工程約束的車身梁截面優(yōu)化設(shè)計探討

何國志

【摘 要】對于車身梁截面設(shè)計約束問題的一些研究，就是將車身薄壁梁截面形狀優(yōu)化的設(shè)計問題和車身截面的厚度以及使用材料等參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化的一個合理的結(jié)合。本文主要使用的是以工程設(shè)計中的可裝配性和可制造性作為設(shè)計的重要約束，并對車身梁截面進(jìn)行多目標(biāo)的優(yōu)化方法，經(jīng)過實踐證明這種方法重要把車身的結(jié)構(gòu)和性能以及成本等因素作為目標(biāo)，通過對梁截面的形狀進(jìn)行特別的編碼來實現(xiàn)梁截面在形狀和厚度以及材料等方面來對變量的多目標(biāo)優(yōu)化模型進(jìn)行設(shè)計。

【關(guān)鍵詞】車身設(shè)計；截面形狀；離散優(yōu)化；遺傳算法

0 前言

在現(xiàn)在的汽車行業(yè)有不少關(guān)于截面優(yōu)化的有效方法被發(fā)現(xiàn)和使用，在這里列舉對截面形狀優(yōu)化問題最早著手的BANICHUK，這種方法是對截面剛度實現(xiàn)最大化的一種有效的優(yōu)化方。另外，使用離散拓?fù)鋬?yōu)化算法來進(jìn)行車身的截面形狀的設(shè)計方法YOSHIMURA 也是一種比較常用和有效的方法。綜合這幾種優(yōu)化和設(shè)計方法發(fā)現(xiàn)想要對車身截面設(shè)計進(jìn)行真正的優(yōu)化就要開發(fā)出適合和適用于汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的以及能夠滿足多方面、多約束的一種優(yōu)化方法。

1 在車身梁截面設(shè)計中存在的工程約束

1.1 形狀約束

對于車身形狀的設(shè)計的優(yōu)化問題，在實際的使用中發(fā)現(xiàn)可以通過抽象的方法，就是把對截面形狀起到控制作用的一些坐標(biāo)點之間的變化，當(dāng)然這個變化是個連續(xù)性的問題。對于車身的截面形狀來講，它的變化可不是任意或者隨意的，變化是受到裝配已經(jīng)制造等許多在工程方面的因素的限制的。這里舉一個例子，例如車身的B柱是屬于多層截面范疇的，它的外板就需要和車門進(jìn)行裝配的操作，當(dāng)然它的形狀就會在一定程度上受到來自車門的外形以及內(nèi)部裝飾的限制，這時候就只能依據(jù)對其板形狀進(jìn)行調(diào)整來進(jìn)行局部的形狀優(yōu)化的設(shè)計。

1.2 材料約束

現(xiàn)在的情況是車身在材料的選擇上一般是使用比較便宜的普通鋼板， 但是隨著現(xiàn)在對汽車車身強(qiáng)度的要求的加深，高強(qiáng)度的鋼板的使用數(shù)量在大大的增大，另外一些復(fù)合性質(zhì)的材料還有一些合金性質(zhì)的材料例如鎂、鋁合金也在越來越多的使用在車身的部件上，通過實際的調(diào)差發(fā)現(xiàn)使用的板的厚度都是位于0.5 毫米和3.0 毫米之間這個范圍的，作為車身的設(shè)計者一定要對材料進(jìn)行合理的選擇，從市場提供的厚度標(biāo)準(zhǔn)的材料里選擇適當(dāng)?shù)牟牧?，依?jù)市場的供應(yīng)來對材料庫設(shè)定一個標(biāo)準(zhǔn)，對于在截面設(shè)計方面需要的材料要從庫認(rèn)真的選取。

2 車身梁截面優(yōu)化模塊設(shè)計

這里介紹的關(guān)于車身截面的設(shè)計系統(tǒng)是集車身梁截面的設(shè)計和管理以及優(yōu)化等各種功能與一身的一個綜合性的軟件模塊。它主要使用的是NX Open C++語言開發(fā)技術(shù)，該系統(tǒng)是由四個部分組成的，包括截面的采集和截面的管理以及截面的優(yōu)化和導(dǎo)出，一般來說通用的電子表格文件是它主要采用的數(shù)據(jù)庫存儲的格式和標(biāo)準(zhǔn)，它對數(shù)據(jù)進(jìn)行存儲和訪問時是通過現(xiàn)有的接口進(jìn)行的。

首先就是截面的采集，這個功能主要是指在系統(tǒng)中存在的可導(dǎo)入的并且把截面形狀信息的step 格式以及iges 格式中的中性 CAD 文件，這個文件可以依據(jù)上述板上的分類來把截面進(jìn)行一種自動的分類，結(jié)果分成許多條線段，然后再經(jīng)由交互式定義的截面里的內(nèi)、外板以及加強(qiáng)板來把截面的信息導(dǎo)入進(jìn)截面數(shù)據(jù)庫中去，這個截面采集就完成了。

其次是對截面管理，對截面的管理主要由截面形狀的編輯和截面屬性的編輯以及截面查詢、刪除等等對數(shù)據(jù)庫的操作組成。

再次是截面的優(yōu)化，這個環(huán)節(jié)是對截面特性的計算表示支持的，并對截面的形狀和厚度以及使用材料進(jìn)行優(yōu)化。使用這個模塊再加上結(jié)合車身概念設(shè)計，就可以依據(jù)對截面形狀的改變實現(xiàn)車身剛度的優(yōu)化目標(biāo)。

最后是截面導(dǎo)出，該系統(tǒng)主要的任務(wù)就是把以 step格式或者 iges 格式的性質(zhì)為中性的CAD 文件導(dǎo)出截面形狀。

3 對梁截面優(yōu)化算法的設(shè)計

3.1 優(yōu)化設(shè)計變量的定義

首先要明白截面的形狀和材料以及層、厚度等四個因素是組成計變量的重要部分。在這之中，連續(xù)變量是形狀，層數(shù)和材料以及厚度這三個因素是屬于離散變量范圍的。一般情況下，對于離散變量來講，它是可以依據(jù)設(shè)立一個相應(yīng)的數(shù)據(jù)庫來存儲其可取的值進(jìn)行定義的。另外需要注意的是，對于車身截面的形狀優(yōu)化還要考慮截面在裝配上的約束以及在制造上的約束。因為截面優(yōu)化是屬于多目標(biāo)優(yōu)化范疇的問題，離散變量以及連續(xù)變量組成優(yōu)化變量，因此遺傳算法是比較合適的優(yōu)化方法。在實際的使用中發(fā)現(xiàn)，使用遺傳優(yōu)化方法中遇到的一個重大的困難是約束處理，特別是約束不能很好的顯出來的時候，困難會更加的嚴(yán)重，所以要積極的采取措施來把約束問題轉(zhuǎn)化成對優(yōu)化變量的限制這樣來為上述約束創(chuàng)造實現(xiàn)的條件。

3.1.1 截面可制造性約束的轉(zhuǎn)化

在實際使用中的截面，由于其具有可制造性工藝的約束，因此對截面形狀的限定比較大，使其不能出現(xiàn)負(fù)角以及截面的各層中間都不能出現(xiàn)交叉的問題，如果出現(xiàn)交叉問題就不能通過沖壓這種工藝進(jìn)行操作和加工。本項目中的形狀優(yōu)化變量采用的是在各層板控制點之間的偏移量，這就為可制造性約束的處理和解決創(chuàng)造了很好的條件。

3.1.2 裝配約束的設(shè)定

由于車身的截面是通過多層板構(gòu)成的，因此對于形狀的調(diào)整就會考慮到裝配的設(shè)計以及位置上存在的約束，所以有些截面形狀的組成部分是不能進(jìn)行形狀調(diào)整的，但是可以采用在采集截面形狀的時候?qū)孛娴母鱾€層板命名的方式進(jìn)行，例如可以命名為內(nèi)板、外板以及加強(qiáng)板 1、2 。在對設(shè)置進(jìn)行優(yōu)化時，使用交互的方式來進(jìn)行，對于參與形狀變化的板以及一些控制點就可以進(jìn)行這一約束的表達(dá)，最后轉(zhuǎn)化成對控制點的一種描述。

3.1.3 材料約束設(shè)定

眼下的車身在材料的選擇上主要以價格便宜的普通鋼板為主，隨著現(xiàn)代人對車身強(qiáng)度的要求的加深，強(qiáng)度高的鋼板使用數(shù)量也在逐漸的增多，一些復(fù)合材料和鎂、鋁合金材料在大量的使用在車身的一些部件中，綜合實踐發(fā)板厚度都是在 0.6 毫米和3.0 毫米之間的。本文依據(jù)實際的市場調(diào)研，建立了一個內(nèi)容豐富的材料庫，主要包括材料力學(xué)的參數(shù)、價格；再對材料類型以及厚度的選擇時要使用材料庫中的數(shù)據(jù)直接調(diào)查。

3.2 優(yōu)化算法的實現(xiàn)

在遺傳算法中，該算法通過引入精英策略、密度值估計策略和快速非支配排序策略，其優(yōu)化結(jié)果已經(jīng)優(yōu)于其他相似算法，因此在以往的研究中多有采用。本文的優(yōu)化過程中，NSGA-II 以預(yù)期達(dá)到的梁截面的性能參數(shù)與低的質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行帶精英策略的快速非支配排序，有效地降低了算法的時間復(fù)雜度。

4 結(jié)語

總而言之，對于車身概念設(shè)計階段來說，車身梁截面的設(shè)計是其非常重要的一項內(nèi)容，它有著決定性的作用，在本文中筆者研究了與車身骨架截面優(yōu)化有關(guān)問題，把對車身截面形狀進(jìn)行優(yōu)化的問題與其使用的材料、車身的厚度以及加強(qiáng)板層數(shù)等幾個變量的優(yōu)化問題很好的結(jié)合在一起，這種方法能夠很好的滿足設(shè)計性能，另外能夠把車身優(yōu)化的成本大大的降低，還能提升優(yōu)化方面的技術(shù)，使得工程人員在概念設(shè)計階段進(jìn)行截面形狀的設(shè)計提供指導(dǎo)。

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[責(zé)任編輯：朱麗娜]