車身概念階段輕量化設(shè)計

陳東 姜葉潔 張琪

摘 要：概念設(shè)計階段對車身的開發(fā)可以在早期對提升車身性能的同時減輕車身質(zhì)量，在前期通過仿真手段對車身設(shè)計有方向性的指導(dǎo)建議，文章通過結(jié)合網(wǎng)格變形、靈敏度分析以及多目標優(yōu)化，在車身開發(fā)早期對白車身的截面尺寸以及不同位置板厚的分布提供了設(shè)計依據(jù)，縮短了開發(fā)周期，實現(xiàn)了概念階段的輕量化需求。

關(guān)鍵詞：網(wǎng)格變形；靈敏度分析；多目標優(yōu)化；車身概念設(shè)計階段

中圖分類號：U462.1 文獻標識碼：A 文章編號：1671-7988（2018）17-159-04

Abstract： Body of white can be loseweight and improved performace in the early phase. In this paper， considering about the morph and muti-optimazation and sensitivity together， in order to guide the design of main section and the height for different plates. According to the application， the process of design can be reduced.

Keywords： Morph； Sensitivity； Muti-optimazation； loseweight

CLC NO.： U462.1 Document Code： A Article ID： 1671-7988（2018）17-159-04

前言

為了盡可能早、快且全面的控制車身性能和質(zhì)量，在項目開發(fā)前期比如預(yù)研或概念設(shè)計階段沒有詳細設(shè)計數(shù)據(jù)的條件下即開展相關(guān)分析優(yōu)化工作，確定影響車身性能的結(jié)構(gòu)并提供優(yōu)化方案，進而減少人為優(yōu)化帶來的盲目性以及效率低下問題，最終實現(xiàn)性能的快速提升和質(zhì)量的控制，有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計。隨著一些有限元技術(shù)的發(fā)展，把白車身簡化成梁結(jié)構(gòu)的有限元模型，然后根據(jù)梁結(jié)構(gòu)的白車身簡化模型進行靈敏度分析[1]，國內(nèi)外一些學(xué)者通過有限元法對車身梁截面尺寸進行了自動優(yōu)化設(shè)計并已發(fā)表大量文章[2-9]，也有學(xué)者從理論上用解析公式分析梁結(jié)構(gòu)的截面參數(shù)和材料特性對其剛度的影響[10]。但少有人對典型截面的具體幾何尺寸作為設(shè)計參數(shù)，同時考慮梁截面的幾何尺寸對彎扭剛度、模態(tài)以及質(zhì)量的影響，而這種設(shè)計思路，在整車開發(fā)流程中的概念設(shè)計階段的正向開發(fā)中起著關(guān)鍵的作用，能夠有效縮短設(shè)計開發(fā)流程，節(jié)約設(shè)計成本及試驗驗證成本。

本文在車身開發(fā)概念設(shè)計階段引入了網(wǎng)格變形，通過網(wǎng)格變形在沒有白車身設(shè)計數(shù)據(jù)階段，將平臺車型貼合CAS面，形成預(yù)研車體結(jié)構(gòu)，然后通過基礎(chǔ)車體結(jié)構(gòu)，建立形狀參數(shù)和厚度參數(shù)，通過靈敏度分析尋找形狀參數(shù)和厚度參數(shù)對現(xiàn)有車身性能的貢獻度，最后，通過多目標優(yōu)化，對基礎(chǔ)車型的斷面及厚度提供設(shè)計指導(dǎo)依據(jù)。

1 技術(shù)方案流程

從預(yù)研或概念階段開始，通過網(wǎng)格變形實現(xiàn)基礎(chǔ)模型向造型面的快速貼合，建立概念模型，開展相關(guān)方案的校核及優(yōu)化分析；利用參數(shù)化建模及靈敏度分析方法確定影響車身剛度模態(tài)強度等性能的結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)結(jié)構(gòu)小改變、性能大提升的效果，做到事半功倍，有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計；通過多目標優(yōu)化技術(shù)達到各項性能均衡提升的同時質(zhì)量有所控制甚至降低，實現(xiàn)輕量化。另外根據(jù)需要，還可拓展到流體及碰撞領(lǐng)域，開展外造型氣動阻力優(yōu)化工作和碰撞方面的優(yōu)化工作，大大提高分析效率。

2 技術(shù)方案的實施

2.1 快速網(wǎng)格變形

傳統(tǒng)的CAE車身優(yōu)化分析由于受制于CAD數(shù)模的限制，無法在早期無CAD數(shù)模的概念設(shè)計階段開展。本文突破這道瓶頸的解決方案為借助DEP/Morpher通過軸距輪距加長加寬以及造型面貼合等一系列變形，實現(xiàn)了從參考車A到目標概念車B的模型演變，如下圖2。得到的B概念車模型可用于開展接下來的結(jié)構(gòu)優(yōu)化研究分析。

2.2 模型參數(shù)化

參數(shù)優(yōu)化的難點在于如何將期望的改變轉(zhuǎn)化為設(shè)計參數(shù)，讓設(shè)計參數(shù)能在預(yù)設(shè)的范圍內(nèi)任意變化，以便于考察參數(shù)的變化對目標性能的影響。這里借助DEP/Morpher實現(xiàn)了建立重要梁截面寬度與高度變化的參數(shù)、重要接頭大小變化的參數(shù)以及重要鈑金厚度變化的參數(shù)，如下圖3。建立的形狀參數(shù)和厚度參數(shù)共四十個，全面涵蓋了對車身彎扭剛度以及模態(tài)能夠產(chǎn)生影響的因素。

2.3 DOE矩陣生成、響應(yīng)面建立

參數(shù)化模型搭建完成后，首先將設(shè)計參數(shù)導(dǎo)入Isight，運行優(yōu)化拉丁超立方試驗設(shè)計生成設(shè)計參數(shù)的DOE試驗矩陣結(jié)果，為響應(yīng)面準備樣本，一般要求樣本點的數(shù)量為設(shè)計參數(shù)數(shù)量的2～3倍，所以選擇80個樣本點。將DOE試驗矩陣導(dǎo)入DEP/Morpher生成樣本點對應(yīng)的分析模型。讀取各樣本點分析結(jié)果，建立基于RSM（多項式函數(shù)）的響應(yīng)面模型，經(jīng)過響應(yīng)面精度檢驗滿足要求后，響應(yīng)面模型可作為優(yōu)化計算的基礎(chǔ)，如圖4所示。

2.4 靈敏度分析

基于響應(yīng)面模型進行靈敏度分析，可以找到哪些設(shè)計參數(shù)對目標性能的貢獻量最大，找到目標性能的薄弱環(huán)節(jié)，從而能指導(dǎo)設(shè)計工程師有針對性的做相應(yīng)結(jié)構(gòu)加強。分析發(fā)現(xiàn)車身A、B柱下接頭是彎曲模態(tài)相對薄弱的區(qū)域，而扭轉(zhuǎn)模態(tài)主要受流水槽區(qū)域薄弱的影響，如圖5所示。因此想提高彎曲模態(tài)則首先需要對A、B柱接頭加強，想提高扭轉(zhuǎn)模態(tài)則需優(yōu)化流水槽區(qū)域的結(jié)構(gòu)。

2.5 目標性能最優(yōu)解尋找及實現(xiàn)輕量化

通過Isight尋優(yōu)求解，可以找到滿足目標要求的最優(yōu)解決方案。例如我們要求彎曲扭轉(zhuǎn)模態(tài)不能低于40Hz，基于響應(yīng)面模型的尋優(yōu)會為我們找到彎曲扭轉(zhuǎn)模態(tài)不低于40Hz而車身重量是最輕的一個方案。

有了性能滿足要求的最優(yōu)方案，接下來需要做的工作便是減重輕量化，同樣可以利用靈敏度分析結(jié)果，選擇一些對目標性能影響不大的參數(shù)，同時新增一些不明顯影響性能但能明顯降低重量的部件作為參數(shù)，專門開展一輪輕量化的參數(shù)優(yōu)化分析工作。

在ET數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，完成四輪減重優(yōu)化，在各方面性能達標的情況下，減重7.5Kg。

3 應(yīng)用拓展

在汽車空氣動力學(xué)的仿真分析中，優(yōu)化問題一直是一個難點。在以往，造型出一版CAS面之后，CFD會給出一版CAS面相應(yīng)的計算。計算完成后，只能根據(jù)經(jīng)驗來給出優(yōu)化意見。而且由于缺乏相應(yīng)的工具和手段，無法生成優(yōu)化過后的CAS面并進行分析。這樣的流程有著極大的局限性：第一，嚴重依賴仿真工程師的經(jīng)驗，不同的人可能工作的效果就會差別很大。第二，根據(jù)經(jīng)驗給出的優(yōu)化意見沒有經(jīng)過驗證，有極大的局限性，在工程師經(jīng)驗不足的情況下，優(yōu)化意見甚至?xí)霈F(xiàn)相反的效果，使整車空氣動力學(xué)性能變差。第三，根據(jù)經(jīng)驗提出的優(yōu)化往往只能實現(xiàn)CAS面有限的幾個部位的有限的變化，無法得知部分的變化對整體的影響，更無法得到整體的最優(yōu)解。

為了解決這些問題，CFD采用了新的技術(shù)和方法。第一是網(wǎng)格變形的使用。在空氣動力學(xué)的計算中，需要先將CAS面劃分成網(wǎng)格才能完成計算。網(wǎng)格變形可以對劃分好的網(wǎng)格進行變形，也就是對CAS面進行變形。再對變形之后的CAS面網(wǎng)格進行計算分析，得到變形之后的各個空氣動力學(xué)參數(shù)，并與變形之前的比較。這樣就解決了前一段中第一和第二個局限。不同的工程師對CAS面進行變形，變形之后就可以計算出相應(yīng)的結(jié)果。這樣就能給出有力的指導(dǎo)意見，使整車的空氣動力學(xué)性能往好的方向發(fā)展。而不是像以前一樣沒有經(jīng)過計算給出的經(jīng)驗性的意見。第二是參數(shù)化建模和優(yōu)化方法的使用。網(wǎng)格變形技術(shù)使我們的工作有了極大的進步，但仍然不夠完美。由于工作時間的限制，人工的網(wǎng)格變形只能對有限的部位進行有限次的變形，結(jié)果也只能進行有限次的計算，各個變形之間的相互影響更是無法評估。而使用專業(yè)的優(yōu)化方法可以使多處變形對某一個或者多個性能參數(shù)的綜合影響得以體現(xiàn)。比如汽車后擾流板和后?？梢苑謩e向X和Z方向變形，這就有了四種變形組合。假設(shè)每個變形又有10種變化值，最后結(jié)果可能就有104個，而實際的變化值并不是離散的十種，可能有無數(shù)種變化值。而最優(yōu)的值只有一個或者幾個，用人力進行人工的變形基本上無法找到。而使用優(yōu)化技術(shù)，就可以通過分析變形參數(shù)，構(gòu)建DOE矩陣，建立響應(yīng)面，并通過最優(yōu)拉丁方等優(yōu)化方法快速的找到這些最優(yōu)的值。第三是靈敏度分析。在工程中，空氣動力學(xué)性能不是唯一的性能，常常需要與其他性能或布置條件相妥協(xié)?；贒OE矩陣的靈敏度分析可以知道哪些部位的變形對空氣動力學(xué)性能影響較大，哪些部位變形影響較小。在影響較小的部位，空氣動力學(xué)性能可以對其他性能讓步。在較敏感的位置，其他性能可以讓步于空氣動力學(xué)性能。這樣可以做到整車性能最大化的優(yōu)化。

開發(fā)工作流程的變化，圖6—8表現(xiàn)了該技術(shù)的使用對工作流程的優(yōu)化以及工作效率的提高：

4 結(jié)論

概念設(shè)計階段的車身開發(fā)技術(shù)有效實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化，幫助車身減重，節(jié)省材料成本，進而降低燃油消耗，降低使用成本，B車型減重7.5Kg，鍍鋅鋼材6000-9000元/噸，最低節(jié)約45元/輛。

隨著開發(fā)車型逐漸增多，在不借助外力的情況下同步開展多個項目的例行分析和結(jié)構(gòu)優(yōu)化分析，時間和人力嚴重不足，引入該技術(shù)以后，傳統(tǒng)多人力且超過一個月的車身建模和分析時間可以縮短至單人力5工作日左右，效率大大提高，節(jié)省大量時間成本和人力成本。

車身預(yù)研和概念階段即開展相關(guān)分析，在前期即總體控制車身性能和質(zhì)量，有效指導(dǎo)產(chǎn)品設(shè)計方向，避免設(shè)計盲目性和重復(fù)性，減少后期設(shè)計變更，節(jié)省設(shè)計工程師大量時間；企業(yè)貢獻。

參考文獻

[1] 姚乾華.陳昌明.基于車身主斷面力學(xué)特性的靈敏度分析.車輛與動力技術(shù).2007，（4）：5 -8.

[2] 穆國寶.張豐利.陳劍.基于有限元法的白車身模態(tài)和剛度的研究.機械設(shè)計與制造.2010，（04）：31-33

[3] Suh M W.Lee J H. Cho K Y. et al. Section property method andsection shape method for the optimum design of vehicIe body structures[J].InternationaI JournaI of VehicIe Design，2002，30 （l-2）： ll5 ～ l34.

[4] Vinot P.Cogan S.Piranda J.Shape optimization of thin-waIIedbeam- Iike structures[J].

[5] Kim Y Y.Kim T S.TopoIogy optimization of beamcross sections Thin-WaIIed Structures.200l.39 （7）：6ll ～ 630.

[6] Masam ori Takamatsu et aL Development of Lighter-Weight Higher-Stiffness Body for New Rx-7.SAE 920244.

[7] EI-Sayed et Analysis of Auto motive Body Section at Early Design Phases First International Conference on High Performance Struc -tures and Composites High Performance Structures and Compo -sites，2002，（3）：11～13.

[8] Ono K， Himeno R Fukushima T. Prediction of wind noise radiated form passenger cars and its evaluation based on auralization [J]. Journal of Wind Engineering and Industrial Aerodynamics. 1999 （81）.403-419.

[9] Ahmed S R. A survey of automobile aero-acoustic activities in Germany Q. SAE paper 950623.1995.

[10] 孫凌玉.Stephen.Bian.車身薄壁梁結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計的理論研究. 北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2014（12）：30.