基于多學科優化設計的車門輕量化研究

陳自凱 張驥超 吳彥駿

摘 要：采用均勻拉丁方試驗設計和利用移動最小二乘法建立了車門模態、剛度、強度和側柱碰的多學科近似響應面模型，將關鍵部件的厚度作為設計變量，以各項結構性能為約束，以車門重量最小為優化目標，最后利用自適應響應面法進行多學科優化設計并得到了較好的優化結果，優化結果進行了工程解讀及有限元驗證。最終的優化結果顯示各項結構性能滿足要求而且分布更加均衡，同時實現了較好的輕量化效果，優化方案具有較強的工程實用性。

關鍵詞：多學科優化;輕量化;均勻拉丁方試驗設計;移動最小二乘法

中圖分類號：U463.83+4 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）09-67-05

Research?on Lightweight of Door?Based on Multidisciplinary Design?Optimization^*

Chen Zikai^1，2，?Zhang Jichao^1，2，?Wu Yanjun^1，2

（ 1.Research Institute?（ R&D Center?）， Baoshan Iron & Steel Co.， Ltd， Shanghai 201900;2.State Key Laboratory of Development and Application Technology of Automotive Steels?（BAOSTEEL）， Shanghai 201900?）

Abstract：?A multidisciplinary approximate response surface model on door modal，?stiffness，?strength and side column collision is established by using the Uniform Latin Square Experiment Design?and Moving Least Square Method. The thicknesses of key components are taken as the design variables， the structure performances are taken as constraints and the mass of door is taken as object，?Finally， the adaptive response surface method is used for multidisciplinary optimization design and good results are obtained. The optimization results are interpreted in engineering and verified by finite element method.?The final structural performances meet the requirements and the optimized result is more balanced， while achieving higher lightweight level，?and the schemes have strong engineering practicability.

Keywords： Multidisciplinary design optimization; Lightweight; Uniform Latin Square Experiment Design; Moving Least Square Method

CLC NO.： U463.83+4 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）09-67-05

1 引言

安全、節能、環保是當今汽車工業的三大主題，而汽車輕量化則是實現這三大訴求的重要途徑。車門作為車身的重要開閉件，其重量占到車身鈑金件的比重達到20%左右，因此車門的輕量化對整車的輕量化具有重要意義。

目前主流的乘用車車門以鋼制沖壓件為主，表1是某車門關鍵零件的用材和重量統計信息，該車門采用典型的沖壓設計方式，采用上下分體式設計，內板采用激光拼焊一體式設計。車門外板采用0.7mm厚度，與主流0.65mm相比偏厚，其余零件的用材及厚度屬于正常水平。

公開統計數據顯示，在相近的尺寸下，鋼制前車門的平均重量水平為16.64kg（最大約20kg，最小約14kg）^[1]，如圖1和圖2所示。某車門目前的重量為17.45kg，沒有達到平均輕量化水平，具有較大的輕量化潛力。

車門是一個比較復雜的系統，對其進行輕量化設計需要考慮多種約束的影響，包括工藝性、成本、結構性能等。其中結構性能包括碰撞安全性、靜態剛度強度、動態振動噪聲（NVH）性能等^[2-3]，因此實際上是一個多學科優化設計問題（Multidisciplinary Design Optimization，MDO）^[4-6]。

本文從結構性能的角度出發，考慮車門的約束模態、腰線剛度、窗框剛度、下垂剛度、風過載強度、側柱碰安全性以及外板抗凹性，基本上覆蓋了鈑金車門涉及到的各方面結構性能要求。

鑒于車門結構的非線性及側柱碰分析的大變形特性，無法用一個準確的數學解析式來表達各項結構性能，因此本文采用試驗設計（Design of Experiments，DOE）的方法，通過有限的樣本點來構建各項結構性能的近似響應面數學模型，在誤差允許的范圍內用近似模型來替代有限元分析^[7]，最后采用自適應響應面法（Adaptive Res-ponse Surface Method，ARSM）^[8]對關鍵零部件的厚度進行優化，從而達到輕量化的目的。本文的研究思路如圖3所示。

2 基礎車門的結構分析

建立車門的有限元模型，單元數為31.8萬，單元基本尺寸為5mm，車門防撞桿由于要考慮側柱碰工況下的熱沖壓材料失效，網格尺寸大小為3mm;鉸鏈的網格類型為實體單元，其余零件的網格類型為殼單元;螺栓采用剛性單元模擬;點焊用beam單元模擬，車門外板的粘膠采用實體單元，對點焊和粘膠添加接觸控制（模態求解除外）;車門內外板的包邊采用單元共節點處理;模態計算采用OPTISTRUCT求解，為了減少有限元模型轉換的工作量和后期優化工作的方便，其余工況均采用LS-DYNA求解器，其中腰線剛度、窗框剛度、下垂剛度、風過載強度、外板抗凹采用LS-DYNA隱式求解，車門側柱碰采用LS-DYNA顯式求解。

各分析工況的邊界條件及評價指標如表2所示。

其中側柱碰工況源自美標FMVSS 214^[9]，需要在整車環境下進行驗證，出于實際條件限制及計算效率的考慮，對該工況做了等效簡化處理。

此外，由于防撞梁材料強度較高，延展性較低，比較容易發生材料斷裂失效，因此該工況必須考慮防撞梁的斷裂失效問題。根據已開發的材料失效卡片，結合LS-DYNA GISSMO材料失效模擬關鍵字*MAT_ADD_EROSION^[10]，可以比較準確地模擬防撞梁斷裂失效的效果，如圖4所示。

基礎車門的各項性能表現如圖5所示，采用歸一化處理，把目標定為“1”，基礎設計的某項性能大于“1”表示該性能高于目標，小于“1”表示該性能不滿足目標。可見除外板抗凹外其余性能滿足要求，但腰線剛度和風過載工況的安全裕度過高，總體來看基礎車門的性能設計不均衡，存在較大的優化和輕量化空間。

3 基于多學科優化的車門輕量化設計

3.1 多學科優化概述

本文同時考慮了車門的剛度、強度和耐撞性問題，屬于典型的所學科優化問題。多學科優化的思路是在復雜系統中集成各個學科的知識，基于有效的設計優化策略及分布式計算來組織復雜系統的設計過程，發揮各個學科之間的協同效應獲得最優結果。多學科優化問題可以用非線性規劃描述^[2]：

系統方程為：

式中，x為設計變量向量;u（x）為系統分析方程A（x，u（x））確定的狀態方程;N為多學科子系統的數目。式（3）為多學科分析方程，狀態方程u（x）一般以耦合差分方程進行描述。

多學科的求解過程一般是將設計變量x輸入多學科分析，由式（2）求解出狀態向量u，進一步獲得約束函數和目標函數，此時的設計稱為一致性設計;當一致性設計滿足狀態方程的前提下，滿足顯式約束（2）要求時，則稱為可行性設計;當可行性設計通過定性評價接近或達到最佳性能時，稱為最優設計。

3.2 均勻拉丁方試驗設計

試驗設計的目的是選取有限的樣本點，所選樣本點要盡可能地滿足設計空間的整體特性，本文采用均勻拉丁方試驗設計，該設計方法將每個因素的設計范圍進行均勻劃分，并將不同因子的水平進行隨機組合，形成采樣點矩陣。該方法只需要較少的樣本點就能反映設計空間的整體特性，對于非線性問題，該方法能夠使得響應和因子的擬合更加精確真實^[11]。

本文選取了車門內板厚度T1（車門內板采用整體式），鉸鏈加強板厚度T2（新增件），窗框上部厚度T3，窗框下部厚度T4，車門防撞梁厚度T5，腰線加強板厚度T6，限位器安裝板厚度T7，鎖扣加強板厚度T8共8個變量，根據不同牌號的汽車板的厚度可供規格，定義了8個關鍵零部件的厚度變量取值范圍，同時確定了各部件的材料牌號，見表3。

采用均勻拉丁方試驗設計采樣，共采集80組輸入數據，設計變量組合如表4。輸出響應值為車門重量M（在前述結構優化的基礎上進行統計），一階模態頻率F_q1，腰線最大變形D_bl，窗框最大變形D₁和D₂，下垂最大變形D₁₅和D_62.5，風過載最大開角A_wind，側柱碰平均擠壓力F₁₅₂共9個響應。響應值如表5。

3.3 近似響應面模型的建立

基于拉丁方試驗設計得到足夠的樣本點后，接下來需要建立目標和約束對設計變量的近似數學模型。考慮到工程問題的高度非線性，本文采用移動最小二乘法（Moving Least Squares Met-hod，MLSM）來構造響應面近似函數^[12]。以下垂剛度的最大變形D₁₅為例，圖6為D₁₅對T1和T2的近似響應面。

本文采用決定系數來評估近似函數的擬合精度，反映的是響應面模型在樣本點的擬合精度，該值越接近1表示響應面的擬合的精度越高。另一方面，響應面模型在非擬合樣本點的精度檢測方法主要通過設計空間非初始擬合檢測樣本點的相對平均絕對值誤差（Relative Average AbsoluteError）和最大絕對值誤差（Maximum Absolute Error）來評估，表6是各響應的決定系數、相對平均絕對值誤差和最大絕對值誤差水平，其中最大誤差為側面柱碰擠壓力的最大絕對值誤差，達到16.19%，其余工況各響應的擬合達到了很高的精度，總體上可以滿足工程精度的要求。

3.4 多學科優化求解與驗證

該多學科優化問題的數學模型如下：

采用自適應響應面法進行優化，經過28次迭代得到最終的優化結果，同時根據鋼板的厚度可供規格對厚度優化結果進行工程解讀，得到設計變量的工程最優解，并對工程最優解進行了仿真驗證，如表7所示，其中初始值基于前述的結構優化，表示多學科優化的初始值，而不是基礎車門的初始值。可以看出，除風過載外，最優解的結構性能比初始值低，但是仍滿足性能要求，同時工程最優解也滿足結構性能要求。最終的優化結果和基礎設計的結構性能對比如圖7所示，最終優化結果指的是結構優化聯合多學科厚度優化的最終優化方案的結果，基礎設計指的是原車門的結果。可以看出，通過結構優化和厚度優化，各項結構性能的分布更加均衡，實現了比較合理的設計。

通過多學科優化，實現減重2.552kg，減重幅度達到14.6%，實現了較好的輕量化效果。

4 結論

本文采用均勻拉丁方試驗設計和移動最小二乘法建立了車門模態、剛度、強度和側柱碰的多學科近似響應面模型，將關鍵部件的厚度作為設計變量，利用自適應響應面法進行多學科優化設計，優化結果顯示各項結構性能滿足要求而且分布更加均衡，實現了較好的輕量化效果。

車門內板、窗框、車門外板和超高強鋼的應用以及多學科厚度優化充分考慮了工程限制，優化方案具有較強的工程應用價值。

參考文獻

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