基于隱式參數(shù)化正向建模的車身概念設(shè)計方法研究

黃炎 蘇松松 馮明松

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

傳統(tǒng)的開發(fā)流程，CAE分析在車身設(shè)計流程中介入較晚，且主要是驗證分析的作用，無法充分利用CAE分析手段進行優(yōu)化設(shè)計。而在前期概念設(shè)計階段，工程師可以有很大的設(shè)計空間尋求多種設(shè)計方案，從中篩選出最好的結(jié)構(gòu)，此時引入仿真技術(shù)來指導工程師的設(shè)計決策將會帶來革命性的進步[1]。如果能在概念階段就進行大量的CAE分析，就可以早發(fā)現(xiàn)問題，早解決問題，從而極大程度的提高研發(fā)效率和質(zhì)量，保證后期研發(fā)的順利進行，有效降低研發(fā)成本。

在概念階段，設(shè)計部門所能給出的設(shè)計參數(shù)十分有限，也許只有造型面、參考車型和總布置參數(shù)等少量信息。傳統(tǒng)的方法中，要等CAD部門設(shè)計出完整的數(shù)模，CAE才能建立有限元模型，再進行分析，所提出的優(yōu)化方案也須先做出CAD數(shù)據(jù)才能進行CAE校核。這樣循環(huán)往復不僅耗費大量人力物力，更是大大延長了研發(fā)周期。

因此，必須采用參數(shù)化建模的方法，在前期有限的輸入下，直接建立有限元模型。本文中采用的軟件是SFE Concept[2]（以下簡稱SFE），設(shè)計團隊可以利用SFE軟件參數(shù)化的特點，快速建立概念車身模型，并能自動劃分有限元網(wǎng)格。從而及時掌握概念模型的性能，優(yōu)化方案也能直接校驗，使得設(shè)計更加高效、合理，真正實現(xiàn)“分析驅(qū)動設(shè)計”。

2 理論與工具方法

2.1 隱式參數(shù)化技術(shù)

傳統(tǒng)的參數(shù)化技術(shù)不是利用諸如多項式等數(shù)學描述方式直接進行創(chuàng)建和修改，而是由一系列抽象的參數(shù)形成。幾何體之間的關(guān)系只可通過線性方程組來描述，這稱為“顯式”參數(shù)化。這樣很難實現(xiàn)對復雜裝配總成如白車身等結(jié)構(gòu)進行設(shè)計[3]。

而本文采用的隱式參數(shù)化技術(shù)中，單個模型幾何形狀有3種類型參數(shù)控制：控制點位置、線曲率和截面形狀。通過映射關(guān)系建立零件之間的參數(shù)化裝配關(guān)系。因為所有參數(shù)在邏輯上相互關(guān)聯(lián)，所以每一個參數(shù)的改變都會使它周邊與之關(guān)聯(lián)的參數(shù)發(fā)生相應變化[4]。

隱式參數(shù)化技術(shù)根據(jù)車身結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的有限元模型或幾何模型，建立幾何結(jié)構(gòu)一致的參數(shù)化模型，該模型有兩個功能：第一，模型結(jié)構(gòu)具有全參數(shù)化功能，集合結(jié)構(gòu)的位置、尺寸和形狀等可任意改變，能記錄改變的過程并保存為設(shè)計變量；第二，幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的參數(shù)化模型可以產(chǎn)生集合結(jié)構(gòu)相同并滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求的有限元模型，基于上述功能，隱式參數(shù)化技術(shù)成為車身結(jié)構(gòu)設(shè)計優(yōu)化的有力工具。而目前常用的morphing技術(shù)，只能通過調(diào)整控制點來修改幾何形狀，不能自動修改網(wǎng)格的數(shù)量、質(zhì)量和拓撲關(guān)系，容易導致局部網(wǎng)格扭曲而質(zhì)量變差，嚴重時甚至無法運算[5]。

2.2 參數(shù)化正向建模的必要性

在白車身前期概念設(shè)計階段，由于有大量的數(shù)據(jù)不能確定，沒有完整的CAD模型，無法進行精確的性能仿真分析。既不能掌握車身的具體性能參數(shù)，又無法針對薄弱區(qū)域做優(yōu)化提升。所以在傳統(tǒng)個設(shè)計流程中，概念設(shè)計階段主要依靠經(jīng)驗判斷和簡化模型（如利用網(wǎng)格變形技術(shù)）進行粗略評估，計算精度較差。導致概念設(shè)計階段廣闊的設(shè)計空間無法發(fā)揮。

而采用參數(shù)化正向建模方法，只要有造型、截面等少數(shù)參數(shù)，就可以在缺少詳細CAD數(shù)據(jù)的概念設(shè)計階段也能建立可靠精確的有限元分析模型。這樣不僅在設(shè)計初期就能分析校核，了解性能，還可以進行多學科優(yōu)化，充分展現(xiàn)概念階段的設(shè)計可能性。

使用參數(shù)化模塊化方法描述車身拓撲結(jié)構(gòu)，將復雜的車身結(jié)構(gòu)以斷面、梁、接頭和自由曲面等形式模塊化體現(xiàn)出來。換句話說，就是通過簡單的幾何拓撲結(jié)構(gòu)描述了復雜的車身結(jié)構(gòu)，大大縮短了建模的時間，減少了建模難度。同時，SFE建?？梢宰詣由蓭Ш更c等連接信息的有限元模型，直接用于CAE分析優(yōu)化。

2.3 開發(fā)效率分析

在概念階段高效建立參數(shù)化模型的關(guān)鍵是CAD和CAE兩部門協(xié)同配合，既要CAD部門提供最新的設(shè)計思路和參考結(jié)構(gòu)，又要CAE運用豐富的優(yōu)化經(jīng)驗建立精確而簡潔的模型。在獲得基礎(chǔ)模型之后的優(yōu)化工作也需要緊跟實際可行設(shè)計方向去開展。

相較于傳統(tǒng)的車身開發(fā)流程，使用參數(shù)化正向建模方法可以提前3個月得到白車身模型和剛度、模態(tài)分析數(shù)據(jù)，提前2個半月得到碰撞分析數(shù)據(jù)。詳細開發(fā)流程對比如圖1所示。

由圖1可看出，SFE平臺開發(fā)流程較傳統(tǒng)開發(fā)流程，CAE部門介入提前約4個月，設(shè)計部門與CAE分析部門可提前4個月得到概念車身模型的分析數(shù)據(jù)，更好的進行設(shè)計工作。

2.4 參數(shù)化正向建模開發(fā)流程

使用SFE軟件能正向建立CAD/CAE一體化的參數(shù)化模型，該模型作為前期車。

身概念開發(fā)的平臺，圍繞該平臺可以進行各類優(yōu)化分析工作。詳細開發(fā)流程如圖2所示。

3 參數(shù)化正向建模方法

參數(shù)化正向建模整體可劃分為三大部分。第一部分為正向建模數(shù)據(jù)準備，包括參考車型的CAE數(shù)據(jù)、總布置參數(shù)、造型面、截面數(shù)據(jù)等；第二部分為SFE參數(shù)化建模；第三部分為模型調(diào)試檢查，保證模型無穿透干涉或其它錯誤，可進行有限元分析優(yōu)化。流程如圖3所示。

3.1 正向建模的必要輸入

SFE模型建立需要必要的輸入，輸入可以是參考模型的CAE數(shù)據(jù)（推薦）、CAD數(shù)據(jù)、總布置數(shù)據(jù)等。詳細的數(shù)據(jù)輸入可提高建模效率。

（1）參考模型CAE/CAD模型

圖1 開發(fā)流程對比

圖2 開發(fā)流程

建議使用參考模型的CAE數(shù)據(jù)進行建模。參考模型可以是上一代車型的有限元數(shù)據(jù)，也可以是對標車型數(shù)據(jù)。

（2）造型數(shù)據(jù)（CAS）

造型數(shù)據(jù)是參數(shù)化正向建模必須滿足的硬性約束，優(yōu)先級最高。如在建模過程中發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)沖突，則以造型數(shù)據(jù)為準。

（3）截面數(shù)據(jù)

根據(jù)截面數(shù)據(jù)可以較為精確的確認車身主要結(jié)構(gòu)位置。通過截面可以初步判斷相關(guān)接頭的搭接形式，可進行接頭建模。

（4）工況加載

CAE計算所需要的文件數(shù)據(jù)（如加載，約束，材料及厚度）等。建議將計算所需要的文件數(shù)據(jù)單獨編制控制卡片進行計算。

3.2 正向建立參數(shù)化模型技巧

（1）由于介入車身開發(fā)的時間較早，可能無法獲得較為詳細的數(shù)據(jù)，所以建模時優(yōu)先采用較為明確的數(shù)據(jù)，不確定的數(shù)據(jù)可以簡化。先按照優(yōu)先分析的性能要求建模，其他性能相關(guān)的附屬結(jié)構(gòu)可先省略，待需分析該性能時逐步添加。

（2）提前規(guī)劃模型的設(shè)計空間，以便的后續(xù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化，避免結(jié)構(gòu)更改造成模型穿透。

（3）由于SFE模型具有模塊化的特點，在正向建模的過程中可以參考已有的SFE模型，進行修改后直接使用。如圖4所示，可調(diào)用企業(yè)內(nèi)部數(shù)據(jù)。有條件可以建立一個模塊化數(shù)據(jù)庫，將多種車身按不同級別整理進數(shù)據(jù)庫中。建模時就可以最大程度利用相同或相似結(jié)構(gòu)的模塊，再將更改其中不同的結(jié)構(gòu)，這樣可大大節(jié)約建模時間[6]。

4 應用案例

4.1 某MPV車型前期正向建模

以國內(nèi)某款自主研發(fā)的MPV新車型為例，在前期概念階段根據(jù)車身總布置參數(shù)、造型面和上車體截面數(shù)據(jù)為約束，分別從兩款不同參考車型取出上下車體進行拼裝。

下車體選用的參考車型是同平臺的SUV下車體，結(jié)構(gòu)較為相似。上車體則是

上車體建模時，由于結(jié)構(gòu)尺寸有一定差異，所以先按照參考模型建出各個梁結(jié)構(gòu)，再根據(jù)造型面和截面數(shù)據(jù)放置到合適的位置，把基礎(chǔ)框架確定好。然后再根據(jù)具體的梁結(jié)構(gòu)去各個接頭，拼接完整。D柱下接頭建模時一定要提前考慮與下車體的搭接形式，否則可能無法拼接。上下車體完成后再總拼就可以得到完整的白車身了。

4.2 模型初始性能

總拼完成之后，加載剛度、模態(tài)工況，計算出模型的初始性能。

4.3 多性能優(yōu)化輕量化

（1）拓撲優(yōu)化

以建好的參數(shù)化模型結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，建立邊長為20的四邊形有限元拓撲網(wǎng)格模型。加載彎曲、扭轉(zhuǎn)、后扭、正碰、側(cè)碰等多種工況，分別計算單一工況和綜合工況的拓撲模型，尋找有效的傳力路徑，解析出有效方案。

圖3 正向建模流程

圖4 數(shù)據(jù)庫模塊調(diào)用

圖5 正向建模輸入

圖6 先建梁再建接頭

（2）截面尺寸優(yōu)化

使用Isight平臺搭建DOE試驗流程，分析上車體關(guān)鍵截面對剛度、模態(tài)和重量的敏感度。增大對性能敏感的截面，減小對重量敏感的截面，在提升性能的同時，也考慮輕量化的優(yōu)化。

(3）零件厚度優(yōu)化

使用Genesis軟件基于彎扭剛度和模態(tài)對車身零件厚度進行優(yōu)化，以輕量化為主要控制目標，少數(shù)性能提升關(guān)鍵零件厚度也可以提高。

(4）細節(jié)優(yōu)化

通過基于彎扭剛度和模態(tài)的自由尺寸優(yōu)化和2D拓撲優(yōu)化，對零件做一些開孔、局部形貌、翻邊的優(yōu)化方案，以改善連接性能、減輕重量。

4.4 優(yōu)化前后性能對比分析

通過多學科優(yōu)化后，各項性能幾乎都有大幅度提高，而質(zhì)量僅增加0.5%，效果明顯。

4.5 參數(shù)化模型分析可靠性對比

車身部門采用優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)建立了CAD模型，CAE再按照傳統(tǒng)方法建立有限元模型分析校核，結(jié)果與參數(shù)化模型的參數(shù)非常接近，可靠性很高。說明參數(shù)化模型可用于校核與指導概念設(shè)計階段的相關(guān)工作。

5 結(jié)語

（1）在車身開發(fā)概念設(shè)計階段進行參數(shù)化正向建模，及早介入CAE優(yōu)化手段，將大大提高研發(fā)效率，更有效的開發(fā)出高性能、輕質(zhì)量的車身。

（2）通過拓撲優(yōu)化、截面尺寸優(yōu)化、零件厚度優(yōu)化、細節(jié)優(yōu)化等多輪優(yōu)化分析，提升扭轉(zhuǎn)剛度12.6%、彎曲剛度14.1%、尾門框模態(tài)6.3%、一階彎曲模態(tài)1.4%、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)4.4%，而白車身質(zhì)量僅增加了1.7Kg，而且結(jié)果可靠性很高。

（3）圍繞參數(shù)化正向建模的設(shè)計開發(fā)流程高效結(jié)合了CAD與CAE的工作，在CAE優(yōu)化得同時參與到結(jié)構(gòu)設(shè)計中，而在車身設(shè)計時也能及時的了解白車身的性能。從而使得設(shè)計更加高效、合理，真正實現(xiàn)“分析驅(qū)動設(shè)計”。

表1 模型初始性能

圖8 零件厚度優(yōu)化

表2 截面尺寸優(yōu)化列表

圖9 前排座椅橫梁局部自由尺寸優(yōu)化結(jié)果及工程解析

圖10 流水槽和前排橫梁開孔

表3 優(yōu)化前后性能對比

表4 模型可靠性對比