商用車車身多模型聯(lián)合尺寸優(yōu)化

劉嬌霞，郭繼文，崔震，孫雪，王娜

浙江飛碟汽車制造有限公司五征分公司汽車研究院 山東日照 276800

隨著經(jīng)濟(jì)的不斷快速發(fā)展，環(huán)保問(wèn)題日益凸顯，國(guó)家明確提出了能源戰(zhàn)略發(fā)展要求。節(jié)能、減排、降耗，成為汽車行業(yè)發(fā)展的主要趨勢(shì)。商用車節(jié)能性越來(lái)越受到汽車行業(yè)的重視，據(jù)研究，汽車整備質(zhì)量每降低10%，燃油經(jīng)濟(jì)性可改善6%～8%，污染物排放將減少5%～6%。商用車的輕量化就是在保證強(qiáng)度、安全性和耐久性的前提下，盡可能地降低汽車整備質(zhì)量，從而提高商用車的經(jīng)濟(jì)性和動(dòng)力性，減少燃料消耗，降低排氣污染。車身是商用車重要的結(jié)構(gòu)件之一，起著承載駕駛員以及保護(hù)其行駛安全的重要作用。車身質(zhì)量對(duì)整車節(jié)能性有著重要影響，車身輕量化是汽車輕量化的重要組成部分。

尺寸優(yōu)化設(shè)計(jì)是車身輕量化設(shè)計(jì)的基本方法之一，能夠在具備初版結(jié)構(gòu)之后，在約束條件和目標(biāo)值的要求下進(jìn)行尺寸優(yōu)化，得出最合理厚度及其分布。在商用車中，一般同一平臺(tái)的車型會(huì)配備幾種統(tǒng)一風(fēng)格的車身造型，按照半排、單排、以及雙排分別作為配置之一，這幾種不同的車身就要求盡可能的做到模塊的通用化，以減少設(shè)計(jì)制造成本，縮短研發(fā)周期。如果針對(duì)以上幾種車身形式分別進(jìn)行尺寸優(yōu)化，會(huì)導(dǎo)致兩個(gè)車身的共用件優(yōu)化出來(lái)的厚度不完全一致，無(wú)法實(shí)現(xiàn)通用化設(shè)計(jì)，不利于設(shè)計(jì)的模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化。多模型尺寸優(yōu)化將兩個(gè)車身同時(shí)進(jìn)行尺寸優(yōu)化，共用件優(yōu)化完之后厚度是一樣的，能夠?qū)崿F(xiàn)通用化，從而減少零部件種類和數(shù)量，降低開(kāi)發(fā)成本。

首先針對(duì)初始滿足各項(xiàng)性能目標(biāo)且存在共用件的兩個(gè)車身（寬體和中體）進(jìn)行基礎(chǔ)性能的分析，然后利用多模型聯(lián)合優(yōu)化技術(shù)（MMO），設(shè)定優(yōu)化變量、優(yōu)化響應(yīng)、優(yōu)化約束和優(yōu)化目標(biāo)，在性能不降低的前提下，針對(duì)兩種車身實(shí)現(xiàn)鈑金厚度的優(yōu)化分析。

基礎(chǔ)性能分析

1.建立模型

首先參照企業(yè)的車身建模規(guī)范建立車身有限元分析模型，利用Hypermesh軟件進(jìn)行網(wǎng)格劃分。模型包含白車身及車門，不帶玻璃，模型如圖1所示。

圖1 車身模型

2.基礎(chǔ)性能校核

尺寸優(yōu)化之前，先對(duì)寬體車身和中體車身進(jìn)行基礎(chǔ)性能分析。工況設(shè)置、載荷和約束條件參考企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。寬體車身一階模態(tài)20.69Hz，扭轉(zhuǎn)剛度18 370.5N·m/deg，彎曲剛度4486.5N/mm，具體分析云圖如圖2～圖4所示。其他工況的基礎(chǔ)性能以及中體車身的基礎(chǔ)性能均滿足企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。

圖2 寬體車身一階模態(tài)

圖3 寬體車身扭轉(zhuǎn)工況位移

圖4 寬體車身彎曲工況左右縱梁Z向變形

3.多模型聯(lián)合尺寸優(yōu)化

在一個(gè)優(yōu)化過(guò)程中，如果兩個(gè)優(yōu)化的對(duì)象模型存在共用的結(jié)構(gòu)，則需要同時(shí)考慮不同模型的優(yōu)化結(jié)果，使得共用結(jié)構(gòu)的優(yōu)化結(jié)果保持一致，才能最大化的發(fā)揮優(yōu)化的作用，設(shè)計(jì)出優(yōu)良的結(jié)構(gòu)。傳統(tǒng)的單模型分別優(yōu)化的方法無(wú)法保證最后得到統(tǒng)一的結(jié)果，這就需要運(yùn)用多模型聯(lián)合優(yōu)化來(lái)求解。

選取寬體車身71個(gè)鈑金件和中體車身52個(gè)鈑金件進(jìn)行多模型聯(lián)合尺寸優(yōu)化，其中寬體車身和中體車身共用件14個(gè)，通過(guò)如圖5所示編碼實(shí)現(xiàn)多模型聯(lián)合優(yōu)化。寬體車身和中體車身共用件的設(shè)計(jì)變量的ID號(hào)需要保證相同，因?yàn)镠yperworks是通過(guò)ID號(hào)來(lái)關(guān)聯(lián)不同模型的設(shè)計(jì)變量，其他非共用件設(shè)計(jì)變量ID號(hào)不能相同。

圖5 實(shí)現(xiàn)多模型聯(lián)合優(yōu)化編碼

提交計(jì)算文件時(shí)，-np后面的數(shù)字是聯(lián)合優(yōu)化的模型個(gè)數(shù)加1，比如兩個(gè)模型進(jìn)行聯(lián)合優(yōu)化，則-np后面數(shù)字是3，如圖6所示。

圖6 作業(yè)提交

優(yōu)化的約束條件根據(jù)企業(yè)內(nèi)部標(biāo)準(zhǔn)，目標(biāo)值質(zhì)量最小。采用厚度離散化，離散厚度是目前市場(chǎng)上易得資源，厚度范圍見(jiàn)表1。

表1 離散厚度范圍

尺寸優(yōu)化完成之后，寬體車身質(zhì)量由299.1kg降至287.8kg，減重11.3kg。中體車身質(zhì)量由217.3kg降至207.2kg，減重10.1kg，減重效果明顯。14個(gè)共用件厚度優(yōu)化完成后保持一致。

尺寸優(yōu)化后性能驗(yàn)證

將尺寸優(yōu)化的厚度賦予寬體模型和中體模型，分別進(jìn)行性能校核驗(yàn)證，載荷工況設(shè)置和原結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)性能校核時(shí)保持一致。寬體車身一階模態(tài)由原先的20.7Hz提升為21.5Hz，中體車身一階模態(tài)由原先的22.22Hz提升為23.77Hz，其他各工況的性能均滿足要求且不低于初始結(jié)構(gòu)。

結(jié)語(yǔ)

利用Hyperworks軟件，通過(guò)多模型聯(lián)合尺寸優(yōu)化使寬體車身降重11.3kg，中體車身降重10.1kg，減重效果顯著，且優(yōu)化完成后車身的各個(gè)工況性能均滿足要求。利用離散厚度優(yōu)化，使優(yōu)化后的厚度成為市場(chǎng)易得資源，通過(guò)多模型聯(lián)合優(yōu)化使得共用件在優(yōu)化完成后依然能夠?qū)崿F(xiàn)共用，符合設(shè)計(jì)的通用化原則。多模型聯(lián)合尺寸優(yōu)化對(duì)于車身的輕量化設(shè)計(jì)具有重要意義。