多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬

張忠元，張 召，矯承軒，張起勛

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130025；2.吉林大學(xué)機械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

1 引言

在汽車公司投資成本中，汽車的制作費用約占60%，整車在空載狀況下消耗在車身質(zhì)量上的油耗為70%左右，因此在整車輕量化中車身輕量化是主要構(gòu)成部分，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中也是研究的熱點[1-4]。當前白車身多目標輕量化方法存在模型精準度低和優(yōu)化效果差的問題。

呂天佟等[5]提出基于分析驅(qū)動設(shè)計的白車身多目標輕量化方法構(gòu)建隱式參數(shù)化白車身模型，并模塊化設(shè)置有限元模型，集合模塊化和參數(shù)化模型實現(xiàn)車身功能，通過NSAG算法實現(xiàn)白車身的多目標輕量化設(shè)計，該方法構(gòu)建的有限元模型誤差較大，模型精準度低。王震虎等人[6]提出基于響應(yīng)面模型的白車身多目標輕量化方法通過靈敏度分析方法獲取輕量化設(shè)計變量，結(jié)合一階響應(yīng)面模型和試驗方法構(gòu)建一階彎扭模態(tài)、彎矩剛度和白車身質(zhì)量的近似模型，通過非支配排序遺傳算法實現(xiàn)白車身的多目標輕量化設(shè)計，該方法優(yōu)化變化率較低，優(yōu)化效果差。蘭鳳崇等人[7]提出基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的白車身多目標輕量化方法，該方法將近似模型方法引入車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計中，對車身結(jié)構(gòu)的靈敏度進行分析，確定設(shè)計變量，通過近似模型實現(xiàn)白車身多目標輕量化的全局優(yōu)化，該方法優(yōu)化效果差。

隱式參數(shù)化建模方法是在幾何本質(zhì)角度的基礎(chǔ)上對結(jié)構(gòu)特征進行解析，淡化零部件概念，關(guān)注結(jié)構(gòu)特征。隱式參數(shù)化白車身模型中可以通過梁結(jié)構(gòu)完成創(chuàng)建，其具有參數(shù)變形能力強、穩(wěn)定性好、設(shè)計空間多樣性和靈活性等優(yōu)點。所以，本文采用隱式參數(shù)模擬的方式構(gòu)建了輕量化白車身模型。

2 構(gòu)建白車身隱式參數(shù)化模型

根據(jù)白車身自身結(jié)構(gòu)，為方便管理模型、簡化建模步驟，白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法將白車身隱式參數(shù)化模型可分為側(cè)圍和頂蓋、前端、后端以及地板四個模塊來進行模擬。

2.1 頂蓋和側(cè)圍模塊

頂蓋和側(cè)圍模塊通常由車頂、A柱、門檻梁、B柱和C柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，一般情況下都是通過隱式梁單元創(chuàng)建白車身的頂蓋和側(cè)圍模塊。在所有梁結(jié)構(gòu)中可以布置的局部截面的數(shù)量都是有限的，因此需要根據(jù)白車身模型結(jié)構(gòu)特點對其建模進行整體布局，頂蓋和側(cè)圍模塊如圖1。

圖1 頂蓋和側(cè)圍模塊

頂蓋和側(cè)圍模塊主要由車頂橫梁、A柱上端、門檻梁、A柱下端、頂蓋、B柱、上邊梁、尾燈及C柱等構(gòu)成。通過過渡接頭連接門檻梁與C柱下端、門檻梁與B柱、上邊梁與B柱、門檻梁與A柱下端、A柱上端和下端，通過共截面連接上邊梁與C柱上端、上邊梁與A柱上端，通過焊接完成其它獨立部件之間的裝配。

2.2 前端模塊

前端模塊一般是由多種零部件構(gòu)成的，包括前風擋玻璃框架、防撞梁、前圍板、前支梁、前縱梁，通過隱式梁結(jié)構(gòu)完成各參數(shù)化零部件的創(chuàng)建，零部件之間的連接利用MAP映射連接技術(shù)完成，如圖2。

圖2 前端模塊參數(shù)化建模

將剛性單元建立在前懸塔座處，計算車身扭矩剛度，前懸塔座安裝孔對應(yīng)的中心點坐標利用有限元模型進行確定，根據(jù)路徑選擇對應(yīng)的安裝孔，并結(jié)合坐標定義參數(shù)化施力點創(chuàng)建剛性單元。

2.3 后端模塊

在后端模塊中存在的零部件通常包括行李艙、衣帽架和電池箱等，通過隱式梁結(jié)構(gòu)對各零部件進行參數(shù)化建模，增強后端模塊在整個模塊中的參數(shù)化變形能力[8]，后端模塊如圖3。

圖3 后端模塊

為降低電池箱模塊的局部模態(tài)影響，將加強筋放置在前后板面中，并通過MAP技術(shù)映射加強。利用存在螺栓屬性的控制點連接后防撞梁，在實際螺栓位置連接點之間分布控制點。

2.4 地板模塊

地板模塊中存在加強梁、前地板、后地板和中地板等結(jié)構(gòu)，通過梁結(jié)構(gòu)對地板模塊實現(xiàn)參數(shù)化建模，保證參數(shù)化模型的參數(shù)變形能力、連續(xù)性以及穩(wěn)定性[9]。在建模過程中由于地板特征結(jié)構(gòu)的負載性，需要對加強筋特征進行簡化，地板模塊如圖4。

圖4 地板模塊

2.5 白車身總成參數(shù)化建模

映射連接白車身頂蓋模塊、側(cè)圍模塊、地板模塊、后端模塊和前端模塊，左側(cè)參數(shù)化模型通過鏡像命令復(fù)制到右側(cè)，針對非對稱部分在局部特征的基礎(chǔ)上進行修改，對白車身模型進行擬合。

3 隱式參數(shù)化模型的多目標輕量化設(shè)計

將構(gòu)建的白車身隱式參數(shù)模型進行輕量化設(shè)計主要分兩部分：非安全件輕量化設(shè)計和正面碰撞安全件輕量化。

3.1 非安全件的輕量化

目標函數(shù)、約束和設(shè)計變量是多目標輕量化設(shè)計的三個要素。為了減少白車外形結(jié)構(gòu)和性能的影響，多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過混合靈敏度分析獲得白車身的厚度設(shè)計變量，對白車身多目標輕量化進行設(shè)計時，設(shè)計變量選用各板件厚度，將白車身一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)固有頻率當做約束條件，將白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度最大、質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標，獲得白車身非安全件的多目標輕量化模型

(1)

式中，f(x)是目標函數(shù)；fb(x)是彎曲剛度目標函數(shù)；ft(x)是扭轉(zhuǎn)剛度目標函數(shù)；fm(x)是質(zhì)量目標函數(shù)；gb(x)是模型的一階彎曲在優(yōu)化過程中對應(yīng)的固有頻率；gt(x)是模型的一階扭轉(zhuǎn)在優(yōu)化過程中對應(yīng)的固有頻率；gob(x)是初始模型對應(yīng)的一階彎曲固有頻率；got(x)是初始模型對應(yīng)的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率；xi是厚度設(shè)計變量；xoi是在初始模型中設(shè)計變量對應(yīng)的厚度。

3.2 正面碰撞安全件輕量化

在實現(xiàn)白車身非安全件輕量化設(shè)計的基礎(chǔ)上對白車身正面碰撞安全件進行輕量化優(yōu)化設(shè)計。將白車身安全件板件厚度和形狀變量作為設(shè)計變量，并將門框最大變形量、白車身一階扭轉(zhuǎn)、前排乘員擱腳區(qū)最大入侵量、彎曲模態(tài)頻率、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度作為約束[10]。將乘員艙B柱沖擊加速度峰值和白車身質(zhì)量作為目標函數(shù)，在正面碰撞性能的基礎(chǔ)上構(gòu)建白車身多目標輕量化模型

minf(x)={fm(x)，fl(x)，fr(x)}

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

上述公式中，f(x)描述的是目標函數(shù)；fr(x)是右側(cè)乘員艙的加速度峰值；fl(x)是左側(cè)乘員艙對應(yīng)的加速度峰值；gmt(x)是模型的一階彎曲在優(yōu)化過程中對應(yīng)的固有頻率；gmb(x)是模型的一階扭轉(zhuǎn)在優(yōu)化過程中對應(yīng)的固有頻率；gst(x)是模型在優(yōu)化過程中對應(yīng)的彎曲剛度；gsb(x)是模型在優(yōu)化過程中對應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度；gfl(x)是模型左側(cè)前排乘員擱腳區(qū)在優(yōu)化過程中的最大侵入量；gfr(x)是模型右側(cè)前排乘員擱腳區(qū)在優(yōu)化過程中的最大侵入量；gdl(x)是模型左側(cè)門框在優(yōu)化過程中的最大變形量；gdr(x)是模型右側(cè)門框在優(yōu)化過程中對應(yīng)的最大變形量；gomt(x)、gomb(x)、gost(x)、gosb(x)、gofl(x)、gofr(x)、godl(x)、godr(x)均是初始模型對應(yīng)的性能參數(shù)。

4 實驗及性能驗證

4.1 隱式參數(shù)數(shù)值實驗

本文對多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法進行測試，本次測試的實驗平臺為Simulink測試的實驗流程圖如圖5所示。

圖5 Simulink測試的實驗流程圖

4.2 性能優(yōu)化驗證

為了驗證多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的整體有效性，采用了該方法、基于分析驅(qū)動設(shè)計的白車身多目標輕量化方法和基于響應(yīng)面模型的白車身多目標輕量化方法進行測試，對比三種不同方法構(gòu)建的模型精準度，測試結(jié)果圖6所示。

由圖6，通過50次迭代，本實驗方法構(gòu)建的白車身模型的精準度均在高于90%，而相同條件下，基于分析驅(qū)動設(shè)計的白車身多目標輕量化方法的精準度在60-70%之間，基于響應(yīng)面模型的白車身多目標輕量化方法構(gòu)建的白車身模型精準度在60%左右，采用本方法的精準度要明顯高于后兩種方法。這是因為多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過參數(shù)變形能力好的梁結(jié)構(gòu)構(gòu)建白車身隱式參數(shù)模型，提高了模型的精準度。

為進一步驗證多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的有效性，將優(yōu)化變化率作為指標對上述三種方法進行測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種不同方法的優(yōu)化變化率

由圖6，多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的優(yōu)化變化率在50次迭代中優(yōu)化變化率保持在8%左右，而同等條件下，基于分析驅(qū)動設(shè)計方法的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率在2-3%之間，基于響應(yīng)面模型的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率在1-2%之間，本方法的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率要明顯高于后兩種方法。這是因為多目標輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過非安全件輕量化優(yōu)化設(shè)計和正面碰撞安全件輕量化優(yōu)化設(shè)計實現(xiàn)白車身多目標輕量化的優(yōu)化設(shè)計，提高了方法的優(yōu)化變化率。

5 結(jié)束語

通過隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法構(gòu)建了白車身隱式參數(shù)化模型，并對其進行了多目標輕量化設(shè)計。通過對得到模型的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次迭代后，該方法構(gòu)建的白車身模型的精準度均大于90%，優(yōu)化變化率在大于8%，遠遠高于其它同類方法，可為當前白車身輕量化設(shè)計提供一定的參考。