基于隱式參數(shù)化建模的發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王峻峰，印明勛，喬鑫

基于隱式參數(shù)化建模的發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)優(yōu)化

王峻峰，印明勛，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為提升某發(fā)動機艙蓋模態(tài)頻率與剛度性能，建立隱式參數(shù)化模型。以結(jié)構(gòu)在不同約束或加載位置下表現(xiàn)出不同的剛度性能為依據(jù)，研究此發(fā)動機艙蓋的緩沖塊在不同位置處對剛度性能的影響。將此作為設(shè)計變量，結(jié)合發(fā)動機艙蓋斷面尺寸，支撐梁位置設(shè)計變量進行多目標(biāo)優(yōu)化并研究了各變量對性能的影響。結(jié)果表明，緩沖塊沿整車坐標(biāo)系下的X向及Y向移動，對各項剛度性能均有不同程度的影響。同時，多目標(biāo)優(yōu)化對彎曲剛度及前角剛度性能有明顯的提升，獲得了更為合理的結(jié)構(gòu)。

隱式參數(shù)化；發(fā)動機艙蓋；緩沖塊；多目標(biāo)優(yōu)化

前言

縮短開發(fā)周期，加快產(chǎn)品設(shè)計與驗證速度對于汽車企業(yè)來說是提升競爭力的有效手段之一。傳統(tǒng)的“CAD方案—CAE驗證—方案修改—驗證……”過程十分繁雜、耗時[1]。隱式參數(shù)化建模技術(shù)使得CAE分析在無CAD數(shù)據(jù)的前提下提前進入到開發(fā)早期階段，通過建立全參數(shù)化模型，快速實現(xiàn)設(shè)計人員想要的設(shè)計方案并自動生成滿足分析需求的網(wǎng)格，完成CAE分析，獲得相關(guān)性能。同時，可變的參數(shù)化模型可以嵌入到優(yōu)化分析流程中，實現(xiàn)對結(jié)構(gòu)各部位尺寸，形狀的最優(yōu)化設(shè)計。

目前，汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化一般從零件的尺寸，形狀，以及厚度等方面進行，但對于剛度非均勻分布的結(jié)構(gòu)來說，其支撐位置與受力位置的布置對結(jié)構(gòu)的綜合性能影響也是不可忽視的，因而需要將這兩個因素考慮到優(yōu)化分析中。另外，隱式參數(shù)化建模技術(shù)多用于白車身的建模，分析與優(yōu)化中，如文獻[2-5]等探討了隱式參數(shù)化建模技術(shù)在白車身開發(fā)中的應(yīng)用與優(yōu)化方法，但是隱式參數(shù)化技術(shù)在汽車其它結(jié)構(gòu)方面的應(yīng)用研究較少。

本文以某發(fā)動機艙蓋為研究對象，利用SFE-Concept軟件建立較為詳細(xì)的發(fā)動機艙蓋參數(shù)化模型，以作為發(fā)動機艙蓋分析加載或約束的緩沖塊位置為變量，研究其位置變化對結(jié)構(gòu)剛度性能的影響趨勢，為緩沖塊的布置提供依據(jù)。同時，再結(jié)合發(fā)動機艙蓋兩側(cè)與后部結(jié)構(gòu)斷面變量，縱向支撐梁的角度與寬度變量，從結(jié)構(gòu)變化的角度對發(fā)動機艙蓋進行了多目標(biāo)的外形與尺寸優(yōu)化，使得此發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)更加合理。最后，研究了各個變量對各項性能的影響，為后續(xù)單項性能的優(yōu)化提供參考方向。

2 隱式參數(shù)化模型與變量定義

2.1 發(fā)動機艙蓋參數(shù)化模型

利用SFE-Concept建模軟件，將發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)分解為梁與接頭這兩種形式的基本模型單元，通過MAP功能建立發(fā)動機艙蓋中的加強件與內(nèi)外板之間的連接關(guān)系，實現(xiàn)隱式參數(shù)化發(fā)艙蓋的建立，如圖1所示。

圖1 隱式參數(shù)化發(fā)動機艙蓋模型

2.2 變量的錄制

圖2 優(yōu)化變量位置說明

表1 優(yōu)化變量的變化范圍

利用隱式參數(shù)化模型的好處之一是可以實現(xiàn)結(jié)構(gòu)各部位在空間中的位置與形狀的改變，同時保持各零部件之間的連接關(guān)系保持不變，而這些變化可作為優(yōu)化分析的變量。本文以發(fā)動機蓋緩沖塊位置，發(fā)動機艙蓋兩側(cè)結(jié)構(gòu)斷面，發(fā)動機艙蓋后部結(jié)構(gòu)斷面尺寸，縱向支撐梁的位置與寬度為變量，每個變量以5mm為一步進行變量的錄制，各變量位置說明圖2所示。根據(jù)布置要求等相關(guān)設(shè)計限制，制定的各變量變化范圍如表1所示。

2.3 分析工況定義說明

發(fā)動機艙蓋作為汽車不可缺少的結(jié)構(gòu)之一，對其重量，行人保護，隔熱隔音，振動及剛度方面均有要求。本文僅從發(fā)動機艙蓋的模態(tài)及剛度性能角度進行考察與優(yōu)化。對于模態(tài)，考察自由模態(tài)，主要關(guān)心結(jié)構(gòu)一階扭轉(zhuǎn)振型下的模態(tài)頻率，即此發(fā)動機艙蓋的一階頻率。對于剛度分析，主要以扭轉(zhuǎn)變形與彎曲變形的形式對發(fā)動機艙蓋剛度進行考察。由于發(fā)動機艙蓋安裝在車身上，其受力主要來自車身，并通過鉸鏈安裝點，緩沖塊及發(fā)動機蓋鎖將載荷傳遞到發(fā)動機艙蓋上，因而，通常情況下，對其剛度的考察一般以這些位置作為加載或約束點。各個剛度工況考察方式如圖3所示。

圖3 剛度分析工況說明

3 緩沖塊位置對剛度性能的影響

3.1 加載與支撐位置對結(jié)構(gòu)剛度性能的影響

由簡支梁撓度公式可知，當(dāng)載荷位于梁的中間位置，且結(jié)構(gòu)的彈性模量，慣性矩以及承受的載荷不變時，如圖4所示，其最大撓度與支撐點之間的跨距成三次方正比，跨距越大，最大撓度越大。如公式（1）所示。

圖4 載荷位于簡支梁中間

式中：ωmax為最大撓度，E為彈性模量，I為慣性矩，F(xiàn)為載荷，L為左右支撐點之間的跨距。

式中：ωmax為最大撓度，E為彈性模量，I為慣性矩，F(xiàn)為載荷，L為左右支撐點之間的跨距，a為載荷距左側(cè)支撐點距離，b為載荷距右側(cè)支撐點距離。

基于以上理論，當(dāng)結(jié)構(gòu)的支撐位置及載荷施加的位置不同時，其加載點處的撓度是不同的，作為載荷與加載點處的撓度比值的剛度值也不同。因而，合理布置結(jié)構(gòu)支撐位置和載荷施加位置是提升結(jié)構(gòu)彎曲剛度性能的一種手段。

在發(fā)動機艙蓋設(shè)計中，緩沖塊位置不屬于設(shè)計中的硬點，即不可改變的位置，因而可以調(diào)整其位置。同時發(fā)動機艙蓋關(guān)閉后需要通過緩沖塊與水箱橫梁接觸，以起到緩沖與支撐作用，其位置的變化范圍應(yīng)考慮水箱橫梁接觸面的尺寸限制，從而對該變量的變化范圍產(chǎn)生限制。

3.2 緩沖塊位置對各剛度性能的影響

根據(jù)表1中緩沖塊X向和Y向變化范圍及5mm為一個步距，分別計算出緩沖塊沿X向移動和Y向時各個位置下發(fā)動機艙蓋的各項剛度性能。從分析結(jié)果中可以看出，當(dāng)兩側(cè)緩沖塊同時沿整車X向移動時，此發(fā)動機艙蓋的彎曲剛度，前角剛度，側(cè)邊中部剛度及扭轉(zhuǎn)剛度均成線性變化趨勢，且沿X負(fù)向移動，即車前方向移動，其剛度值越低。對后中部剛度來說，基本無影響。從幅值變化程度來看，其對彎曲剛度及前角剛度影響程度較大。如圖6所示。

圖6 緩沖塊X向移動對剛度性能的影響

當(dāng)兩側(cè)緩沖塊同時沿整車Y向移動時，此發(fā)動機艙蓋的彎曲剛度，前角剛度，側(cè)邊中部剛度均成線性變化趨勢，且緩沖塊同時向車內(nèi)方向移動時，其彎曲剛度值及前角值越高，而側(cè)邊中部剛度值越低。對后中部剛度來說，基本無影響。對扭轉(zhuǎn)剛度來說，呈先低后高的拋物線變化趨勢。從幅值變化程度來看，其對彎曲剛度及前角剛度影響程度較大。如圖7所示。

圖7 緩沖塊Y向移動對剛度性能的影響

4 發(fā)動機艙蓋多目標(biāo)優(yōu)化分析

4.1 優(yōu)化流程與優(yōu)化方法

本文以在發(fā)動機艙蓋質(zhì)量不變的前提下發(fā)掘初版結(jié)構(gòu)性能潛力以便指導(dǎo)下一輪結(jié)構(gòu)設(shè)計為分析目的?；诖怂悸罚摪l(fā)動機艙蓋將以模態(tài)及各個剛度考察項的性能最大化為優(yōu)化目標(biāo)，以當(dāng)前發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)的質(zhì)量為約束條件，進行多目標(biāo)優(yōu)化分析，使發(fā)動機艙蓋的結(jié)構(gòu)布置與尺寸更為合理。

試驗設(shè)計（DOE）采用優(yōu)化拉丁超立方設(shè)計方法對樣本進行抽樣，該方法使得所有的試驗點盡量均勻地分布在設(shè)計空間中，具有非常好的空間填充性和均衡性?？紤]到變量數(shù)量及各個變量水平數(shù)量，樣本數(shù)量設(shè)置為50個，以確保近似模型的準(zhǔn)確性。試驗流程如圖8所示。

圖8 試驗設(shè)計流程

常用的近似模型的構(gòu)建方法有克里格模型，響應(yīng)面模型及徑向基函數(shù)法等，本文經(jīng)過篩選對比，最終采用二階的響應(yīng)面法構(gòu)建近似模型，并使用交叉驗證的方法來考察近似模型的準(zhǔn)確性。使用決定系數(shù)R2來考察近似模型的整體精度，其越接近1表明近似精度越高，一般大于0.9可滿足近似要求[7]。經(jīng)擬合，各個輸出變量的R2值分別為：模態(tài)0.994；側(cè)邊中部剛度0.991；扭轉(zhuǎn)剛度0.940；前角剛度0.971；彎曲剛度0.974；后中部剛度0.982，質(zhì)量0.999。

對于多目標(biāo)優(yōu)化方法，本文選取非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ），該方法將目標(biāo)參數(shù)分別處理，并采用標(biāo)準(zhǔn)的突變與交叉遺傳算法。篩選過程采用非支配排序和擁擠距離排序兩種主要的運算機制[8]。該方法探索性能良好，增強了帕累托前進能力。

4.2 多目標(biāo)優(yōu)化分析結(jié)果

多目標(biāo)優(yōu)化問題的各個目標(biāo)之間一般是相互沖突的，其最優(yōu)解不是單一解，設(shè)計人員需要從一系列的解集，即帕累托解集中進行權(quán)衡取舍，挑選出達到所允許性能要求的一個優(yōu)化結(jié)果。本文經(jīng)過14407次優(yōu)化運算并獲得740個帕累托解。

表2 多目標(biāo)優(yōu)化結(jié)果

優(yōu)化后的最終結(jié)構(gòu)如圖9所示。與原始結(jié)構(gòu)相比，左右兩側(cè)緩沖塊X向位置不變，Y向沿車內(nèi)方向移動60mm，左右兩側(cè)支撐梁前端（車頭方向）同時向車內(nèi)方向移動10mm，后端同時向車內(nèi)方向移動25mm，且該支撐梁斷面尺寸縮小10mm，中間支撐梁斷面加寬10mm，發(fā)動機艙蓋兩側(cè)斷面尺寸同時加寬10mm，后部斷面尺寸減少10mm。

由于優(yōu)化結(jié)果基于近似模型得到，與實際有限元分析結(jié)果有一定誤差，因而需要基于有限元計算重新獲得優(yōu)化結(jié)構(gòu)的最終性能。該發(fā)艙蓋最終模態(tài)與剛度性能如表3所示。

表3 最終性能結(jié)果

從計算結(jié)果可知，與原始性能相比，優(yōu)化后的發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)在彎曲剛度提升33.8%，前角剛度提升28.1%，性能提升明顯，對于其他性能來說，變化幅度不大。與表2的近似模型結(jié)果相比，誤差均在10%以內(nèi)，說明該近似模型的精度較高。

5 結(jié)論

（1）使用SFE-Concept軟件的隱式參數(shù)化建模技術(shù)可以在發(fā)動機艙蓋早期的開發(fā)中構(gòu)建參數(shù)化模型，錄制以結(jié)構(gòu)尺寸及布置變化為主的相關(guān)變量，快速生成有限元網(wǎng)格進行性能分析，并嵌入到優(yōu)化流程中探尋性能更優(yōu)的結(jié)構(gòu)，以指導(dǎo)后期開發(fā)階段的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

（2）作為發(fā)動機艙蓋剛度分析的約束或加載位置的緩沖塊，其所在位置對剛度性能具有一定的影響。從優(yōu)化結(jié)果中可以看出，緩沖塊的Y向位置對彎曲剛度及前角剛度具有較大的影響程度。因而在設(shè)計中應(yīng)合理布置緩沖塊等結(jié)構(gòu)支撐與載荷施加位置，充分發(fā)揮結(jié)構(gòu)的剛度性能。

（3）經(jīng)過以緩沖塊，縱向支撐梁位置及其他斷面尺寸為變量進行的多目標(biāo)優(yōu)化分析，使得該發(fā)動機艙蓋在彎曲剛度的考察中提升了33.8%，在前角剛度的考察中有28.1%的性能提升，其他性能也有不同程度的變化。該優(yōu)化過程使得發(fā)動機艙蓋的設(shè)計更加合理，尤其在結(jié)構(gòu)本身性能滿足的前提下，再次合理優(yōu)化結(jié)構(gòu)也可為后期輕量化提供更多的減重空間。同時，對各個變量進行各項性能的影響分析可為后期開發(fā)中提升單項性能提供優(yōu)化方向。

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Structure Optimization of Engine Hood Based on Implicit Parametric Model

Wang Junfeng, Yin Mingxun, Qiao Xin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to make the mass and performance of car door reasonable match and determine the reasonable structure of car door in the early design stage, an implicit parametric model of car door is built by using SFE-Concept, part size and position are taken as size variable, and parts thickness is taken as thickness variable. A ulti-objective optimization of the size optimization and thickness optimization is done by using NSGA-Ⅱ optimization algorithm within a single optimization flow. The first mode performance of the door is improved by 12.1%, and the lower stiffness performance of the door is improved by 14.4%. The mass and other performance of the door is basically the same.

implicit parameterization; engine hood; buffer block; multi-objective ptimization

U467

A

1671-7988(2019)14-141-04

U467

A

1671-7988(2019)14-141-04

王峻峰，工程師，碩士，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為結(jié)構(gòu)耐久分析與輕量化分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.046