工程約束的車身梁截面優化設計探討

何國志

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

【關鍵詞】車身設計；截面形狀；離散優化；遺傳算法

0 前言

在現在的汽車行業有不少關于截面優化的有效方法被發現和使用，在這里列舉對截面形狀優化問題最早著手的BANICHUK，這種方法是對截面剛度實現最大化的一種有效的優化方。另外，使用離散拓撲優化算法來進行車身的截面形狀的設計方法YOSHIMURA 也是一種比較常用和有效的方法。綜合這幾種優化和設計方法發現想要對車身截面設計進行真正的優化就要開發出適合和適用于汽車行業標準的以及能夠滿足多方面、多約束的一種優化方法。

1 在車身梁截面設計中存在的工程約束

1.1 形狀約束

對于車身形狀的設計的優化問題，在實際的使用中發現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點之間的變化，當然這個變化是個連續性的問題。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行裝配的操作，當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部裝飾的限制，這時候就只能依據對其板形狀進行調整來進行局部的形狀優化的設計。

1.2 材料約束

現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， 但是隨著現在對汽車車身強度的要求的加深，高強度的鋼板的使用數量在大大的增大，另外一些復合性質的材料還有一些合金性質的材料例如鎂、鋁合金也在越來越多的使用在車身的部件上，通過實際的調差發現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，作為車身的設計者一定要對材料進行合理的選擇，從市場提供的厚度標準的材料里選擇適當的材料，依據市場的供應來對材料庫設定一個標準，對于在截面設計方面需要的材料要從庫認真的選取。

2 車身梁截面優化模塊設計

這里介紹的關于車身截面的設計系統是集車身梁截面的設計和管理以及優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++語言開發技術，該系統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化和導出，一般來說通用的電子表格文件是它主要采用的數據庫存儲的格式和標準，它對數據進行存儲和訪問時是通過現有的接口進行的。

首先就是截面的采集，這個功能主要是指在系統中存在的可導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，這個文件可以依據上述板上的分類來把截面進行一種自動的分類，結果分成許多條線段，然后再經由交互式定義的截面里的內、外板以及加強板來把截面的信息導入進截面數據庫中去，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、刪除等等對數據庫的操作組成。

再次是截面的優化，這個環節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行優化。使用這個模塊再加上結合車身概念設計，就可以依據對截面形狀的改變實現車身剛度的優化目標。

最后是截面導出，該系統主要的任務就是把以 step格式或者 iges 格式的性質為中性的CAD 文件導出截面形狀。

3 對梁截面優化算法的設計

3.1 優化設計變量的定義

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，連續變量是形狀，層數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，它是可以依據設立一個相應的數據庫來存儲其可取的值進行定義的。另外需要注意的是，對于車身截面的形狀優化還要考慮截面在裝配上的約束以及在制造上的約束。因為截面優化是屬于多目標優化范疇的問題，離散變量以及連續變量組成優化變量，因此遺傳算法是比較合適的優化方法。在實際的使用中發現，使用遺傳優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，困難會更加的嚴重，所以要積極的采取措施來把約束問題轉化成對優化變量的限制這樣來為上述約束創造實現的條件。

3.1.1 截面可制造性約束的轉化

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，使其不能出現負角以及截面的各層中間都不能出現交叉的問題，如果出現交叉問題就不能通過沖壓這種工藝進行操作和加工。本項目中的形狀優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造了很好的條件。

3.1.2 裝配約束的設定

由于車身的截面是通過多層板構成的，因此對于形狀的調整就會考慮到裝配的設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行形狀調整的，但是可以采用在采集截面形狀的時候對截面的各個層板命名的方式進行，例如可以命名為內板、外板以及加強板 1、2 。在對設置進行優化時，使用交互的方式來進行，對于參與形狀變化的板以及一些控制點就可以進行這一約束的表達，最后轉化成對控制點的一種描述。

3.1.3 材料約束設定

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，隨著現代人對車身強度的要求的加深，強度高的鋼板使用數量也在逐漸的增多，一些復合材料和鎂、鋁合金材料在大量的使用在車身的一些部件中，綜合實踐發板厚度都是在 0.6 毫米和3.0 毫米之間的。本文依據實際的市場調研，建立了一個內容豐富的材料庫，主要包括材料力學的參數、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據直接調查。

3.2 優化算法的實現

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，其優化結果已經優于其他相似算法，因此在以往的研究中多有采用。本文的優化過程中，NSGA-II 以預期達到的梁截面的性能參數與低的質量作為目標函數，進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雜度。

4 結語

總而言之，對于車身概念設計階段來說，車身梁截面的設計是其非常重要的一項內容，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化有關問題，把對車身截面形狀進行優化的問題與其使用的材料、車身的厚度以及加強板層數等幾個變量的優化問題很好的結合在一起，這種方法能夠很好的滿足設計性能，另外能夠把車身優化的成本大大的降低，還能提升優化方面的技術，使得工程人員在概念設計階段進行截面形狀的設計提供指導。

【參考文獻】

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[責任編輯：朱麗娜]