基于隱式參數(shù)化耦合模型的車身集成優(yōu)化

梁紅喜 孫輝 吳澤勛 蔡劍 王德遠(yuǎn) 彭弼安

摘要： 為提高車身截面優(yōu)化效率，基于SFE CONCEPT構(gòu)建白車身關(guān)注部位的隱式參數(shù)化模型，并與白車身有限元非參數(shù)化模型進(jìn)行耦合，使參數(shù)化模型與有限元模型耦合邊界處的連接關(guān)系隨截面變化自動(dòng)更新，通過試驗(yàn)驗(yàn)證耦合模型的有效性?；谠囼?yàn)設(shè)計(jì)（design of experiments， DOE）方法、近似模型、多目標(biāo)優(yōu)化等策略，對(duì)白車身耦合模型進(jìn)行剛度和模態(tài)等多學(xué)科集成優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)車身局部結(jié)構(gòu)快速輕量化設(shè)計(jì)。

關(guān)鍵詞： 車身; 隱式參數(shù)化; 模型耦合; 多學(xué)科優(yōu)化; 輕量化

中圖分類號(hào)： TP391.92; U462.3 ? 文獻(xiàn)標(biāo)志碼： B

Abstract： To improve the efficiency of vehicle body section optimization， the implicit parametric model of interesting locations of body in white is built based on SFE CONCEPT. The model is coupled with the non-parametric finite element model of body in white， and then the connection relationship between the coupling boundary of the parametric model and the finite element model is updated automatically with the change of the section. The validity of the coupling model is verified by tests. Based on the design of experiments（DOE） method， approximate model， multi-objective optimization and other strategies， the multi-disciplinary integrated optimization of stiffness and mode is carried out on coupling model of body in white. The fast lightweight design of local structure of vehicle body can be realized.

Key words： vehicle body; implicit parameterization; model coupling; multi-disciplinary optimization; lightweight

0 引 言

在新車型開發(fā)中，如何在縮短研發(fā)周期的同時(shí)兼顧輕量化設(shè)計(jì)，已成為汽車企業(yè)的核心競(jìng)爭(zhēng)力之一。[1-2]在早期的車型項(xiàng)目開發(fā)中，對(duì)多種拓?fù)湓O(shè)計(jì)方案進(jìn)行快速預(yù)研分析并確定優(yōu)化方案，可實(shí)現(xiàn)仿真驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，提高新車型開發(fā)效率。在車身快速優(yōu)化方面，諸多學(xué)者基于隱式參數(shù)化建模，結(jié)合多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)方法進(jìn)行研究[3-5]，并在整車參數(shù)化建模和優(yōu)化方面取得一定成果。在車身局部結(jié)構(gòu)截面優(yōu)化方面，基于隱式參數(shù)化模型自動(dòng)耦合有限元非參數(shù)化模型進(jìn)行多學(xué)科集成優(yōu)化，同時(shí)考慮耦合模型拓?fù)溥B接關(guān)系自動(dòng)優(yōu)化的研究較少。

借鑒現(xiàn)有研究成果，本文在某新車型設(shè)計(jì)階段引入隱式參數(shù)化建模技術(shù)，對(duì)車身所需優(yōu)化結(jié)構(gòu)進(jìn)行隱式參數(shù)化建模，并與白車身有限元非參數(shù)化模型進(jìn)行耦合。在保證耦合模型邊界處拓?fù)溥B接關(guān)系準(zhǔn)確性的基礎(chǔ)上，通過試驗(yàn)驗(yàn)證耦合模型的有效性。對(duì)車身彎曲扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)性能等多方面因素進(jìn)行研究和估算，基于試驗(yàn)設(shè)計(jì)（design of experiments， DOE）、近似模型和多目標(biāo)優(yōu)化等策略，對(duì)車身截面進(jìn)行迭代優(yōu)化，并對(duì)優(yōu)化結(jié)果進(jìn)行評(píng)估。

1 隱式參數(shù)化建模

1.1 隱式參數(shù)化技術(shù)

傳統(tǒng)顯式建模技術(shù)面向零件層面進(jìn)行參數(shù)化建模，使用復(fù)雜的結(jié)構(gòu)參數(shù)而非數(shù)學(xué)模型描述零件，很難實(shí)現(xiàn)復(fù)雜裝配關(guān)系的設(shè)計(jì)。當(dāng)優(yōu)化過程中參數(shù)變化較大時(shí)，極易造成零部件間連接關(guān)系的失效，導(dǎo)致模型出現(xiàn)錯(cuò)誤。

隱式參數(shù)化技術(shù)面向整體系統(tǒng)層面，可減少計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（computer aided design， CAD）數(shù)據(jù)與計(jì)算機(jī)輔助工程（computer aided engineering， CAE）數(shù)據(jù)之間的反復(fù)迭代，且能夠通過數(shù)學(xué)關(guān)系建立模型的架構(gòu)，其幾何結(jié)構(gòu)分為基點(diǎn)、基線和截面等3種基礎(chǔ)類型，可通過控制基礎(chǔ)類型修改模型，快速完成模型的結(jié)構(gòu)拓?fù)洹．?dāng)模型中任何參數(shù)（如位置、大小和形狀等）發(fā)生變化時(shí)，與其相關(guān)的所有幾何參數(shù)及其連接關(guān)系均會(huì)同步變化。[6-7]

1.2 耦合模型組成

整車隱式參數(shù)化模型可有效實(shí)現(xiàn)車身截面優(yōu)化，但建模周期較長(zhǎng)。為提高車身關(guān)注部位截面的優(yōu)化效率，基于SFE CONCEPT建立某目標(biāo)車型關(guān)注部位的參數(shù)化模型，并與有限元非參數(shù)化模型進(jìn)行耦合。耦合模型文件組成見圖1。

fe_wp.bdf文件（連接關(guān)系文件）、bdf文件1（優(yōu)化零部件模型文件）可由con文件（命令控制文件）、mac文件（變量控制文件）和SFECmod文件（模型文件）共同生成，然后與bdf文件2（有限元非參數(shù)化模型文件）進(jìn)行耦合，以此作為后續(xù)集成優(yōu)化的輸入條件。

1.3 耦合模型建立

多層翻邊考慮與其相連接的有限元模型的PID，耦合部位連接關(guān)系采用CWELD單元進(jìn)行連接，連接方式定義為PARtpat。定義優(yōu)化結(jié)構(gòu)的PID輸出方式為僅輸出參數(shù)化模型中包含的組件，在模型截面變化時(shí)可實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)單元位置隨變化后結(jié)構(gòu)同步更新，保證焊接拓?fù)潢P(guān)系在參數(shù)化模型截面變化時(shí)的有效性和可靠性。所建立的局部隱式參數(shù)化模型見圖2。

將所建立的局部隱式參數(shù)化模型與白車身有限元模型（見圖3）進(jìn)行耦合，生成的耦合車身模型見圖4。當(dāng)模型截面變化時(shí)，耦合處的焊點(diǎn)位置可自動(dòng)同步更新。

2 耦合車身模型驗(yàn)證

為驗(yàn)證耦合車身模型的準(zhǔn)確性，分別對(duì)其進(jìn)行剛度和模態(tài)性能仿真計(jì)算，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比。

2.1 白車身扭轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度試驗(yàn)

在對(duì)白車身進(jìn)行剛度試驗(yàn)前，將前、后減震器支座與試驗(yàn)臺(tái)固定，其中約束位置分別見圖5和6。在車身前部施加4 080 N·m的扭矩，測(cè)量白車身的扭轉(zhuǎn)變形;在門檻梁兩側(cè)分別施加2 224 N的垂向力，測(cè)量車身門檻梁的垂向位移，并計(jì)算車身的彎曲剛度。

2.2 參數(shù)化模型模態(tài)試驗(yàn)

在車身底部的縱梁上分別設(shè)置4個(gè)空氣彈簧進(jìn)行支撐，模擬車身的自由狀態(tài)。模態(tài)試驗(yàn)時(shí)分別在車身右前縱梁和左后縱梁位置布置激振器，利用激振器產(chǎn)生的猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)對(duì)白車身進(jìn)行激勵(lì)，從而獲得全部測(cè)點(diǎn)的加速度頻響函數(shù)并進(jìn)行綜合分析，得到模態(tài)頻率及其對(duì)應(yīng)振型。激振器具體布置方式見圖7和8。

2.3 模態(tài)和剛度仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比

耦合模型仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見表1。由此可知：參數(shù)化模型與有限元模型的1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率誤差為3.3%，扭轉(zhuǎn)剛度值誤差為1.2%;參數(shù)化車身模型與有限元模型的誤差控制在經(jīng)驗(yàn)值5%以內(nèi)，精度滿足分析要求，可以作為后續(xù)優(yōu)化的輸入條件。

3 多學(xué)科集成優(yōu)化

車身的輕量化應(yīng)綜合考慮車身的各種性能，如車身模態(tài)頻率、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度等，是多學(xué)科集成優(yōu)化設(shè)計(jì)過程。本文基于DOE方法建立近似模型，通過對(duì)近似模型尋優(yōu)，得到滿足不同學(xué)科工況條件的可行優(yōu)化方案。

3.1 DOE方法

為分析參數(shù)對(duì)性能的影響趨勢(shì)，評(píng)估參數(shù)的最佳取值方案，采用優(yōu)化拉丁法制定DOE矩陣，分別計(jì)算車身剛度和模態(tài)性能?；陧憫?yīng)面法（response surface methodology， RSM）構(gòu)建近似模型，利用非支配遺傳算法NSGA-II進(jìn)行尋優(yōu)。

3.2 模態(tài)剛度優(yōu)化

根據(jù)人機(jī)工程要求設(shè)置優(yōu)化變量閾值，在整車坐標(biāo)系中，x向范圍設(shè)置為（-15，0），z向范圍設(shè)置為（-10，0），負(fù)值表示截面減小。對(duì)剛度和模態(tài)性能采用優(yōu)化拉丁法采樣，樣本點(diǎn)共80個(gè)，對(duì)每個(gè)變量取5個(gè)水平，其DOE計(jì)算流程和響應(yīng)面優(yōu)化流程分別見圖9和10。

綜合考慮所有性能變量的最佳水平組合方式，以白車身質(zhì)量最小、扭轉(zhuǎn)剛度最大為多目標(biāo)優(yōu)化函數(shù)，響應(yīng)面優(yōu)化后截面的變化值見表2。

4 優(yōu)化設(shè)計(jì)方案性能驗(yàn)證

為驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，根據(jù)變量最優(yōu)解輸出截面變化參數(shù)，并對(duì)原結(jié)構(gòu)方案進(jìn)行同步更新，優(yōu)化方案與原方案性能對(duì)比見表3。由此可知：優(yōu)化后的零部件質(zhì)量減少2.3 kg，輕量化率為8.1%;1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率降低3.7%，扭轉(zhuǎn)剛度降低7.6%;1階彎曲模態(tài)的頻率增加0.2%，彎曲剛度降低0.6%，但仍滿足企業(yè)要求，說明優(yōu)化方案可行。

5 結(jié)束語

基于隱式參數(shù)化技術(shù)建立某白車身局部參數(shù)化模型，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)，實(shí)現(xiàn)隱式參數(shù)化模型與非參數(shù)化模型自動(dòng)耦合，使焊點(diǎn)單元位置可隨變化后的結(jié)構(gòu)同步更新。通過試驗(yàn)驗(yàn)證耦合模型的剛度和模態(tài)性能，采用DOE方法、近似建模和多目標(biāo)優(yōu)化等組合優(yōu)化策略，對(duì)白車身關(guān)注部位的零部件進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)。輕量化后車身整體性能均滿足要求，說明基于隱式參數(shù)化模型耦合有限元非參數(shù)化模型的集成優(yōu)化技術(shù)可實(shí)現(xiàn)車身局部結(jié)構(gòu)截面快速優(yōu)化。

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（編輯 武曉英）