基于網(wǎng)格變形技術(shù)的概念設(shè)計(jì)階段白車身性能評(píng)估方法研究

羅慧娟，鄧文字，黃炎

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術(shù)中心，廣西柳州 545007)

0 引言

市場(chǎng)的競(jìng)爭(zhēng)壓力促使汽車生產(chǎn)企業(yè)壓縮新產(chǎn)品的開發(fā)周期，這使得基于平臺(tái)的車型開發(fā)模式成為必須。基于平臺(tái)的車型開發(fā)模式，在已有成熟車型的基礎(chǔ)上根據(jù)消費(fèi)者的需求快速開發(fā)出改型設(shè)計(jì)和系列化設(shè)計(jì)車型。與開發(fā)全新車型相比，這種模式周期短，直接基于平臺(tái)基礎(chǔ)車型進(jìn)行詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。開發(fā)周期縮短也使現(xiàn)有的CAE分析技術(shù)受到?jīng)_擊?，F(xiàn)有的CAE技術(shù)依賴CAD數(shù)據(jù)，對(duì)于直接發(fā)布詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的改款車，意味著數(shù)據(jù)發(fā)布之前即概念設(shè)計(jì)階段，無(wú)法評(píng)估新車型的性能。如果等到數(shù)據(jù)發(fā)布后才發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)方案存在性能問(wèn)題，修改設(shè)計(jì)方案會(huì)嚴(yán)重影響項(xiàng)目進(jìn)度。

在基于平臺(tái)的車型開發(fā)模式下，如何在概念設(shè)計(jì)階段運(yùn)用CAE技術(shù)對(duì)方案進(jìn)行性能評(píng)估，降低發(fā)布數(shù)據(jù)時(shí)關(guān)鍵性能不達(dá)標(biāo)的風(fēng)險(xiǎn)，成為縮短車型開發(fā)周期的關(guān)鍵。

網(wǎng)格變形技術(shù)將一個(gè)給定對(duì)象光滑、連續(xù)地變換成目標(biāo)對(duì)象，實(shí)現(xiàn)源對(duì)象和目標(biāo)對(duì)象在形狀上的漸變和過(guò)渡。此技術(shù)可直接對(duì)有限元模型進(jìn)行修改，避免了仿真對(duì)CAD數(shù)據(jù)的過(guò)度依賴。基于平臺(tái)的車型改型設(shè)計(jì)思路基本有3種：(1)在不修改白車身主結(jié)構(gòu)的前提下修改局部外造型；(2)更改車寬、車高、軸距、輪距；(3)兩廂、三廂及SUV 系列化。由此可看出，同一平臺(tái)車型的車身結(jié)構(gòu)具備一定相似度，在缺乏詳細(xì)的新車型CAD數(shù)據(jù)的情況下，通過(guò)網(wǎng)格變形方法改變已有基礎(chǔ)車型CAE模型的形狀和尺寸，可以快速構(gòu)建新車型的CAE模型。

為縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，在新車型開發(fā)流程中，特別是基于平臺(tái)的改型設(shè)計(jì)流程中引入適用于概念設(shè)計(jì)階段CAE分析技術(shù)十分必要。文中主要探討在概念設(shè)計(jì)階段運(yùn)用網(wǎng)格變形技術(shù)改變基礎(chǔ)車型有限元模型，以高效地獲得新車型的有限元模型的方法，從而在概念設(shè)計(jì)階段預(yù)測(cè)新車型的性能指標(biāo)。

1 網(wǎng)格變形技術(shù)

國(guó)外從20世紀(jì)八十年代初就開始了對(duì)網(wǎng)格變形技術(shù)的研究，在汽車零部件的局部形狀優(yōu)化方面已經(jīng)有比較成熟的應(yīng)用。目前，已有學(xué)者開始關(guān)注和探索網(wǎng)格變形技術(shù)在車型的改型設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。

網(wǎng)格變形技術(shù)中的節(jié)點(diǎn)可分為控制節(jié)點(diǎn)、變形節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)3種類型?？刂乒?jié)點(diǎn)通過(guò)平移、旋轉(zhuǎn)、比例縮放和投影等方式進(jìn)行操縱，控制節(jié)點(diǎn)引導(dǎo)可變形節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，從而驅(qū)動(dòng)緩沖區(qū)的網(wǎng)格變形；固定節(jié)點(diǎn)用來(lái)定義網(wǎng)格中變形區(qū)的邊界，在變形過(guò)程中固定不動(dòng)；可變形節(jié)點(diǎn)隨控制節(jié)點(diǎn)運(yùn)動(dòng)，其位移由控制節(jié)點(diǎn)和變形形狀函數(shù)決定。由公式(1)—(3)可以計(jì)算變形節(jié)點(diǎn)變形后的坐標(biāo)：

(1)

(2)

f(ΔControl)=f(Δ,φ,φ)

(3)

DEP Meshworks /Morpher(以下簡(jiǎn)稱Morpher)是一款網(wǎng)格變形軟件，提供2種網(wǎng)格變形方式：自由變形和基于控制塊的變形。自由變形是直接對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行變形，通過(guò)選取合適的控制節(jié)點(diǎn)和控制參數(shù)(φ,ψ)，可直接對(duì)網(wǎng)格進(jìn)行連續(xù)光滑的變形；基于控制塊方式的操作對(duì)象是控制塊，控制塊包絡(luò)了網(wǎng)格，通過(guò)移動(dòng)控制塊頂點(diǎn)進(jìn)而改變控制塊尺寸的方式來(lái)實(shí)現(xiàn)控制塊內(nèi)部網(wǎng)格變形。

在已知具體變形尺寸的情況下，通過(guò)建立控制塊，合理分配控制塊的各個(gè)子塊，基于控制塊變形的方式可以精確地改變基礎(chǔ)模型的外形。因此，文中采用基于控制塊的方式對(duì)基礎(chǔ)車進(jìn)行變形。

2 網(wǎng)格變形技術(shù)在改型車概念設(shè)計(jì)階段的應(yīng)用

以某型車根據(jù)市場(chǎng)反饋的不滿意項(xiàng)進(jìn)行改選設(shè)計(jì)為例，將原型車作為基礎(chǔ)車，改型車作為目標(biāo)車。首先，根據(jù)目標(biāo)車的開發(fā)方案及結(jié)構(gòu)變化制定變形方案，對(duì)基礎(chǔ)車的白車身有限元模型進(jìn)行網(wǎng)格變形，得到目標(biāo)車的概念設(shè)計(jì)階段有限元模型；其次，分析該模型的靜剛度性能指標(biāo)，并與目標(biāo)車在傳統(tǒng)開發(fā)流程中的第一版詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的靜剛度性能進(jìn)行對(duì)比，分析誤差，從而驗(yàn)證方法的可行性。

2.1 目標(biāo)車的開發(fā)方案

根據(jù)市場(chǎng)反饋，目標(biāo)車型在基礎(chǔ)車上做出的調(diào)整：加寬、加長(zhǎng)車身、降低車高、減輕質(zhì)量。具體描述如下：

(1)整車加長(zhǎng)80 mm，其中軸距不變，前懸加長(zhǎng)50 mm，后懸加長(zhǎng)30 mm；

(2)車身加寬30 mm；

(3)車高降低55 mm；

設(shè)置參數(shù)取值范圍時(shí)需考慮3個(gè)方面：避免機(jī)械干涉、避免優(yōu)化過(guò)程出現(xiàn)畸形結(jié)構(gòu)、保持基座緊湊性。在實(shí)際應(yīng)用中，鉸鏈具有一定尺寸，為避免鉸鏈間發(fā)生干涉，連桿長(zhǎng)度應(yīng)具有下限。其中，l1的下限還需略微提高以預(yù)留位置用來(lái)添加限位銷。夾持器的最大開口范圍G=110 mm。為保證夾持器在優(yōu)化過(guò)程中不出現(xiàn)畸形結(jié)構(gòu)，需分別對(duì)各連桿長(zhǎng)度設(shè)定上限及下限。角度β與基座尺寸大小正相關(guān)，為避免基座尺寸過(guò)大，應(yīng)給予上限限制。綜上分析并結(jié)合實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，夾持器各設(shè)計(jì)變量取值范圍如表4所示。

(4)在基礎(chǔ)車的基礎(chǔ)上減輕質(zhì)量20 kg。

目標(biāo)車的CAS面與基礎(chǔ)車相比，整車尺寸差別如圖1所示(深色代表基礎(chǔ)車，淺色代表目標(biāo)車)。

2.2 基礎(chǔ)車的變形方案

基礎(chǔ)車的有限元模型如圖2所示，其單元質(zhì)量要求如表1所示。網(wǎng)格變形后不僅要求滿足單元質(zhì)量要求，而且要求不需要進(jìn)行模型調(diào)試即可直接提交計(jì)算。

圖2 基礎(chǔ)車有限元模型

最小邊長(zhǎng)/mm4.00扭曲度/(°)60.00最大邊長(zhǎng)/mm30.00雅可比0.60縱橫比3.00弦差1.00翹曲角/(°)15.00三角形比例15.00

目標(biāo)車的CAS面與基礎(chǔ)車相比，所涉及的重要截面改變描述如圖3和表2所示。

圖3 重要截面改變

相關(guān)截面變形描述變形方式A-A前防撞梁前移50 mm(前懸加長(zhǎng)50 mm)基于控制塊變形B-B尾端梁后移30 mm(后懸加長(zhǎng)30 mm)基于控制塊變形C-C門檻梁外移15 mm(整車加寬30 mm)基于控制塊變形D-D前門上邊梁Z向降低40 mm,Y向加寬40 mm基于控制塊變形E-E中門上邊梁Z向降低45 mm,Y向加寬28 mm基于控制塊變形F-F后側(cè)窗上邊梁Z向降低50 mm基于控制塊變形

2.3 基礎(chǔ)車白車身有限元模型的網(wǎng)格變形

從基礎(chǔ)車到目標(biāo)車的變化除了整車長(zhǎng)寬高外，還涉及整車質(zhì)量減輕。首先利用Morpher完成網(wǎng)格變形，再通過(guò)改變關(guān)鍵板厚的方法調(diào)整整車質(zhì)量。基礎(chǔ)車網(wǎng)格變形的順序?yàn)椋合日{(diào)整前后懸長(zhǎng)度使整車長(zhǎng)度符合目標(biāo)車；其次調(diào)整寬度尺寸；最后調(diào)整上邊梁的位置，使整車高度符合要求。

以A-A截面為例，描述基于控制塊使前防撞梁從基礎(chǔ)車變形為目標(biāo)車的過(guò)程。

(1)根據(jù)變形描述確定發(fā)生變形的零件范圍，如圖4(a)所示；

(2)根據(jù)零件的變形范圍，建立原始控制塊，包含變形零件，且合理分配各個(gè)子塊，確保模型變形前后網(wǎng)格變化連續(xù)、均勻，如圖4(b)所示；

(3)將原始控制塊與需要變形的網(wǎng)格進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確定控制節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)控制塊的控制節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格變形，如圖4(c)、4(d)、4(e)所示；

(4)變形后的前防撞梁如圖4(f)所示，將完成變形后的控制塊保存為變形控制塊。

圖4 基于控制塊的截面A-A的變形過(guò)程

按類似方法完成截面B-B、C-C、D-D、E-E、F-F的原始控制塊如圖5所示。

建立截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F的原始控制塊后，將原始控制塊與需要變形的網(wǎng)格進(jìn)行關(guān)聯(lián)，確定控制節(jié)點(diǎn)和固定節(jié)點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)控制塊的控制節(jié)點(diǎn)驅(qū)動(dòng)網(wǎng)格變形，可得到目標(biāo)車的有限元模型?；A(chǔ)車和目標(biāo)車的模型對(duì)比如圖6所示(深色代表基礎(chǔ)車，淺色代表目標(biāo)車)。

圖5 原始控制塊

圖6 基礎(chǔ)車和目標(biāo)車的白車身有限元模型對(duì)比

網(wǎng)格變形后，模型整體變化平緩，單元尺寸過(guò)渡均勻。經(jīng)檢查網(wǎng)格質(zhì)量符合標(biāo)準(zhǔn)，并可直接提交計(jì)算。

2.4 調(diào)整關(guān)鍵板件厚度

由于目標(biāo)車與基礎(chǔ)車的結(jié)構(gòu)相似，主要采取減板厚的方式進(jìn)行減輕質(zhì)量設(shè)計(jì)。在概念設(shè)計(jì)階段擬減薄的板件如表3所示，參照其進(jìn)行變形后模型的厚度調(diào)整，得到目標(biāo)車的概念設(shè)計(jì)階段有限元模型。

表3 基礎(chǔ)車減重清單 mm

3 目標(biāo)車白車身剛度性能分析及對(duì)比

白車身的剛度是汽車的重要力學(xué)性能之一。如果車身剛度不足，會(huì)對(duì)汽車的碰撞性能、NVH性能以及耐久性能等造成影響。因此，通過(guò)網(wǎng)格變形技術(shù)建立目標(biāo)車有限元模型后，首先進(jìn)行白車身結(jié)構(gòu)的靜剛度分析，分析結(jié)果與目標(biāo)車在傳統(tǒng)開發(fā)流程中的第一版詳細(xì)數(shù)據(jù)的白車身靜剛度進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如表4所示。

表4 白車身靜剛度對(duì)比

由表4可以看出：利用變形軟件將基礎(chǔ)車按照目標(biāo)車的總布置參數(shù)及CAS面變形，所得到模型的分析結(jié)果與目標(biāo)車所發(fā)布的第一版詳細(xì)設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的分析結(jié)果的誤差值均在5%以內(nèi)，分析結(jié)果可用于校核與指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)階段的相關(guān)工作。

4 結(jié)論

(1)在平臺(tái)改款車的概念設(shè)計(jì)階段, 利用網(wǎng)格變形技術(shù)得到有限元模型的分析結(jié)果與正式數(shù)據(jù)模型的結(jié)果誤差較小，分析結(jié)果可信度高，可用于指導(dǎo)概念設(shè)計(jì)階段的相關(guān)工作；

(2)基于網(wǎng)格變形的概念設(shè)計(jì)階段白車身靜剛度分析，打破了開發(fā)過(guò)程中CAE分析對(duì)CAD數(shù)據(jù)的依賴性，可做到分析指導(dǎo)設(shè)計(jì)；

(3)該方法用于平臺(tái)改型車的概念設(shè)計(jì)階段，可以保證正式數(shù)據(jù)發(fā)布時(shí)不出現(xiàn)關(guān)鍵性能不達(dá)標(biāo)的問(wèn)題，為縮短開發(fā)周期，避免設(shè)計(jì)反復(fù)提供了保障。