隱式全參數(shù)化車身輕量化方法

楊旭 劉瑩 喬鑫 魯永建 夏天 王俊峰

（華晨汽車工程研究院）

車身的性能很大程度上取決于車身概念設(shè)計階段方案的選擇。在車身概念設(shè)計階段，如果能精確地控制車身的性能指標，可以大大縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，利于保證產(chǎn)品后期性能的穩(wěn)定性[1]。汽車設(shè)計過程中，輕量化是開發(fā)人員比較關(guān)注的指標，研究表明，汽車的尾氣排放和油耗與汽車的質(zhì)量有一定關(guān)系，汽車質(zhì)量下降10%，尾氣CO2排放量下降13%，油耗下降6%～8%[2]。因此，如何找到一個車身性能與輕量化的最佳設(shè)計平衡點十分重要。文獻[3]對汽車輕量化多學科設(shè)計優(yōu)化方法進行綜述，將復(fù)雜的多學科問題加以分解，降低了優(yōu)化問題的復(fù)雜度。文獻[4]通過SFE Concept對車身多學科輕量化設(shè)計優(yōu)化進行了研究，通過多學科聯(lián)合優(yōu)化找到滿足系統(tǒng)各項性能要求的輕量化方案。文章根據(jù)車身結(jié)構(gòu)特點，提出模塊化構(gòu)建車身的方法，借助隱式化參數(shù)軟件SFE Concept，通過Isight計算機輔助優(yōu)化平臺，實現(xiàn)了車身前期開發(fā)階段的輕量化設(shè)計，縮短了產(chǎn)品的開發(fā)周期，為后期產(chǎn)品的詳細設(shè)計打下了很好的基礎(chǔ)。

1 模塊化車身構(gòu)建方法

1.1 車身結(jié)構(gòu)劃分

在車身設(shè)計過程中，可按車身結(jié)構(gòu)特點將車身分為上車身和下車身兩部分，其中上車身主要包括側(cè)圍、頂蓋及玻璃等結(jié)構(gòu)，下車身主要由前端模塊、前地板及后地板等結(jié)構(gòu)組成，各模塊連接組成一般是通過焊點、涂膠及弧焊等形式來實現(xiàn)。

1.2 SFE Concept隱式參數(shù)化模型構(gòu)建

SFE Concept作為首款應(yīng)用在汽車概念設(shè)計階段的隱式全參數(shù)化軟件，提供了自下向上的建模方法。所有的梁、面以及模型的局部特征均由參數(shù)化的點、線及截面等基礎(chǔ)特征來實現(xiàn)。圖1示出車身門檻參數(shù)化模型。從圖1可以看出，斷面和基線的形狀及空間位置決定了門檻的形狀特性，可以根據(jù)實際需求進行調(diào)整控制。

圖1 車身門檻SFE Concept模型實現(xiàn)過程示意圖

模型的拓撲關(guān)系主要指模型之間的連接關(guān)系，包括各板件之間的焊接、涂膠及一些孔的螺栓連接等，均可通過相關(guān)功能實現(xiàn)。接頭作為車身側(cè)圍的重要連接點，完全可以通過SFE Concept來完成。軟件中強大的Map功能，保證了模型特性拓撲關(guān)系的隨動性，使車身模塊化建模方法成為可能。圖2示出門檻與B柱的接頭位置在x方向的變化情況。從圖2可以看出，接頭位置的改變并沒有影響門檻與B柱的拓撲關(guān)系。

圖2 車身門檻與B柱間接頭位置變化示意圖

1.3 建模過程中的命名方法

車身模塊化的建模方法要求在模型搭建過程中要遵循一定的命名規(guī)則。車身零部件模型很多，如果不按一定規(guī)則命名，不利于模型后期的更改和替換，建模過程中一般先完成左側(cè)車身，右側(cè)車身通過鏡像功能來完成。表1示出車身SFE Concept模型命名規(guī)則表。推薦按表1規(guī)則并結(jié)合車身實際狀態(tài)進行歸類命名，將車身劃分為上車身與下車身，然后按車身一定裝配結(jié)構(gòu)順序分解，如上車身可分為側(cè)面結(jié)構(gòu)、車頂棚等。具體劃分情況要結(jié)合車身的結(jié)構(gòu)特點，保證各模塊特征明顯、劃分清晰、可替換性強。

表1 車身SFE Concept模型命名規(guī)則表

2 全參數(shù)化車身創(chuàng)建

2.1 車身各模塊創(chuàng)建

以某平臺轎車車身有限元模型為參考，按上述方法和命名規(guī)則，分別建立車身各模塊的SFE Concept模型，車身部分結(jié)構(gòu)模型，如圖3所示。

圖3 部件模塊SFE Concept模型圖

2.2 車身模型創(chuàng)建

車身各總成模塊創(chuàng)建完成后，將所有模塊裝配在一起，根據(jù)實際連接情況使用焊點、螺栓和膠等連接方式建立完整的車身模型，如圖4所示。

圖4 車身總成SFE Concept模型圖

2.3 車身模型驗證

車身SFE Concept模型完成后，對模型進行網(wǎng)格劃分，采用Nastran求解格式，生成可以直接用于計算的有限元網(wǎng)格，如圖5所示。將車身有限元模型導出并采用Nastran計算其模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量，并與原有限元模型結(jié)果進行對比，如表2所示。從表2可以看出，通過SFE Concept建立的模型與原有限元模型分析結(jié)果十分相近，說明車身SFE Concept模型精度很高，可作為車身后續(xù)優(yōu)化工作的基礎(chǔ)模型。

圖5 車身SFE Concept有限元網(wǎng)格模型圖

表2 車身模型性能參數(shù)對比表

3 車身輕量化

目前，汽車行業(yè)內(nèi)普遍認可的車身輕量化指標是白車身的輕量化系數(shù)，此系數(shù)主要是從車身的質(zhì)量、尺寸及扭轉(zhuǎn)剛度這3個方面對車身的輕量化進行評價，系數(shù)越低表示輕量化水平越高，計算公式，如式（1）所示。

式中：L——輕量化系數(shù)；

M——白車身質(zhì)量，kg；

CT——車身扭轉(zhuǎn)剛度，N·m/（°）；

A——四輪的正投影面積，m2。

從式（1）可以看出，當A恒定時，若車身質(zhì)量降低、扭轉(zhuǎn)剛度增大，則輕量化系數(shù)變小。為了降低車身的輕量化系數(shù)，目前主要方法有減小板材厚度并提高鋼板強度法、減少車身零件使用數(shù)量法、使用輕質(zhì)復(fù)合材料法及改善車身焊接工藝法等[5]，這些方法的核心思想均為減輕質(zhì)量而不降低車身剛度。車身設(shè)計開發(fā)的關(guān)鍵在于找到一個設(shè)計平衡點，即在保證車身剛度等性能不變或增大的前提下，盡可能地降低車身的質(zhì)量，以提升車身輕量化水平。

近似模型法是一種通過數(shù)學模型的方法逼近1組輸入與輸出變量的方法，核心思想是通過試驗或經(jīng)驗數(shù)據(jù)庫等方法獲得樣本數(shù)據(jù)，通過一定方法構(gòu)建具有可信度的近似模型，以表達輸入與輸出變量的關(guān)系，將復(fù)雜的工程問題轉(zhuǎn)化為數(shù)學求解計算問題，以加快尋求優(yōu)化解的速度[6]。常用的試驗設(shè)計方法包括全因子設(shè)計、部分因子設(shè)計、正交數(shù)組設(shè)計、拉丁超立方設(shè)計、最優(yōu)拉丁超立方設(shè)計等[7]。車身前期開發(fā)階段，車身剛度等性能主要通過CAE計算獲得。當車身多個部件結(jié)構(gòu)和尺寸發(fā)生改變時，因計算量很大、耗時很長，因此，適合采用近似模型法來尋找車身最優(yōu)設(shè)計狀態(tài)，滿足車身性能指標，提升車身輕量化水平。

3.1 車身模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量分析流程建立及樣本計算

使用SFE Concept與Isight軟件聯(lián)合建立車身仿真自動化計算流程，核心過程，如圖6所示。

圖6 車身聯(lián)合仿真自動化計算流程圖

在SFE Concept中錄制設(shè)計變量，通過Isight軟件驅(qū)動設(shè)計變量，根據(jù)變量水平的不同生成若干個DOE樣本。Isight根據(jù)DOE樣本驅(qū)動SFE Concept生成不同網(wǎng)格模型并提交Nastran進行計算，直至所有樣本計算完成。

文章以車身SFE Concept模型為基礎(chǔ)，以車身側(cè)圍內(nèi)部各鈑金件的厚度為設(shè)計變量，建立車身模態(tài)、彎曲剛度及扭轉(zhuǎn)剛度自動計算流程，獲得DOE計算樣本結(jié)果。圖7示出車身模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量分析流程。

圖7 車身模態(tài)、彎扭剛度和質(zhì)量分析流程圖

通過車身模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量的自動化分析流程分別得到各自計算樣本。

3.2 車身模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量的近似模型

通過模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和質(zhì)量的自動化分析流程分別得到各自計算樣本，以此樣本為基礎(chǔ)，采用RBF神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和二次響應(yīng)曲面法，構(gòu)建近似模型，使最大誤差和平均誤差滿足目標要求，如表3所示，并使用這些近似模型對車身進行優(yōu)化。

表3 車身近似模型誤差分析表%

3.3 車身質(zhì)量優(yōu)化

以車身模態(tài)、車身彎曲模態(tài)和扭轉(zhuǎn)模態(tài)的間隔以及彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度為約束，以質(zhì)量最小為目標進行優(yōu)化，優(yōu)化流程，如圖8所示。經(jīng)過多輪迭代優(yōu)化，得到最終優(yōu)化方案，并與原始車身性能狀態(tài)進行對比，如表4所示。從表4中可以看出，模態(tài)、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度變化不大，而車身質(zhì)量由304.8 kg下降到290.25 kg，車身質(zhì)量減輕14.55 kg，優(yōu)化效果明顯。

圖8 車身質(zhì)量優(yōu)化計算流程圖

表4 車身質(zhì)量優(yōu)化性能參數(shù)對比表

4 結(jié)論

文章提出模塊化車身建模方法，依據(jù)模塊劃分方法，通過SFE Concept隱式參數(shù)化建模軟件完成車身各組成模塊的建立，通過Map建立車身模塊間的拓撲關(guān)系，最終得到車身全參數(shù)化模型，便于車身后續(xù)優(yōu)化等工作的展開。通過SFE Concept與Isight建立車身模態(tài)、彎扭剛度和質(zhì)量自動化計算流程來獲得樣本數(shù)據(jù)，通過近似模型法來對車身質(zhì)量進行優(yōu)化，在滿足性能目標情況下，找到了車身合理的輕量化設(shè)計方案，車身質(zhì)量減輕14.55 kg，優(yōu)化效果明顯。在車身前期開發(fā)階段采用近似模型法對車身進行優(yōu)化，提高了尋找車身輕量化和性能最佳設(shè)計平衡點的速度，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，對汽車其它零部件的優(yōu)化具有一定的指導作用。