某框架式車身模態(tài)分析與優(yōu)化①

屈 浩， 王曉華， 章 桐

(同濟(jì)大學(xué)新能源工程中心，上海201804)

0 引言

傳統(tǒng)汽車車身主要通過模具開發(fā)、鈑金沖壓到鈑金件的激光拼焊接等環(huán)節(jié)來完成，整個體系龐大，成本高昂，加工精度要求苛刻.框架式車身主要通過選用現(xiàn)有型材經(jīng)過點(diǎn)焊、連續(xù)焊和螺栓等工藝和連接方式來進(jìn)行組裝，相比之下框架式車身具有加工工藝方便、選材靈活、無需開模、生產(chǎn)成本低、易于結(jié)構(gòu)改裝和平臺化升級等諸多優(yōu)點(diǎn).所以，在樣車試制階段，諸多整車制造商選擇框架式車身進(jìn)行功能設(shè)計和性能測試.

本文框架式車身來源于某燃料電池汽車車身，主要對其模態(tài)進(jìn)行分析與優(yōu)化.

1 有限元模型及分析

1.1 建 模

框架式車身有限元模型的建立是將各部件的幾何模型經(jīng)過IGES格式轉(zhuǎn)換，調(diào)入HyperMesh軟件中進(jìn)行有限元網(wǎng)格化.因?yàn)檐嚿碇饕跃匦谓孛嫘筒臉?gòu)成，有限元建模時抽取各構(gòu)件中面，采用殼單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，其中以四邊形殼單元為主，只在各部件連接部位和不規(guī)則曲線處采用了少量三角形單元［1］.

1.2 連接部位及材料

為保證各構(gòu)件連接處的整體性，在各構(gòu)件均采用共節(jié)點(diǎn)方式進(jìn)行連接，只在前后險杠和支架處采用焊接單元，材料采用鋼材，見材料特性表.螺栓連接采用RB2單元聯(lián)接整個車身均采用鋼材，車身如圖1，具體材料參數(shù)如下表1所示:

圖1 主車身模型

圖2 DOE計算平臺流程圖

圖3 Pareto圖

表1 材料參數(shù)

1.3 標(biāo)準(zhǔn)模態(tài)計算分析

在Hypermesh前處理中加載模態(tài)計算參數(shù)及卡片，經(jīng)求解器Nastran求得原始車身模態(tài)如表2所示:

表2 原始車身模態(tài)數(shù)據(jù)

2 車身模態(tài)DOE計算分析

2.1 自動優(yōu)化技術(shù)

自動優(yōu)化技術(shù)是用優(yōu)化工具與有限元建模工具階求解器聯(lián)合起來實(shí)現(xiàn)自動優(yōu)化的功能，包括優(yōu)化問題的定義和不同軟件集成過程，最后還有在優(yōu)化工具中進(jìn)行優(yōu)化算法選擇及循環(huán)實(shí)現(xiàn)過程［2］.本文選取的優(yōu)化軟件為Isight，有限元模型使用上文中已建好模型，求解器采用Nastran.上述用Hypermesh建好的模型需導(dǎo)出符合求解器格式的文件.選擇NASTRAN是因?yàn)樗牡挠嬎憬Y(jié)果與其它質(zhì)量規(guī)范相比已成為最高質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)，得到有限元界的一致公認(rèn).

2.2 Isight中DOE計算平臺搭建

在Isight中建立計算流程，以Hypermesh導(dǎo)出文件Modal.bdf為輸入文件，Nastran計算結(jié)果文件Modal.f06為輸出文件，搭建Isight中DOE計算平臺.如圖2所示:

在集成時，Isight會對輸入文件 Modal.bdf進(jìn)行解析，得到不同的設(shè)計變量T(本文選取多個不同零件的厚度)，并將變量映射到軟件中;再通過批處理命令在批處理模式下調(diào)用有限元求解器Nastran計算，最后其計算輸出文件modal.f06進(jìn)行文件解析，從中解析得到各階模態(tài)的結(jié)果數(shù)據(jù).

2.3 DOE 技術(shù)

試驗(yàn)設(shè)計(design of experiments，DOE)是指有關(guān)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計方法，指在知道明確的實(shí)驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的前提下，對投入的實(shí)驗(yàn)因素、各因素水平及實(shí)驗(yàn)的次數(shù)作具體的設(shè)計和安排［3］.它的優(yōu)點(diǎn)有:能研究多因素的影響;可確定最大影響因素的設(shè)計變量，減少設(shè)計變量的個數(shù);可以得到優(yōu)化設(shè)計的粗略估計和趨勢;完全由設(shè)計者的掌握設(shè)計，可以多次實(shí)現(xiàn)等.

DOE方法主要有中心復(fù)合法、拉丁方法和優(yōu)化拉丁方法、全因子法、參數(shù)試驗(yàn)法、數(shù)據(jù)文件法、正交試驗(yàn)法等.拉丁方法是使每個因素的水平等于點(diǎn)數(shù)進(jìn)行設(shè)計，并進(jìn)行隨機(jī)的組合，有高效性和精確性的優(yōu)點(diǎn)，選取的樣本點(diǎn)相對較少.所以選用拉丁方法進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計.

計算輸入變量及參數(shù)，共40個零件，以厚度為設(shè)計參數(shù)，在Isight中應(yīng)用拉丁方法在1mm≤T≤3mm設(shè)計空間內(nèi)進(jìn)行均勻采樣，采樣點(diǎn)數(shù)100.如表3所示:

表3 零件設(shè)計參數(shù)

本次DOE計算以40個零件厚度為設(shè)計參數(shù)，約束為1mm至3mm.前六階模態(tài)作為目標(biāo)輸出，目標(biāo)值越大越好.經(jīng)過計算得到樣本點(diǎn)結(jié)果如表4所示.

表4 DOE計算結(jié)果

11 1.45 2.43 3.00 … 24.85 25.81 44.46 12 1.49 2.14 2.80 … 25.28 25.82 44.43 13 1.53 1.78 1.78 … 25.10 25.83 44.82 14 1.57 2.88 2.27 … 24.70 26.66 44.59 15 1.61 2.06 2.63 … 25.25 27.72 45.07…… …… ……

從表中可以看出不同零件厚度參數(shù)可以得出不同的模態(tài)結(jié)果，但框架式車身型材的尺寸不可能如此多變且每個部件的參數(shù)都不一樣，并且制造精度也達(dá)不到DOE設(shè)計參數(shù)的要求，精確地小數(shù)點(diǎn)后兩位.

可以借助其他手段研究這100組中的結(jié)果，分析每個零件參數(shù)對模態(tài)影響程度，從而達(dá)到提高優(yōu)化效率的目的.

3 Pareto圖分析及優(yōu)化

Pareto圖是一種柱狀圖，它按事件發(fā)生的頻率排列而成，它顯示由于各種因素引起的目標(biāo)改變的排列順序，是找出影響目標(biāo)的主要因素的方法.找到影響的主要因素，才會減少工作量，提高效率.

Pareto圖中藍(lán)色的條形表示該項(xiàng)對相應(yīng)的影響是正效應(yīng)，反之，紅色則表示反效應(yīng)［4］.本文只選取前三階階模態(tài)的Pareto圖，并且選擇線性關(guān)系圖.如圖3所示，表示不同零件厚度對不同階數(shù)模態(tài)的正負(fù)效應(yīng)影響.

從圖中可以找到對目標(biāo)模態(tài)影響較大的零件，從中分別選取對模態(tài)正影響和負(fù)影響各8個零部件，這將大大減少優(yōu)化的零件數(shù)目，提高優(yōu)化效率.具體優(yōu)化方法為提高正影響零件的厚度，減少負(fù)影響零件的厚度，由于框架式車身用的是型材，原始厚度均為1.5mm.對于正影響交大的我們直接增大到2mm，負(fù)影響減少到1mm.如表4所示:

表5 影響因素較大的零件表

T30 1.5 1 T32 1.5 1 T110 1.5 1 T17 1.5 1 T113 1.5 1 T111 1.5 1

優(yōu)化后算得車身模態(tài)結(jié)果與原始結(jié)果對比如表5所示，優(yōu)化后的車身質(zhì)量并沒有顯著改變，只增加0.3kg，在重量增加極少的情況下，各階模態(tài)卻有顯著提高.

表6 優(yōu)化后結(jié)果對比

4 結(jié)論

通過優(yōu)化軟件集成有限元求解器軟件，建立相應(yīng)的仿真優(yōu)化平臺，利用DOE實(shí)驗(yàn)設(shè)計并經(jīng)過Pareto圖分析，選取影響因素較大零件對框架式車身優(yōu)化，最終得到了比原來更好結(jié)果的模型，同時也滿足輕量化要求的尺寸.整個優(yōu)化過程表明，該方法可行性很高，減少了框架式車身模態(tài)優(yōu)化的工作量，有很高實(shí)際應(yīng)用意義.

［1］張平，雷雨成，高翔，等.轎車車身模態(tài)分析及結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計［J］.汽車技術(shù)，2006(4).

［2］任利.基于Isight的多學(xué)科設(shè)計優(yōu)化平臺的研究與實(shí)現(xiàn)［J］.山東科技大學(xué).

［3］Ronald Fisher，Design of Experiment［M］.1935.

［4］顏廷雷，白車身結(jié)構(gòu)分析及多目標(biāo)優(yōu)化研究［D］.長沙:湖南大學(xué)，2011.