汽車設計的多學科設計改進措施

楊承穎

摘 要：多學科設計優化是解決復雜工程系統設計問題的有效方法，屬于工業設計界新興的研究領域，在汽車設計領域應用多學科設計優化方法是汽車現代設計的一種新技術、新途徑，能夠有效規避傳統的常規優化設計方法存在一些弊端，提高設計水平。本文就對照傳統優化設計方法提出了將多學科設計優化方法引入到汽車設計領域的新思路。

關鍵詞：多學科設計優化；汽車設計；優化方法；系統工程

1 汽車總體設計

圖1是汽車總體設計工作的結構圖，其中X、Y、Z、P、PT分別代表設計變量，即控制參數；表示發展過程的動態和決定總體方案的內部聯系的狀態參數；設計方案的性能參數，即輸出參數；表示任務要求的輸入參數，一般用技術指標表示以及表示設計中的不確定的，帶有隨機性的干擾參數。這些參數都是矢量形式，可以用Z=f（P，X，Y，PT）表示。

在過去，汽車設計系統的優化方法大多是將多變量多目標的優化問題單一化，利用數學規劃方法去解決。但是普通的數學規劃的方法在應對過多的設計變量和復雜的數學模型時難免會出現偏差，影響系統的設計效果，因此對于汽車設計系統進行總體性能的優化，對經濟性、控制、結構、動力等子系統的優化就是必不可少的。為了提高系統整體性能，使各子系統協同作用，使各系統間自然存在的耦合效應得到充分利用，人們提出了一體化設計的要求，而這種設計的主流方法和技術便是多學科設計優化方法。

2 多學科設計優化方法

2.1 多學科設計優化的定義

多學科設計優化是從整個系統的角度對復雜工程及其子系統進行優化設計的，是基于對各學科（子系統）之間的交互影響的充考慮的基礎上對工程系統中相互作用的協同機制的探索和利用，是一種新型的工程設計方法。

2.2 多學科設計優化的研究內容

現階段對于多學科設計優化的研究主要在集中分布式高性能計算環境、有效的MDO（多學科設計優化）方法、各學科分析方法和軟件的集成等等，其中以有效的MDO方法和策略最為重要，是當前研究的最熱點問題。

2.3 多學科設計優化問題表述

圖2 所示的是對某個單一子系統的數據流程進行設計優化分析的分析模型。

分析說明：

（1）子系統Di輸入、輸出及求解方程

圖中Ai是子系統Di的學科分析代碼，Mi是其他耦合子系統的相關輸出量，是非獨立輸入量，Ui是狀態變量，是輸出量，Ui=Ai（XD，Mi），Wi（XD，Mi，Ui）=0是子系統Di剩余函數方程的表達形式。

（2）學科間耦合映射函數

μij=Fij（XD，Uj）；Mij=Eij（XD，μij）對子系統Di產生耦合映射的學科總數目是

（3）優化變量

圖中的Xμ、XM、XU分別表示優化器對參數μ、M、U產生的代理參數子集，XD是設計變量，是子系統Di的獨立輸入量。

（4）優化目標與約束

CD是問題的初始約束，f是設計目標函數，可以代表汽車設計中的可靠性、燃油經濟性、設計成本等學科函數。我們可以用以下公式代表多學科設計優化問題的廣義數學表達式：

2.4 多學科設計優化算法

多學科設計優化算法在應用于解決實際工程問題時，會利用分布式網絡計算技術，集成封裝在各級學科軟件優化器中，與各級系統分析模塊共同構成求解器。多學科設計優化算法主要包括協同優化算法、并行子空間優化算法和單級優化算法三種算法。其中單級優化算法包括一致性約束優化算法、基于全局敏感性方程的單級優化算法以及標準的系統級優化算法。除此之外，還有兩級集成系統綜合算法，這種算法是基于一致性約束優化算法的基礎上在1998年由Sobieski提出的，這種算法主要是將廣義的系統優化問題分解成一系列，其中一部分用來處理相對少的全局變量的系統優化問題，其他部分用來處理大量的局部詳細設計變量的局部優化問題。

3 汽車多學科設計優化

3.1 汽車子系統分析

需要在總體系統分析的基礎之上對系統進行分解，采用分布式網絡優化，改變傳統的整體優化方式，將汽車各子系統分析內容的互相交錯的網絡結構進行重組，將耦合的設計系統分解組織成較為簡單單一的子問題，在對相對獨立的子問題進行優化和協調，利用各學科比較完善成熟的分析工具對問題進行逐一的解決。圖3所示的是汽車系統設計結構矩陣，整個系統分析從左上角依次向右下角進行，由左上角到右下角這條對角線上的每一個矩形框都代表著汽車的一個子系統或者學科分析。

矩形框左右兩端延伸的水平線代表該學科分析信息的輸出，上下兩端延伸的垂直線代表信息的輸入，水平線和垂直線由一個黑點進行聯結，形成信息環，在對角線左下方的信息壞代表設計信息反饋，右上方的信息環代表信息前饋，同一層的子系統學科分析以及前饋、反饋共同構成了一個設計回路。

用矩陣來表示設計結構，能夠將子系統之間的信息交互和復雜的耦合關系簡單化，能夠使對系統分析工作的信息流的觀察和管理更加方便直觀。而且采用設計結構矩陣，能夠優化系統分析過程本身，減少設計設計結構矩陣的反饋環節，使整個系統進行解耦、分解等價簡便。

3.2 汽車多學科設計優化問題描述

以一個簡單的例子為例，比方說一個汽車系統的系統級優化的要求在于保持汽車最低的加速能力并使汽車成本最小化，那么很容易看出，只有更強的發動機性能和更輕的汽車結構重量才能最大限度的提高汽車的加速能力。可是增加汽車推進動力的成本和減少汽車結構重量存在沖突與矛盾的，在進行設計優化時要充分考慮汽車成本、動力、重量三者之間的交互影響。實際上，推進動力和結構學科領域是汽車設計優化的最根本所在，這些領域中包含著豐富的專業技術知識和具體設計變量。

對于汽車而言，最有實際意義的優化設計莫過于降低制造成本并提高汽車燃油的經濟性。而燃油經濟性的提高需要降低阻力，加大汽車的車身長度，可是這樣一來會使汽車初始轉紐頻率降低，如果低于安全目標值的話，就必須增加汽車的重量，但是汽車重量與燃油經濟性成反比，因此這屬于比較麻煩的一個問題。

為了很好的解決實際問題，建立了汽車的多學科設計優化模型，該模型的建立需要完成確定系統級目標函數、確定系統級有數條件、其他子系統的設計以及確定變量和數據的交換關系等步驟。首先為汽車燃油經濟性最大化，要尋求汽車后懸架長度，確定汽車結構尺寸，還有汽車載重、氣動阻力系數等約束條件。其次要分類描述設計中的耦合變量和獨立變量，給出子系統設計的數學表達式，再以約束的形式表達各學科的設計。圖4 所示的是汽車燃油經濟性恩新信息流程。

3.3 設計分析過程

本文采用車輛一體化設計分析系統來分析設計，在車輛一體化設計分析系統中，會利用ODYSSEY /NASTRAN軟件程序對響應和敏感性進行計算，用彈性梁模型對設計和結構分析進行處理，利用神經網絡方法對空氣動力學氣動阻力進行分析，基于彎扭頻率、車身長度、車體強度等約束條件的限制對車體重量進行優化設計，擬合計算實驗數據，通過對比推算，快速計算出汽車燃油經濟性的結果。這樣一來，有效控制了學科間的耦合設計變量，是各學科局部的分析優化能力得到最大限度的利用，實現了各學科子任務的并行設計，而且在結構學科優化過程中還同時進行多學科的敏感性分析計算。

3.4 結果分析

表1所示的部分優化結果，步驟0是對結構橫截面做的初始常規優化結果，代表原始設計，步驟1是對設計變量車身長度增加50mm的干擾而得出的橫截面尺寸的結構優化結果，采用近似方法在常規結構優化的基礎上對結構設計進行多學科優化的結果如步驟2所示，而步驟3是在步驟2的基礎上構建二次近似方程而得出的優化數據，由表中數據可以斷定設計收斂。

4 結語

雖然我國對于多學科優化設計方面的研究還屬于剛剛起步的階段，但是其有效提高產品質量和設計效率的作用是有目共睹的。怎樣既保證汽車的性能，又降低設計制造的成本對于汽車產業在激烈的市場競爭中尋求出路和發展而言具有十分重要的現實意義，而在汽車設計領域應用先進的多學科設計優化方法，正是提高企業設計水平，增強企業市場競爭力的有效手段。

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