电动汽车全参数化车身平台化与模块化建模及性能带宽研究

时间：2024-06-19

谢嘉悦，陈有松，沈国民

（上汽集团商用车技术中心，上海 200438）

当前，汽车行业面临着前所未有的竞争格局，促使各大汽车企业开始研究如何缩短电动汽车车身与电池包的开发周期，提高研发效率。汽车概念设计阶段具有信息量少、结构更改自由度大、产品方案更改成本低、降低成本的几率大等特点。随着产品开发阶段向后推移，汽车产品的设计自由度变小、开发成本逐渐升高。因此，汽车概念设计阶段是实现电动汽车车身与电池包的高性能正向开发的关键阶段。然而，在汽车车身概念设计阶段，CAD工程师很难建立详细的车身模型，缺少CAD数模信息输入，CAE工程师无法获得用于仿真分析的有限元模型，更无法进行概念车身的结构优化设计。概念设计阶段在车身开发过程中起着至关重要的作用，但该阶段往往缺乏详细的CAD/CAE数据，很大程度上限制了汽车车身的快速迭代和优化设计。

为了降低车身开发成本、缩短开发周期，HILMANN等［1］建立了高精度参数化概念模型数据库，开发了参数化概念车身碰撞安全性结构优化的高效设计流程。HÖFER［2］结合CATIA-V5软件的参数化功能、HyperMesh软件以及Batch Assembler软件的批处理功能开发了概念车身模型的快速参数化建模技术。然而该方法难以开展概念车身碰撞安全性的结构优化，存在一定局限性。德国SFE公司［3］开发了隐式全参数化概念车身建模软件，为实现基于性能驱动的车身多学科优化设计提供了模型基础。Future Steel Vehicle协会［4］致力于研究基于性能驱动的汽车车身多学科优化设计。DUAN Libin等［5］构建了一种基于隐式参数化技术的轻量化设计策略，结合了隐式参数化技术、全局灵敏度分析（GSA）和Pareto集追踪（PSP）算法来进行白车身的轻量化设计。单春来等［6］提出了一种基于图分解法的车辆模块化分割方式，以车身底盘为算例，证明该方法可有效缩减开发周期和降低制造成本。侯文彬等［7］提出了一套划分并筛选共享模块和非共享模块的方法，可以在概念设计阶段基于汽车模块化思想对汽车白车身结构实现模块化。王登峰等［8-9］研究了轿车白车身隐式全参数化建模与多目标优化，取得了明显的轻量化效果。张忠元等［10］提出了一种构建轿车白车身隐式参数化模型的方法，在此基础上通过多目标优化实现白车身的轻量化。然而，基于平台化与模块化的电动汽车车身的全隐式参数化模型构建方法尚未完善，未能实现电动汽车车身CAD/CAE一体化模型的模块化快速建模，拉长了电动汽车车身与电池包的开发周期，降低了研发效率。

本文基于隐式参数化方法提出一种电动汽车全参数化车身的平台化与模块化建模策略。首先将车身结构分解为上车体结构与下车体结构，根据设计要求对上下车体各自进行区域划分，定义各区域关键平台化衍生尺寸并进行基线总布置，形成平台化建模策略；然后基于平台化建模对下车体进行功能性模块划分，对上车体进行匹配性模块划分，分别进行参数化建模，形成模块化建模策略；最终建立了电动汽车车身的全参数化模型，实现不同车型的快速衍生，并且根据性能带宽规律研究，探究了轮距、轴距、车高、前端长度以及后端长度变化对刚度和模态性能的影响。

1 隐式参数化建模方法简介

白车身是整车的重要组成部分，白车身的性能是整车的耐撞性、乘坐舒适性、经济性等相关性能的基础，提高白车身的设计效率对降低整车成本、缩短整车的开发周期有着积极的作用。无论是传统燃油车还是纯电动汽车，在概念设计阶段，由于整车造型、车身总布置和整车性能定位的不确定性，导致该阶段的车身设计过程灵活，往往需要根据不同的布置架构适配不同的车身结构，开发过程极为繁琐。但如果在概念设计阶段得不到理想的车身结构形式，到详细设计阶段时，车身总体与局部的装配关系基本确定，很难对某一部分做出大的改动，这种结构带来的限制必然会对整体的性能提升造成极大的影响。传统车身设计的路线如图1所示，首先是对车身结构进行CAD设计，在有了CAD数据的支撑之后，CAE开始网格建模并进行相应的分析，对CAE分析的结果进行后处理。众所周知的是，概念设计阶段需要对模型进行反复修改，这必然导致设计过程的繁复并因此浪费大量时间。

图1 传统车身设计路线

隐式参数化建模方法的出现将CAD数据与CAE数据有效地结合起来，几何模型的修改将直接驱动网格的变形。隐式参数化模型中的最基本元素是点（Point）、线（Line）和截面（Section），通过主点和从点生成基线，基线与基截面生成梁，各元素之间通过映射构建关系，这是隐式参数化模型几何变形可以驱动网格变形的根本原因。隐式参数化建模的实现过程如图2所示。

图2 隐式参数化建模实现过程

2 基于平台化与模块化策略的车身参数化建模

平台化与模块化建模策略的制定是实现电动汽车平台车型快速衍生的保证，只有平台化建模策略与模块化建模方法的共同作用，才能实现性能的快速验证和车型的快速衍生。本文所采用的建模思想导图如图3所示，该部分内容将在2.1节与2.2节中详细介绍。

图3 平台化与模块化建模流程

2.1 平台化建模策略

为更好地介绍本文的电动汽车车身，将平台化建模过程进行归纳概括，形成以下平台化建模的规范。

步骤1：将车体结构分解为上车体结构与下车体结构。上车体决定整车造型的同时还为整车提供一部分保护功能，上车体与下车体共同组成笼型车身结构。下车体为整车重要的承载件，对纯电动汽车而言，电机、电子电器件以及电池包等均挂载于下车体，这些部件的安装点即为车身硬点，因此，对下车体的布置决定了整个电动平台的架构形式，是整个架构平台的基础和性能保证。

步骤2：对下车体结构进行平台化分区。本文的下车体分区如图4所示，主要为：前舱区域、前地板区域和后地板区域。

图4 下车体平台化分区

步骤3：定义前舱区域关键平台化衍生尺寸。前舱总成主要包括前围板总成、前减振塔总成、前纵梁总成、前保险杠总成、前弯梁总成和流水槽总成。如图5所示的尺寸“a”与尺寸“e”的引出点为减振塔中心点，通过调节尺寸“e”，可以匹配不同的减振塔模块，从而匹配不同的前悬系统，满足SUV、MPV、轿车等不同车型的要求。同时，前舱是新能源电机的放置区，是正面碰撞的主要吸能区，因此，在正面碰撞各工况中，前舱扮演着极其重要的角色。通过调整尺寸“a1”，可以有效控制吸能盒组件的设计空间，自由替换满足不同性能要求的吸能盒。通过控制尺寸“a2”，可以调节前纵梁长度，从而对前舱进行加长或缩短。尺寸“a1”与“a2”为新能源电机和乘员的安全性设计提供了选择。

图5 平台化前舱示意图

步骤4：定义前地板区域关键平台化衍生尺寸。前地板总成主要包括各地板横梁、大梁、门槛梁总成等。根据整车总布置要求和人机工程要求，汽车前轮到踏板的x向尺寸是固定不变的且前排座椅应该有一定的调节空间，因此，如图6所示的尺寸“b1”与“b2”一般情况下不会变化，该尺寸存在的作用将在“2.2 模块化建模策略”中详细解释。纯电动汽车的动力来源为电池包，电动汽车的定位不同，对电池包的需求往往也不同，通过调整尺寸“b3”可以匹配不同电量的电池包，从而满足不同车型的续驶里程需求。

图6 平台化前地板示意图

步骤5：定义后地板区域关键平台化衍生尺寸。后地板总成主要包含各地板横梁、后纵梁、后减振塔等。图7所示的尺寸“c1”与“c2”的公共引出点为后减振塔中心点，通过调整尺寸“b3”与“c1”的长度，可以实现整车轴距尺寸的变化。通过调整尺寸“c3”，可以实现后悬尺寸的变化，从而匹配不同类型的后悬架。

图7 平台化后地板示意图

步骤6：基于上述区域划分和关键衍生尺寸的下车体平台基线总布置。从隐式参数化建模角度讲，基线的布置决定了后续平台变化的方式，是平台化建模策略的关键所在，因此，为实现车型的快速衍生，对下车体进行如图8a所示的基线布置。使用隐式参数化建模软件建立下车体，具体细节此处不再赘述，根据基线布置建成的下车体如图8b所示。

图8 考虑平台化建模的下车体

本章所提供的电动平台架构为后面的模块化建模提供了支撑，能很好地实现架构零部件的共用，在级别跨度范围内，车身关键过渡区域和关键硬点具有较高的兼容性，能满足本文优化或后续工程规划的性能带宽和尺寸带宽。

2.2 模块化建模策略

从前期建模角度来说，模块化建模可以按分层结构来组织系统模型，使模型条理清晰，便于管理。共用的模块可以大大减少建模工作量，在降低建模成本的同时大大提高模型可靠性。因为模块的划分，所以模型可实现并行开发，加快建模速度。从后期生产的角度来说，零件共用和生产线共用在极大程度上节约了成本，可实现车型的快速衍生，满足市场需求，因此，模块化建模是极为有意义的。在整车模块化建模策略上，上车体为匹配性模块划分（即其模块划分依据主要是匹配下车体）；下车体为功能性模块划分（即下车体建模主要考虑共用零件的区域、平台衍生区域、子系统性能验证的便捷性等）。对本文的模块化建模策略进行归纳总结，形成如下模块化建模的规范。

步骤1：在平台化区域划分的基础上进行区域界限细分。按照平台化分区策略，将下车体模块分为前舱模块、前地板模块和后地板模块。其中，前舱模块的划分区间为前防撞梁到前地板与防火墙的焊接分缝线位置；后地板模块的划分区间为后段地板与轮罩前焊接分缝线以后的区域；前地板区域的划分区间为前舱模块与后地板模块之间的部分。

步骤2：对前舱模块中的功能性部件进行模块化建模。前舱模块中考虑衍生的功能性总成有前纵梁总成和前减振塔总成，其余模块变化较小，可根据实际情况作为沿用件在其他车型中使用。前纵梁总成如图9所示：将前纵梁总成分为3段，第1段为前纵梁的最前端到减振塔最前端，该段是正面碰撞过程中的主要能量吸收段；第2段为减振塔最前端到减振塔中心位置，该段在碰撞过程中吸能较少，整体变形较小，在正面碰撞中对电机可以起到很好的保护作用；第3段为减振塔中心到防火墙，在发生碰撞时，该段的变形行为主要表现为整体折弯，这种变形模式可以避免前纵梁受到冲击直接插入乘员舱，因此能对前排乘员起到很好的保护作用。为考虑模块的快速衍生，上述前纵梁总成采用“主点”的方式进行建模。

图9 前纵梁总成建模策略

减振塔采用“T”字型的基线布置，基线的交点处采用“主点”，其余点为“从点”，采用“主、从点”建模的优势在于只需要通过“主点”的移动，就能实现前悬的前移或后移。建模完成后的减振塔模型如图10所示。

图10 减振塔总成建模策略

步骤3：对后地板模块进行模块化建模。为方便对各个部件的管控，将后地板分为3段，建模完成的后地板如图11所示。第1段为前地板后端焊接分缝线到后轮罩中心，与前减振塔类似的，后轮罩也采用“主、从点”的建模方法，后轮罩中心采用“主点”，其余采用 “从点”。采用这种建模方法的主要目的在于通过对“主点”的控制即可快捷地实现整车轴距的拉长与缩短。后地板的第2段为后轮罩中心到后轮罩最后端，该段一般变化较小，可以考虑作为沿用区。第3段为后轮罩中心到后防撞梁端面，该区域可作为沿用区考虑，也可以根据实际车型要求进行加长或缩短从而实现车厢空间的变化。

图11 后地板总成建模策略

步骤4：对前地板模块进行模块化建模。前地板主要包含前地板主体部分、各横梁及纵梁，是乘员舱的主要承载区。建模时，将前地板分为如图12所示的5个区域，其中，A区域由前地板前端开始到A柱下接头的末端结束，B区域由A柱下接头的末端开始到B柱下接头前端结束。C区域对应的是B柱存在的位置。D区域为B柱下接头末端到C柱下接头前端之间的部分，E区域为C柱下接头到前地板末端之间的部分，D区域与E区域可作为前地板模块的长度变化区满足SUV、MPV等各种车型的要求。建模完成后的前地板总成如图13所示。

图12 前地板总成建模策略

图13 前地板总成模型

步骤5：对上车体进行基于下车体模块的匹配性建模。上车体的模块化分区及建模方式与下车体类似，此处不再赘述。建模完成后的隐式参数化模型如图14所示。

图14 整车模块化建模

2.3 实现平台车型谱

如图3的建模思想导图所示，2.1节初步形成了电动汽车平台化建模策略，2.2节初步形成了电动汽车模块化建模策略，平台化建模思想与模块化建模方法共同作用，即可实现车型的快速衍生。本节给出了以下几种车型衍生方法。

衍生1：加长或缩短前端长度。如图15所示，前端长度的变化主要是通过调节尺寸a2来实现的，即对前减振塔基线的“主点”进行前移或后移，为满足更多的性能要求或空间布置要求，还可以配合修改前纵梁不同功能区的尺寸。

图15 前端的衍生

衍生2：加长或缩短后端长度。如图16所示，后端长度的变化方式与前端长度类似，主要是通过调节后地板区域的A区与C区来实现的，而这两个区域的调节即为对后轮罩模块和后减振塔模块“主点”的调节。

图16 后端的衍生

衍生3：加宽或减小轮距。如图17所示，轮距的变化主要是通过调节尺寸e2与j2来实现的，即同时对前减振塔模块的“主点”、后减振塔模块的“主点”以及后轮罩模块的“主点”进行调节。

图17 轮距的衍生

衍生4：车高变化。如图18所示，通过上下移动各顶盖横梁及顶盖的基点和基线可以实现车高的变化。

图18 车高的衍生

由上述几种典型的车型衍生方式也可以看出，采用本文所提出的平台化与模块化建模策略，通常只需要对关键模块的基线或基点进行简单地移动即可实现车型的快速衍生，大大提高了建模效率。

3 车身与电池包架构平台的性能带宽规律探究

同一架构平台下不同车型由于配置不同、外形尺寸不同从而导致车身的各性能指标也不尽相同，因此，对不同尺寸变化导致的性能变化规律进行探究。在白车身各项性能中，基于3节的全参数化模型，探究了目标车型轴距、轮距、车高、前端长度、后端长度的变化对扭转刚度、一阶扭转模态、一阶弯曲模态和前端横摆模态的影响。

图19 尺寸变化示意图

通过控制尺寸“e”和尺寸“j”进行轮距的调整，调整后的性能变化曲线如图20所示。对比质量曲线与扭转刚度曲线可以发现，随着轮距的增加，白车身质量增加，各模态呈现下降趋势，扭转刚度呈现增加的趋势，但是牺牲质量而带来的扭转刚度增加收益不高。

图20 轮距变化各性能曲线

通过控制2.1节平台化建模策略所示的尺寸“a”和尺寸“c”进行轴距的调整，调整后的性能变化曲线如图21所示。随着轴距的增加，各模态呈线性下降的趋势，而与轮距变化不同的是，扭转刚度呈现线性下降趋势，因此，当设计空间较大时，可以灵活地组合轮距与轴距实现扭转刚度的提升，同时保证较高的轻量化水平。

图21 轴距变化各性能曲线

通过对顶盖基点与基线的调整，可以实现整车高度的变化，变化后的性能曲线如图22所示。随着车高的增加，各模态呈线性下降趋势，扭转刚度呈现线性上升趋势。

图22 车高变化各性能曲线

通过移动如3.2节所述前悬与后悬“T”型基线的主节点，可以实现前端长度与后端长度的加长与缩短，变化后的性能曲线如图23和图24所示。其中，当前端长度与后端长度变化时，扭转刚度的变化趋势是一致的，但是后端长度变化导致的扭转刚度变化率大于前端长度变化导致的扭转刚度变化率，即缩短后端长度带来的扭转刚度提升收益更高。同时，对比各模态的变化曲线可以看出，随着前端长度或后端长度的增加，各模态呈下降趋势。

图23 前端长度变化各性能曲线

图24 后端长度变化各性能曲线

同时对比了如图25所示的轴距与轮距变化时各模态性能的变化：通过对比前端横摆模态曲线和一阶扭转模态曲线可以发现，轮距对应的质量曲线斜率比轴距对应的质量曲线斜率大，当衍生比目标车型更大的车型时，轴距增加所带来的前端横摆模态和一阶扭转模态的提高收益更大。当轴距或轮距增加时，轮距变化对应的一阶弯曲模态均大于轴距变化对应的一阶弯曲模态且二者下降的曲率接近，考虑到轮距对应的质量曲线斜率比轴距对应的质量曲线斜率大，因此，小范围的轮距增加对一阶弯曲模态是有益的，但是当轮距增加较大时，用较大的质量增加换来的一阶弯曲模态是不可取的。

图25 轮距与轴距变化各模态性能对比曲线