參數化模型數據庫的建立及應用

馮明松，鄧文字，吳健余，任旭奎，陸宇帆

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.上海典凡信息科技有限公司，上海 201101)

0 引言

目前，汽車工業快速發展，研發是汽車工業的核心基礎，而早期研發又是整個研發流程中的重中之重。各大整車企業都在加大早期研發的投入，力爭在研發早期能盡快多發現并解決問題，以此來提高整個研發流程的效率和質量，從而有效降低整個研發流程的成本和風險。

在白車身概念設計階段，引入參數化開發流程，對車型開發周期、車身性能都起到積極影響。在設計團隊沒有完整數據時，利用參數化模型的特性，快速建立概念車身模型，可以快速得到早期可以指導設計的CAE有限元分析模型，及時掌握概念模型的性能，使早期設計更加高效、合理。

目前，OEM廠商將參數化模型，主要用于單一車型開發，即每開發一款車，都重建一個整車參數化模型，模型的通用性和重復利用率普遍偏低，相較于傳統CAD建模手段，對參考車型初始建模的時間，常規建模并沒有明顯優勢。因此，降低白車身參數化建模入門門檻并提高建模效率，讓參數化模型更易在早期開發中被OEM廠商所采納并應用，使用參數化數據庫建模必將成為一種有效手段。

本文作者在某平臺數據庫的研究項目中，總結一種參數化數據庫使用方法，適用于跨平臺的各類車型。建立統一的建模標準規范，并按照數據庫管理規范把模型進行歸檔成庫，達到靈活調用各模塊的目的。當有現成的模塊直接調用，只需調整模塊中的各項參數，即可完成新車型的建模時。無論是建模難度和建模時間都大大降低。

1 SFE-CONCEPT介紹

在概念開發階段,設計部門只能提供車型設計參數和預估的模型結構以及參考車型等少量信息,車身設計往往處于概念狀態,按照常規 CAE 分析方法,因無法構建供分析所需的有限元模型,使 CAE分析滯后于設計,不能及時了解整車性能表現,增加產品重復設計和修改風險,不利于開發周期的控制[1]。

SFE-CONCEPT軟件是德國SFE(Gesellschaft für Strukturanalyse in Forschung und Entwicklung mbH-Company for Structural Analysis Research and Development Ltd.)公司推出的一款完全面向 CAE 分析與優化的 CAD 設計軟件，是第一款實現“分析驅動設計”的軟件。可為新車型的研發特別是在早期概念設計階段提供全方位的設計方案。

SFE CONCEPT軟件平臺提供了一個全新的解決方案，采用隱式全參數化的描述產品拓撲結構，將復雜的產品結構以斷面、梁、接頭和自由曲面等形式模塊化體現出來，大大縮短了建模時間，如圖1所示。同時又能將工程師的設計想法轉化為設計變量用于優化分析，并最終方便地轉化為后續面向裝配或面向制造的CAD模型。

圖1 新設計方案

傳統的參數化技術指設計人員通過一系列抽象參數的輸入，而不是利用諸如多項式等數學描述實現幾何體的創建和修改，幾何體之間的關系只可通過線性方程組描述，稱為顯式參數化[2]。

相對地，隱式參數化模型是運用SFE-CONCEPT基于基點、基線、截面3種基本元素，生成更高級的元素[3]。基本元素點、線、面之中，點是模型中唯 一包含(x，y，z)坐標信息的單元實體，其他單元實體的定位都由控制點決定。基準線用于一個幾何對象到另一個幾何對象的信息傳遞，其曲率通過2個端點的切線信息計算[4]。截面可分為基準截面和局部截面，基準截面儲存在模型數據庫中，梁和接頭都是調用基準截面生成的，在梁或接頭各區域特定位置，針對局部位置創建的基準截面，稱為局部截面，當CAE數據輸入變更時，僅需通過這些局部截面的更改，即可實現梁和接頭的變更，從而快速實現整車模型結構的變化。

高級元素包括梁、接頭、曲面，梁在整車數據庫模型中應用廣泛，依附于基線，隨基線曲率變化而變化。接頭可視作是一種特殊的梁[5]，通過自動計算得到幾何結構。整車數據庫模型中有些薄板件可通過曲面快速實現，主要可由基線和連接線組成曲面的邊。

利用映射創建零部件各參數化模型之間的連接關系[6]。通過映射關系建立零件之間的參數化裝配關系。因為所有參數在邏輯上互相關聯，所有每一個參數的變化都會使它周邊與之關聯的參數發生相應變化[7]。在整車數據庫模型搭建中，出現大量多層面相疊加的情況。為簡化建模，運用多層面建模技術和映射連接技術，在這些隱式參數化模型中建立一層幾何面[8]，通過后續軟件自動識別，在幾何面上定義的屬性即可。這種一層定多層技術優點包括：

(1)幾何簡單，模型迭代快。

(2)方便后續優化中快速修改。

(3)利于后續生成高質量有限元模型。映射技術是隱式化參數模型的關鍵，當映射面映射到目標體上就會與目標相融合。

2 基于SFE-CONCEPT參數化模型數據庫的特點

不同于傳統SFE建模，建立SFE參數化模型數據庫時，前期需要花費一定時間，對SFE參數化模型數據庫建模，進行相應的規劃。通過對國內外多款車型的主要截面和接頭的拓撲結構進行分析，可以發現其拓撲結構都是“大同小異”，主要差異就是尺寸大小的不同。就是說，主要截面和接頭在各個車型之間通過尺寸調整可以做到有效互換以斷面和接頭的通用性為基準，靈活地處理各種拓撲連接的數據庫。利用SFE模塊化技術，將整車分解到截面與接頭層面，這是實現數據庫的技術基礎。以截面和接頭拓撲結構為主導的數據庫適用于每一個企業。就是說，不在整車宏觀層面上考慮模塊的通用性問題(如前艙、側圍、前/后地板總成是否通用等等)，而將著眼點放在截面和接頭拓撲結構的通用性上面，在這個微觀層面上，各種迥異的車型都能體現出通用性。

數據庫的最大特點是充分發揮模塊化的優勢，可以高效地衍生不同拓撲結構的各種車型。數據庫對一個企業的平臺規劃要求不高，不局限于特定的車身架構，可以在“局部模塊”的層面上快速完成各種整車結構的拼接和組合。

為保證通用性和靈活性，該數據庫搭建的整體思路可概括為：化繁為簡，有效拆分，干凈靈活。

綜上所述，數據庫的兩大特點是：

(1)不局限于工程平臺且兼容工程平臺，不受零件結構朿縛，可通過核心車型及局部拓撲模塊完成大批量車型衍生，即以最少的數據量覆蓋企業的全部車型。

(2)無重復建模工作，即所有新建模型均以數據庫原則建立并存儲到數據庫中，后續開發中遇到類似的拓撲結構可以直接調用數據庫模型。

3 基于SFE-CONCEPT參數化模型數據庫的建立原則

針對建立跨平臺的數據庫時，為了使數據庫適用于跨平臺的不同車型，需要對不同車型進行調研，從而使建立的各個數據庫模塊，可以滿足跨平臺不同車型，通過數據庫模塊，能夠快速、簡單、有效地修改結構，實現不同車型的數據庫模塊通用。

所以，該類型的數據庫要著重規劃截面和接頭。截面要盡可能做到有廣泛的通用性。復雜的模塊要做有效的拆分，保證在從一個梁到另一個梁、從一個接頭到另一個接頭衍生的過程中，盡量避免重新建模而多做尺寸上的調整。

模塊建立完成后，都需要分別歸檔到數據庫中。數據庫并不意味對應一個模塊只能歸檔一個，這歸檔的模塊能夠適應所有不同的車型通用。不同拓撲、結構、搭接形式的模塊，都應當分別歸檔，而數據庫的則體現在已歸檔的數據庫模塊能夠對跨平臺車型進行快速地替換或者更改。

前期數據庫建模工作量較大，需要多個人員協同合作。因為不同人員的建模習慣、方式的差異，可能導致各自新建的不同模塊，在之后調用數據庫，拼接整車或者衍生全新車型時，模塊與模塊之間無法進行有效的拼接與替換。如此建立出的數據庫，并不能達到預期的效果，數據庫的建立也就失去了意義。因此建立數據庫時，需要先對跨平臺不同車型進行模塊數量的規劃，然后針對每個模塊建立一個統一的建模標準。具體要求如下：

(1)邏輯清晰：針對跨平臺多款不同車型，劃分的各模塊，其建模標準邏輯清晰，能夠合理滿足各種不同車型結構，而不會出現按照模塊建模標準，無法準確表達特定拓撲結構的情況。

(2)結構簡明：跨平臺不同車型，會包含許多特有的局部特征，而這些特征通常只適應于特定的一些車，并不能廣泛地適應于其他車型。比如和造型相關的局部特征。建模標準中，一些跟車型相關特有的局部特征，應當全部省略，模塊的框架結構保留。最終歸檔的數據庫模塊能夠保持高度的通用性。

(3)流程詳細：對于每個模塊的建模方法、流程都應該有詳細的規定，工程師可以根據各個模塊的建模標準，快速修改或者快速新建出符合通用性數據庫，并且能夠實際投入使用的模塊。

4 參數化模型數據庫在開發中的調用與拼裝流程

SFE參數化模型數據庫當擴充到一定體量，各個模塊的結構、搭接形式都有足夠的儲備時，可以通過從數據庫里選型，挑選出所需搭接結構的模塊，進行SFE整車數據的搭建。

在白車身早期概念開發，針對不同的開發策略，運用SFE參數化模型數據庫不同方式的建模，具體開發策略分為現有車型衍生和開發全新車型兩種。

4.1 現有車型衍生

在同平臺或前代車型數據的基礎上，進行衍生、開發，可運用參數化模型數據庫，進行快速SFE逆向建模。根據具體的網格數據，對應每個模塊的搭接形式，從數據庫挑選岀結構近似的模塊進行調用。并根據具體數據，對挑選出的各個模塊進行相應地修改。

完成每個模塊調用與修改，進行SFE整車模型的拼裝。對應詳細CAE現有數據，調用SFE參數化模型數據庫模塊拼裝的整車，必須和CAE數據相同。包括已歸檔的模塊與模塊之間的搭接方式，以及已歸檔模塊之外的一些非通用數據。

非通用數據只適用于特定車型，無法歸檔到數據庫中，劃分到特定的某一模塊。即使劃分出，也無法做到很高的通用率，因為要考慮到適用性，若模塊很復雜，選型調用后修改時反而更加浪費時間，結果適得其反，浪費更多時間的同時，導致建模變得更復雜，模型不穩定。

因此，在進行逆向建模時，針對這些并未歸檔到數據庫中的非通用件，需要根據具體網格，分別進行逆向SFE建模。針對這些非通用件的建模方法，原則就是，模型簡潔、搭接穩定、易添加易刪除。完成非通用件的SFE建模后，再與已歸檔的模塊進行拼接，搭建成完整的SFE整車數據。

圖2為現有車型衍生建模流程。

圖2 現有車型衍生建模流程

4.2 開發全新車型

根據開發的車的類型：SUV、MPV或者三廂車，進行模塊選型，考慮拓撲結構與搭接方式。利用輸入的參考車型(若沒有參考車型可與項目組討論確定相關結構拓撲結構)確定相關拓撲結構。發現具體模塊內部與參考結構略有不同，則調用該模塊并修改到與對標車拓撲形式一致。

各模塊選型完成后，根據早期輸入的數據，比如：CAS、截面數據、總布置數據與一些約朿面數據，對應模塊作岀相應的調整與更改。所有調用模塊根據輸入數據，修改完成之后，再進行整車拼裝。

由于沒有具體車型可用來參考，針對具體結構、細節，實際在拼車過程中，會存在模塊間數據的沖突。當多模塊間尺寸上產生數據沖突時，需根據情況，改變各模塊本身的尺寸結構以及調整模塊間的搭接形式，并在整車中進行相應的調整。

所有調用的模塊拼接完成后，包含了白車身車大部分部件。剩余的一些未單獨劃分歸檔的小支架、加強件等，需根據情況，從已歸檔整車中調用或另外新建。最后搭建成完整的SFE整車數據。

圖3為開發全新車型建模流程。

圖3 開發全新車型建模流程

5 SFE參數化模型數據庫的擴展

早期SFE參數化模型數據庫初步搭建完成后，只包括建立初數據調研后，挑選的多款車型不同形式的各模塊。后續數據庫拓展，通過調用已有數據庫的模塊，進行新車型的衍生以及優化時，模塊產生新結構、模塊間產生新搭接形式等，新的模塊按照數據庫模塊的建模標準修改完成后，再歸檔入SFE參數化模型數據庫中。具體流程如圖4所示。

圖4 數據庫拓展流程

6 SFE參數化模型數據庫的應用效果

6.1 建模效率的提高

SFE參數化模型數據庫采用模塊化架構，快速重新生成，合并和修改用戶自定義模型構件，實現高效快速得到新開發車型的目的。

參數化白車身傳統項目，采用SFE-CONCEPT軟件，遵循“基點—基線—截面—梁—接頭—附屬性—構建特征(面、筋、肋、連接單元)”的步驟，搭建出整車模型，而SFE參數化模型數據庫項目利用已搭建好的模塊化結構，通過替換對應模塊即快速實現模型變更得到整車結構。即模型的可變化程度高，高效率的映射關系(基點、基線、截面、連接線、梁、接頭、自由面、PID、多層翻遍等)快速地映射到相對應的目標上，數據庫模型采用點的位置、線的曲率和截面形狀，相關零部件通過映射建立參數化裝配關系，所有參數間都有聯系，改變任何一個參數，模型結構會發生改變，而連接關系保持不變。因此，模型的連續性并未發生改變，利用已建立好的Beam、Joint，改變各參數可快速實現參數化白車身結構多樣性變化，大大縮短了優化時間。

數據庫模型采用了隱式參數化的設計，此方法并非利用傳統的數學描述實現結構修改，數據庫中的隱式參數化模型，將各個零部件間的拓撲關系通過數學映射方法來實現的。這樣CAE輸入的各版本數據，針對不同的結構部件，可以自動調用數學映射來自動實現此部件到其他部件上的映射改變，后期在進行白車身多目標優化中，利用數據庫中搭建的隱式參數化SFE模型能達到快速改變各參數的目的，從而大大提高了建模效率，縮短了優化時間。

6.2 成本的節約

數據庫模型項目較SFE非數據庫項目，在模型搭建方面，建模速度顯著提高。利用數據庫進行衍生新車型的建模時間，由傳統SFE建模的平均40多個工作日縮短為20個工作日(利用數據庫建模的時間包含了新建數據庫模塊的歸檔時間)，建模效率提升50%，建模費用相應減少。

早期開發中，CAE分析時間點被提前1/2，相關研發部門介入時間點整體提前，項目整體開發周期減短，節約了經費投入。

7 結束語

根據多平臺車型數據進行調研，建立SFE參數化模型數據庫。數據庫建立參數模型，能充分發揮模塊化的優勢，高效衍生不同的拓撲結構，在模塊的層面上，快速完成整車的拼接組合。并且數據庫兼容不同平臺，通過核心車型能不斷衍生出新車型，避免了重復建模工作。

同時在白車身早期開發階段，引入圍繞SFE參數化平臺的設計開發的數據庫，在項目早期基于設計方案和SFE參數化模型數據庫搭建參數化模型，建模時間縮短1/2，效率提升50%。

參數化模型數據庫技術已經成功應用于某平臺數據庫的研究項目中，通過數據庫技術，成功衍生出新車型。在此基礎上，用數據庫搭建的模型，對碰撞、NVH等性能進行多目標優化，并取得了顯著成效，對建立有企業特色的自主車型研發體系以及提升企業品牌形象具有重要價值。