基于參數(shù)化優(yōu)化技術(shù)對某輕卡車架的輕量化優(yōu)化

丁念紅，王甜甜，牛顧根，王 濤

（陜西漢德車橋有限公司研究所，陜西 西安 710200）

前言

隨著科技水平的發(fā)展，汽車輕量化逐步成為汽車工業(yè)發(fā)展的新趨勢。歐洲主要汽車制造商正在進(jìn)行“超輕型汽車工程”，目標(biāo)是在穩(wěn)定價格的基礎(chǔ)上將車重減輕30%；美國的“新一代汽車共同開發(fā)計劃”（PNGV）早在1993年就已經(jīng)開始實施，政府每年投入2億美元，主要用于家庭用車的減重。

輕量化技術(shù)對卡車的直接好處是節(jié)能環(huán)保。據(jù)測算，卡車自重減少100公斤，燃油效率就可以提升3%～4%。輕量化的另一個好處就是同等動力輸出條件下，動力性能表現(xiàn)更好；同時，輕量化技術(shù)的另一大突出勢是安全。同等條件下，卡車自重越輕，車身慣性越小，制動距離越短。此外，輕量化設(shè)計對車輛穩(wěn)定性、噪音、振動等方面也均有益處。

車架，作為卡車的核心部件[1]，首先是整車的裝配基體，所有的零部件都安裝在車架上；其次，車架的剛度和強度必須滿足整車可靠性、經(jīng)濟(jì)性、安全性的要求，所以，車架設(shè)計在保證裝配要求和可靠性的前提下，盡可能進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計。

1 輕卡車架優(yōu)化的三要素

1.1 定義優(yōu)化問題

（1）優(yōu)化目標(biāo)：輕卡車架減重83 kg以上；

（2）設(shè)計變量：車架縱梁、橫梁、連接板、相關(guān)零件的厚度；

（3）約束條件：

1）模態(tài)性能：1階扭轉(zhuǎn)：＞180 Hz；

1階彎曲：＞220 Hz；

2）剛度性能：扭轉(zhuǎn)剛度：＞87 500 Nm/deg；

彎曲剛度：＞114 700 N/mm。

圖1 輕卡車架模型

1.2 定義優(yōu)化變量

表1 優(yōu)化空間定義

根據(jù)車架在不同工況下的強度要求[2]，彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度的要求和車架扭轉(zhuǎn)彎曲模態(tài)的要求，以及加工工藝的要求，對車架進(jìn)行型量化優(yōu)化定義。

定義縱梁、橫梁及連接支架[3]的板厚（17）的優(yōu)化空間。

2 車架輕量化的解決方案

2.1 存在的問題及解決方案

工況較多（7個），涉及強度，剛度，模態(tài)信息等方面變量較多共17個，且單次運算時間較長；優(yōu)化過程涉及多種軟件的集成使用，缺少相應(yīng)的平臺及優(yōu)化算法；變量類型不唯一，既有離散變量又有連續(xù)變量。

根據(jù)優(yōu)化周期和計算資源，輕卡車架采用對剛度、模態(tài)進(jìn)行試驗設(shè)計+近似建模+基于近似模型優(yōu)化[4]和方案驗證策略。

圖2 車架優(yōu)化方案

2.1.1 試驗設(shè)計_充分研究參數(shù)規(guī)律

試驗設(shè)計是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的一個分支，是當(dāng)今產(chǎn)品開發(fā)、過程優(yōu)化等環(huán)節(jié)中研究參數(shù)規(guī)律的重要方法之一，其主要用途包括：

（1）辨識關(guān)鍵的試驗因子；

（2）分析輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢；

（3）構(gòu)建經(jīng)驗公式和近似模型。

2.1.2 近似建模_加快優(yōu)化速度

（1）近似模型方法是通過數(shù)學(xué)模型的方法逼近一組輸入變量（獨立變量）與輸出變量（響應(yīng)變量）的方法，基于近似建模進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)勢：

（2）建立經(jīng)驗公式，獲得輸入、輸出變量之間的量化關(guān)系；

（3）減少耗時的仿真程序調(diào)用，提高優(yōu)化效率；通常可將實際求解時間縮短幾個數(shù)量級。

2.1.3 優(yōu)化設(shè)計，獲得最優(yōu)方案

車架優(yōu)化問題比較復(fù)雜，其目標(biāo)函數(shù)可能存在多峰性，非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù)；設(shè)計變量較多和性能約束函數(shù)可能是線性或非線性等復(fù)雜情況，綜合這些不確定的因素，所以使用全局優(yōu)化算法進(jìn)行優(yōu)化，以質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)。

圖3 車架優(yōu)化策略

2.2 解決方案

通過參數(shù)化[4]軟件提供平臺將網(wǎng)格模型和求解模型集成在一起。

通過DOE方法對車架零件參數(shù)進(jìn)行剛度、強度、模態(tài)的靈敏度分析，獲得輕量化的關(guān)鍵零件。

在DOE計算的樣本庫上，已神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法模型，建立剛度、模態(tài)的近似模型

以近似模型為基礎(chǔ)，采用全局優(yōu)化算法，以車架的強度剛度為約束，以各個零件的板厚為優(yōu)化空間，車架總質(zhì)量為目標(biāo)，通過參數(shù)化優(yōu)化豐富的算法庫進(jìn)行尋優(yōu)，實現(xiàn)最終的輕量化優(yōu)化。

3 車架輕量化的優(yōu)化過程

3.1 定義優(yōu)化約束

通過網(wǎng)格處理軟件對模型進(jìn)行參數(shù)化處理，得到關(guān)于車架各部分壁厚，橫梁位置，縱梁高度等參數(shù)信息，為以后的參數(shù)化建模做準(zhǔn)備。

將修改后的模型提交求解器進(jìn)行計算，得到初始結(jié)構(gòu)在不同工況下的應(yīng)力大小以及車架的強度以及模態(tài)信息，將其作為優(yōu)化過程的約束條件，將質(zhì)量作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

3.2 優(yōu)化軟件集成

通過參數(shù)化優(yōu)化平臺將網(wǎng)格模型和求解模型集成，使整個過程流程化，自動化。

3.3 試驗設(shè)計敏度分析

模型涉及的變量比較多，為了減小參數(shù)計算規(guī)模，提高計算速度，采用實驗設(shè)計方法，辨識關(guān)鍵的試驗因子，分析板厚參數(shù)與性能參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢，找到問題的主要特征。

試驗設(shè)計計算的數(shù)據(jù)，通過豐富的后處理手段可以進(jìn)行敏度分析，主效應(yīng)分析，交互效應(yīng)分析，可以初步判斷不同變量與性能參數(shù)之間的量化關(guān)系。

3.4 定義優(yōu)化區(qū)間及目標(biāo)函數(shù)

根據(jù)定義的優(yōu)化區(qū)間，選擇合適的優(yōu)化算法及變量上下限，允許值，設(shè)置性能約束條件以及目標(biāo)函數(shù)，開始車架的優(yōu)化設(shè)計。

4 車架的優(yōu)化方案設(shè)計及驗證

4.1 優(yōu)化方案

通過參數(shù)平臺的試驗設(shè)計_優(yōu)化設(shè)計的優(yōu)化策略，采用優(yōu)化拉丁方的試驗方法，并采用全局優(yōu)化算法，對輕卡車架18各零件的板厚進(jìn)行優(yōu)化；再結(jié)合多種工程經(jīng)驗對輕卡車架開展輕量化設(shè)計，最后共提出5種輕量化方案75 kg、84 kg、93 kg、107 kg、119 kg。

4.2 方案驗證

根據(jù)優(yōu)化策略，參數(shù)化優(yōu)化的5種方案，分別通過原仿真分析模型進(jìn)行驗證，以確定方案3為最優(yōu)的方案。

表2 車架剛度、模態(tài)驗證

通過集成優(yōu)化的車架的輕量化共用120個小時，以車架彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度，一階模態(tài)值及關(guān)鍵點的剛度值為性能約束[5]，最終確定減重93 kg的優(yōu)化方案，占車架質(zhì)量的16% ，達(dá)到預(yù)期優(yōu)化目標(biāo)。

5 總結(jié)

本文通過參數(shù)化優(yōu)化軟件集成網(wǎng)格變形軟件和通用求解軟件，對卡車車架的進(jìn)行參數(shù)化優(yōu)化，通過DOE大量的試驗數(shù)據(jù)，采用試驗設(shè)計+近似建模+優(yōu)化設(shè)計的技術(shù)路線對車架進(jìn)行輕量化優(yōu)化，成功地實現(xiàn)了車架的優(yōu)化目標(biāo)。

后期也可以應(yīng)用，結(jié)合疲勞、NVH、振動全壽命設(shè)計等方面的約束，以最優(yōu)的設(shè)計方法，最短的優(yōu)化時間，對車架做進(jìn)一步的優(yōu)化。