车身概念阶段轻量化设计

摘 要：概念设计阶段对车身的开发可以在早期对提升车身性能的同时减轻车身质量，在前期通过仿真手段对车身设计有方向性的指导建议，文章通过结合网格变形、灵敏度分析以及多目标优化，在车身开发早期对白车身的截面尺寸以及不同位置板厚的分布提供了设计依据，缩短了开发周期，实现了概念阶段的轻量化需求。

关键词：网格变形；灵敏度分析；多目标优化；车身概念设计阶段

中图分类号：U462.1 文献标识码：A 文章编号：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

为了尽可能早、快且全面的控制车身性能和质量，在项目开发前期比如预研或概念设计阶段没有详细设计数据的条件下即开展相关分析优化工作，确定影响车身性能的结构并提供优化方案，进而减少人为优化带来的盲目性以及效率低下问题，最终实现性能的快速提升和质量的控制，有效指导产品设计。随着一些有限元技术的发展，把白车身简化成梁结构的有限元模型，然后根据梁结构的白车身简化模型进行灵敏度分析[1]，国内外一些学者通过有限元法对车身梁截面尺寸进行了自动优化设计并已发表大量文章[2-9]，也有学者从理论上用解析公式分析梁结构的截面参数和材料特性对其刚度的影响[10]。但少有人对典型截面的具体几何尺寸作为设计参数，同时考虑梁截面的几何尺寸对弯扭刚度、模态以及质量的影响，而这种设计思路，在整车开发流程中的概念设计阶段的正向开发中起着关键的作用，能够有效缩短设计开发流程，节约设计成本及试验验证成本。

本文在车身开发概念设计阶段引入了网格变形，通过网格变形在没有白车身设计数据阶段，将平台车型贴合CAS面，形成预研车体结构，然后通过基础车体结构，建立形状参数和厚度参数，通过灵敏度分析寻找形状参数和厚度参数对现有车身性能的贡献度，最后，通过多目标优化，对基础车型的断面及厚度提供设计指导依据。

1 技术方案流程

从预研或概念阶段开始，通过网格变形实现基础模型向造型面的快速贴合，建立概念模型，开展相关方案的校核及优化分析；利用参数化建模及灵敏度分析方法确定影响车身刚度模态强度等性能的结构，实现结构小改变、性能大提升的效果，做到事半功倍，有效指导产品设计；通过多目标优化技术达到各项性能均衡提升的同时质量有所控制甚至降低，实现轻量化。另外根据需要，还可拓展到流体及碰撞领域，开展外造型气动阻力优化工作和碰撞方面的优化工作，大大提高分析效率。

2 技术方案的实施

2.1 快速网格变形

传统的CAE车身优化分析由于受制于CAD数模的限制，无法在早期无CAD数模的概念设计阶段开展。本文突破这道瓶颈的解决方案为借助DEP/Morpher通过轴距轮距加长加宽以及造型面贴合等一系列变形，实现了从参考车A到目标概念车B的模型演变，如下图2。得到的B概念车模型可用于开展接下来的结构优化研究分析。

2.2 模型参数化

参数优化的难点在于如何将期望的改变转化为设计参数，让设计参数能在预设的范围内任意变化，以便于考察参数的变化对目标性能的影响。这里借助DEP/Morpher实现了建立重要梁截面宽度与高度变化的参数、重要接头大小变化的参数以及重要钣金厚度变化的参数，如下图3。建立的形状参数和厚度参数共四十个，全面涵盖了对车身弯扭刚度以及模态能够产生影响的因素。

2.3 DOE矩阵生成、响应面建立

参数化模型搭建完成后，首先将设计参数导入Isight，运行优化拉丁超立方试验设计生成设计参数的DOE试验矩阵结果，为响应面准备样本，一般要求样本点的数量为设计参数数量的2～3倍，所以选择80个样本点。将DOE试验矩阵导入DEP/Morpher生成样本点对应的分析模型。读取各样本点分析结果，建立基于RSM（多项式函数）的响应面模型，经过响应面精度检验满足要求后，响应面模型可作为优化计算的基础，如图4所示。

2.4 灵敏度分析

基于响应面模型进行灵敏度分析，可以找到哪些设计参数对目标性能的贡献量最大，找到目标性能的薄弱环节，从而能指导设计工程师有针对性的做相应结构加强。分析發现车身A、B柱下接头是弯曲模态相对薄弱的区域，而扭转模态主要受流水槽区域薄弱的影响，如图5所示。因此想提高弯曲模态则首先需要对A、B柱接头加强，想提高扭转模态则需优化流水槽区域的结构。

2.5 目标性能最优解寻找及实现轻量化

通过Isight寻优求解，可以找到满足目标要求的最优解决方案。例如我们要求弯曲扭转模态不能低于40Hz，基于响应面模型的寻优会为我们找到弯曲扭转模态不低于40Hz而车身重量是最轻的一个方案。

有了性能满足要求的最优方案，接下来需要做的工作便是减重轻量化，同样可以利用灵敏度分析结果，选择一些对目标性能影响不大的参数，同时新增一些不明显影响性能但能明显降低重量的部件作为参数，专门开展一轮轻量化的参数优化分析工作。

在ET数据基础上，完成四轮减重优化，在各方面性能达标的情况下，减重7.5Kg。

3 应用拓展

在汽车空气动力学的仿真分析中，优化问题一直是一个难点。在以往，造型出一版CAS面之后，CFD会给出一版CAS面相应的计算。计算完成后，只能根据经验来给出优化意见。而且由于缺乏相应的工具和手段，无法生成优化过后的CAS面并进行分析。这样的流程有着极大的局限性：第一，严重依赖仿真工程师的经验，不同的人可能工作的效果就会差别很大。第二，根据经验给出的优化意见没有经过验证，有极大的局限性，在工程师经验不足的情况下，优化意见甚至会出现相反的效果，使整车空气动力学性能变差。第三，根据经验提出的优化往往只能实现CAS面有限的几个部位的有限的变化，无法得知部分的变化对整体的影响，更无法得到整体的最优解。

为了解决这些问题，CFD采用了新的技术和方法。第一是网格变形的使用。在空气动力学的计算中，需要先将CAS面划分成网格才能完成计算。网格变形可以对划分好的网格进行变形，也就是对CAS面进行变形。再对变形之后的CAS面网格进行计算分析，得到变形之后的各个空气动力学参数，并与变形之前的比较。这样就解决了前一段中第一和第二个局限。不同的工程师对CAS面进行变形，变形之后就可以计算出相应的结果。这样就能给出有力的指导意见，使整车的空气动力学性能往好的方向发展。而不是像以前一样没有经过计算给出的经验性的意见。第二是参数化建模和优化方法的使用。网格变形技术使我们的工作有了极大的进步，但仍然不够完美。由于工作时间的限制，人工的网格变形只能对有限的部位进行有限次的变形，结果也只能进行有限次的计算，各个变形之间的相互影响更是无法评估。而使用专业的优化方法可以使多处变形对某一个或者多个性能参数的综合影响得以体现。比如汽车后扰流板和后保可以分别向X和Z方向变形，这就有了四种变形组合。假设每个变形又有10种变化值，最后结果可能就有104个，而实际的变化值并不是离散的十种，可能有无数种变化值。而最优的值只有一个或者几个，用人力进行人工的变形基本上无法找到。而使用优化技术，就可以通过分析变形参数，构建DOE矩阵，建立响应面，并通过最优拉丁方等优化方法快速的找到这些最优的值。第三是灵敏度分析。在工程中，空气动力学性能不是唯一的性能，常常需要与其他性能或布置条件相妥协。基于DOE矩阵的灵敏度分析可以知道哪些部位的变形对空气动力学性能影响较大，哪些部位变形影响较小。在影响较小的部位，空气动力学性能可以对其他性能让步。在较敏感的位置，其他性能可以让步于空气动力学性能。这样可以做到整车性能最大化的优化。

开发工作流程的变化，图6—8表现了该技术的使用对工作流程的优化以及工作效率的提高：

4 结论

概念设计阶段的车身开发技术有效实现结构轻量化，帮助车身减重，节省材料成本，进而降低燃油消耗，降低使用成本，B车型减重7.5Kg，镀锌钢材6000-9000元/吨，最低节约45元/辆。

随着开发车型逐渐增多，在不借助外力的情况下同步开展多个项目的例行分析和结构优化分析，时间和人力严重不足，引入该技术以后，传统多人力且超过一个月的车身建模和分析时间可以缩短至单人力5工作日左右，效率大大提高，节省大量时间成本和人力成本。

车身预研和概念阶段即开展相关分析，在前期即总体控制车身性能和质量，有效指导产品设计方向，避免设计盲目性和重复性，减少后期设计变更，节省设计工程师大量时间；企业贡献。

参考文献

[1] 姚乾华.陈昌明.基于车身主断面力学特性的灵敏度分析.车辆与动力技术.2007，（4）：5 -8.

[2] 穆国宝.张丰利.陈剑.基于有限元法的白车身模态和刚度的研究.机械设计与制造.2010，（04）：31-33

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