基于隱式參數(shù)化的車(chē)身概念開(kāi)發(fā)

唐 輝，門(mén)永新，毛雪峰，彭 鴻，朱貞英

(1.浙江吉利汽車(chē)研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車(chē)安全技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,杭州 311228； 3.思菲軟件(上海)有限公司，上海 201101)

前言

解決綜合性能有效開(kāi)發(fā)和整體工作時(shí)間縮短的矛盾，其核心和根本解決方案是充分運(yùn)用計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)技術(shù)，權(quán)衡各項(xiàng)性能和利用仿真優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)車(chē)型的高效開(kāi)發(fā)[1]。

本文中結(jié)合吉利車(chē)型研發(fā)特點(diǎn)，在新車(chē)型概念設(shè)計(jì)階段運(yùn)用參數(shù)化技術(shù)，對(duì)車(chē)型的模態(tài)、剛度和碰撞安全等性能進(jìn)行預(yù)先評(píng)估和迭代優(yōu)化，為車(chē)身設(shè)計(jì)提供重要參考，保障整車(chē)開(kāi)發(fā)品質(zhì)。實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，提升自主品牌新車(chē)型的核心競(jìng)爭(zhēng)力。

1 工具與方法

1.1 隱式參數(shù)化技術(shù)

參數(shù)化模型為隱式參數(shù)化模型，單個(gè)模型幾何形狀由3種類(lèi)型參數(shù)控制，其中包括控制點(diǎn)位置、線(xiàn)曲率和截面形狀，系統(tǒng)級(jí)模型通過(guò)拓?fù)潢P(guān)系相連接，一旦修改上述的任一參數(shù)，與其相關(guān)聯(lián)的所有幾何體都會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)變化[2-5]。

隱式參數(shù)化技術(shù)根據(jù)車(chē)身結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的有限元模型或幾何模型，建立幾何結(jié)構(gòu)一致的參數(shù)化模型，該模型有兩個(gè)功能：第一，模型結(jié)構(gòu)具有全參數(shù)化功能，幾何結(jié)構(gòu)的位置、尺寸和形狀等可以任意改變，能記錄改變的過(guò)程并保存為設(shè)計(jì)變量；第二，幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的參數(shù)化模型可以生產(chǎn)幾何結(jié)構(gòu)相同并滿(mǎn)足網(wǎng)格質(zhì)量要求的有限元模型?；谏鲜龉δ埽[式參數(shù)化技術(shù)成為車(chē)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化的有利工具。

1.2 參數(shù)化車(chē)身概念開(kāi)發(fā)

在概念開(kāi)發(fā)階段，設(shè)計(jì)部門(mén)只能提供車(chē)型設(shè)計(jì)參數(shù)和預(yù)估的模型結(jié)構(gòu)以及參考車(chē)型等少量信息，車(chē)身設(shè)計(jì)往往處于概念狀態(tài)，按照常規(guī)CAE分析方法，因無(wú)法構(gòu)建供分析所需的有限元模型，使CAE分析滯后于設(shè)計(jì)，不能及時(shí)了解整車(chē)性能表現(xiàn)，增加產(chǎn)品重復(fù)設(shè)計(jì)和修改風(fēng)險(xiǎn)，不利于開(kāi)發(fā)周期的控制。

為解決上述問(wèn)題，充分運(yùn)用隱式參數(shù)化技術(shù)，將設(shè)計(jì)構(gòu)思快速轉(zhuǎn)換成有限元模型，把常規(guī)CAE分析提前介入概念開(kāi)發(fā)階段，實(shí)現(xiàn)整車(chē)性能的全面掌控。結(jié)合車(chē)型研發(fā)特點(diǎn)，制定了基于隱式參數(shù)化的車(chē)身概念開(kāi)發(fā)流程，如圖1所示。

第1階段(分塊拼裝) 根據(jù)早期離散數(shù)據(jù)建立初版SFEC模型，進(jìn)行各項(xiàng)性能的預(yù)研分析，為外表造型和設(shè)計(jì)人員提供早期性能評(píng)估依據(jù)，確定設(shè)計(jì)方向。

第2階段(基礎(chǔ)構(gòu)建) 根據(jù)前期模型、內(nèi)外CAS(concept a surface)面和早期CAD數(shù)據(jù)，快速完成擬合及整體拓?fù)涔ぷ?，?duì)各項(xiàng)性能進(jìn)行分析；為下一步局部結(jié)構(gòu)、尺寸和厚度的設(shè)計(jì)提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

第3階段(性能優(yōu)化) 配合CAD數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)更新模型，開(kāi)展局部拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)方案優(yōu)化；通過(guò)零部件厚度靈敏度分析，進(jìn)行模態(tài)、剛度和碰撞等性能綜合優(yōu)化，保障模態(tài)頻率和剛度，逐步優(yōu)化白車(chē)身構(gòu)架耐撞性，并實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

2 概念車(chē)身的實(shí)現(xiàn)

2.1 參數(shù)化模型要素

根據(jù)車(chē)型設(shè)計(jì)參數(shù)(白車(chē)身下車(chē)體數(shù)據(jù)、shotgun結(jié)構(gòu))和預(yù)估的模型結(jié)構(gòu)(某車(chē)型的后輪轂包結(jié)構(gòu)、某車(chē)型的白車(chē)身上車(chē)體結(jié)構(gòu)、某車(chē)型的造型、某車(chē)型的后橫梁結(jié)構(gòu)和某車(chē)型的側(cè)圍結(jié)構(gòu))，在SFE Concept軟件中建立白車(chē)身和四門(mén)兩蓋的參數(shù)化模型，如圖2所示。

2.2 參數(shù)化模型與有限元模型的耦合

為更合理掌握開(kāi)發(fā)車(chē)型的碰撞安全性能，構(gòu)建了較為完整的整車(chē)模型。通過(guò)借用類(lèi)似車(chē)型的前后懸架總成、動(dòng)力總成、散熱器總成和座椅總成等有限元模型，與白車(chē)身、四門(mén)兩蓋參數(shù)化模型進(jìn)行耦合，構(gòu)建碰撞所需的整車(chē)有限元模型。

模型耦合過(guò)程中，為實(shí)現(xiàn)碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)的自動(dòng)化處理，設(shè)置了具有特定編號(hào)的彈簧單元和加速度傳感器單元，以便后處理中能快速獲取車(chē)身侵入量和整車(chē)位移、速度及加速度曲線(xiàn)。在白車(chē)身參數(shù)化模型中，為基點(diǎn)和曲面建立特定編號(hào)，如圖3所示，為測(cè)量位移的彈簧單元和測(cè)量加速度的傳感器設(shè)定固定的編碼。

2.3 CAS擬合和CAD更新

在造型部門(mén)的內(nèi)外CAS數(shù)據(jù)出來(lái)后，進(jìn)行白車(chē)身和四門(mén)兩蓋參數(shù)化模型擬合，如圖4所示，并根據(jù)新的CAD數(shù)據(jù)更新白車(chē)身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)動(dòng)機(jī)罩，更新前后參數(shù)化模型對(duì)比如圖5所示。

3 性能開(kāi)發(fā)優(yōu)化

3.1 性能目標(biāo)

本車(chē)型概念開(kāi)發(fā)階段主要考察模態(tài)、剛度和碰撞安全性能，其性能指標(biāo)不但包括了白車(chē)身和四門(mén)兩蓋的1階扭轉(zhuǎn)、1階彎曲、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，同時(shí)還包括整車(chē)碰撞的最大加速度、防火墻和儀表板橫梁侵入量等。

3.2 優(yōu)化步驟

按照研發(fā)流程，第1階段考察零散數(shù)據(jù)拼湊車(chē)型的整車(chē)性能，對(duì)整車(chē)性能進(jìn)行初步的評(píng)估，為設(shè)計(jì)部門(mén)提供重要信息。第2階段在CAS數(shù)據(jù)和部分CAD數(shù)據(jù)的輸入后，再次評(píng)估整車(chē)性能，結(jié)果反饋至設(shè)計(jì)部門(mén)。第3階段在進(jìn)行CAD數(shù)據(jù)更新的同時(shí)，進(jìn)行靈敏度分析、白車(chē)身和四門(mén)兩蓋模態(tài)剛度分析、整車(chē)碰撞分析，為設(shè)計(jì)提供滿(mǎn)足整車(chē)性能和輕量化目標(biāo)的合理化建議。

3.3 結(jié)果討論

第1階段 白車(chē)身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為34Hz(不滿(mǎn)足目標(biāo))，1階彎曲模態(tài)等于目標(biāo)值40Hz；彎曲剛度為12 776N·m/(°)(不滿(mǎn)足目標(biāo))，扭轉(zhuǎn)剛度為11 294N/mm(不滿(mǎn)足目標(biāo))。100%正面碰撞整車(chē)加速度峰值為44g(滿(mǎn)足目標(biāo))，防火墻侵入量滿(mǎn)足目標(biāo)，儀表板侵入量部分超出目標(biāo)值；40%偏置碰撞整車(chē)加速度峰值為43g(滿(mǎn)足目標(biāo))，防火墻和儀表板橫梁侵入量較大。該狀態(tài)下白車(chē)身質(zhì)量為301kg。分析結(jié)果表明，須對(duì)前縱梁結(jié)構(gòu)、后地板結(jié)構(gòu)和后縱梁結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化。

第2階段 白車(chē)身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為40Hz(滿(mǎn)足目標(biāo))，1階彎曲模態(tài)為55Hz(滿(mǎn)足目標(biāo))；彎曲剛度為14 752N·m/(°)(滿(mǎn)足目標(biāo))，扭轉(zhuǎn)剛度為15 592N/mm(滿(mǎn)足目標(biāo))。100%正面碰撞整車(chē)加速度峰值為44g(滿(mǎn)足目標(biāo))，防火墻侵入量滿(mǎn)足目標(biāo)，儀表板侵入量部分超出目標(biāo)值較多；40%偏置碰撞整車(chē)加速度峰值為59g(不滿(mǎn)足目標(biāo))，防火墻和儀表板橫梁侵入量略微超出目標(biāo)值。該狀態(tài)下白車(chē)身質(zhì)量為287kg。分析結(jié)果認(rèn)為須優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙、地板、B柱和后縱梁的變形模式。

第3階段 根據(jù)上一階段分析結(jié)果，進(jìn)行基于模態(tài)和剛度的貢獻(xiàn)量與敏感度分析，在Isight平臺(tái)中搭建DOE試驗(yàn)流程，如圖6所示。獲取可用于提高扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能的零件4個(gè),見(jiàn)圖7，可用于提高彎曲模態(tài)性能的零件4個(gè)，見(jiàn)圖8，可用于提高剛度性能的零件24個(gè)和在不影響剛度的情況下可用于減質(zhì)量的零件40個(gè)，如表1所示。

基于上述參數(shù)化模型的模態(tài)剛度分析結(jié)果，白車(chē)身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、1階彎曲模態(tài)、彎曲剛度均達(dá)標(biāo)，扭轉(zhuǎn)剛度略低于目標(biāo)值，如圖9、圖10和表2所示。發(fā)動(dòng)機(jī)罩和后背門(mén)1階模態(tài)分別為59和35Hz，滿(mǎn)足要求，車(chē)門(mén)第1階模態(tài)頻率為42Hz，不滿(mǎn)足目標(biāo)，如圖11～圖13所示。

基于上述參數(shù)化模型的整車(chē)耐撞性分析結(jié)果：100%正面碰撞中儀表板橫梁侵入量較大；40%偏置碰撞整車(chē)加速度峰值偏高、防火墻侵入量少量超標(biāo)；側(cè)面碰撞中車(chē)門(mén)及B柱侵入量考察點(diǎn)均超過(guò)目標(biāo)值；后面碰撞中后縱梁結(jié)構(gòu)較弱、變形偏大，如圖14～圖17所示。

提高剛度(24個(gè))輕量化(40個(gè))PIDMASST/MB/MTPIDMASST/MB/MT391443100742116123915611023021141039140412042653073911611040750208…………………………391146103007662539147600651600812

注：①PID為零件ID號(hào)；②MASS為該件質(zhì)量對(duì)整車(chē)質(zhì)量貢獻(xiàn)率；③T/M為該件質(zhì)量對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)率與該件對(duì)質(zhì)量貢獻(xiàn)率的比值；④B/M為該件質(zhì)量對(duì)彎曲剛度的貢獻(xiàn)率與該件對(duì)質(zhì)量貢獻(xiàn)率的比值；⑤T為該件當(dāng)前厚度(mm)。

指標(biāo)1階扭轉(zhuǎn)/Hz1階彎曲/Hz彎曲剛度/(N·m/(°))扭轉(zhuǎn)剛度/(N/mm)白車(chē)身質(zhì)量/kg第3階段結(jié)果405414339123152675

因此，根據(jù)模態(tài)、剛度和碰撞安全性結(jié)果，模型需要進(jìn)一步優(yōu)化。下一步工作將開(kāi)展優(yōu)化車(chē)身材料布局分析、運(yùn)用SFE Concept更改碰撞安全關(guān)鍵件的設(shè)計(jì)變量，通過(guò)設(shè)計(jì)變量的錄制，使參數(shù)化模型根據(jù)變量自動(dòng)生成對(duì)應(yīng)的有限元模型，并進(jìn)行DOE迭代優(yōu)化，獲取滿(mǎn)足各性能要求的最佳方案。

4 結(jié)論

在新車(chē)型概念開(kāi)發(fā)階段，引入隱式參數(shù)化技術(shù)，快速評(píng)估研發(fā)車(chē)型的模態(tài)、剛度和碰撞安全性，兼顧輕量化要求對(duì)車(chē)身結(jié)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)部門(mén)提供重要的整車(chē)性能信息和車(chē)身設(shè)計(jì)方向。

該隱式參數(shù)化技術(shù)已成功應(yīng)用于多款吉利車(chē)型的開(kāi)發(fā)，對(duì)于創(chuàng)建具有吉利特色的自主車(chē)型研發(fā)體系、提升品牌形象具有重要價(jià)值。

[1] Men Yongxin, Tang Hui, Peng Hong, et al. Comprehensive Performance Development of Geely Models And CAE Synergy Optimization Technologies[J]. Engineering Sciences,2014,16(1):23-35.

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[4] 李楠,高衛(wèi)民,戴軼.基于隱式參數(shù)化模型的車(chē)身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程,2008,30(10):857-860.

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