape cloud map

根据顶盖形貌优化结果，对顶盖外板的流水槽进行设计，结构形式如图5 所示，由于制造等原因，外板由前、中和后3 块板焊接而成。

图5 顶盖外板流水槽结构Fig.5 Structure of flow tank on outer plate of top cover

经过拓扑优化和形貌优化后，综合设计带流水槽的外板和内加强梁后，形成初步的顶盖总成设计模型。

2 板厚DOE 分析

根据顶盖的局部模态进行板厚的选择和优化，本文采用全因子试验的方法进行DOE 计算，分析各板件对顶盖总成模态的影响。顶盖板厚DOE 分析以外侧前后板、外侧中间板、内侧前后加强筋和内侧中间加强筋的厚度为自变量，顶盖总成1 阶约束模态频率和顶盖总成质量为响应。各变量和响应的线性相关性矩阵图如图6 所示，顶盖总成1 阶模态和质量与顶盖各零件板厚变化曲面如图7 和图8 所示。

图6 顶盖内外板厚度、1 阶模态和总成质量线性相关性矩阵图Fig.6 Matrix of linear correlations between roof inner and outer plate thickness,first-order mode,and assembly mass

图7 顶盖总成1 阶模态与各板厚变化曲面Fig.7 The first-order mode of top cover assembly and changing surface of each plate thickness

图8 顶盖总成质量与各板厚变化曲面Fig.8 Mass of top cover assembly and changing surface of each plate thickness

由顶盖总成DOE 分析结果可知，1 阶模态和外板前后板的厚度相关性最大，而对内侧中间加强梁和外侧中间板厚的关联性较低，由图9 所示模态和各零部件板厚线性关联线可得，增加关联性较高的板、梁厚度可有效提高顶盖总成的模态。

图9 顶盖总成1 阶模态和各零件板厚线性关联线Fig.9 Linear correlation line of the first-order mode of top cover assembly and thickness of each part

3 结论

对驾驶室顶盖模型进行拓扑优化、形貌优化和DOE 分析，结论如下：（1）在结构设计过程中，拓扑优化和板件的形貌优化可以提供零件设计思路，指导原始设计和骨架布置，提高开发效率；（2）顶盖轻量化采用DOE 分析方法，可以直观得到各变量对响应的关联程度，根据不同需要进行取舍，满足不同设计要求；（3）通过CAE 方法可有效实施部件的设计和轻量化。