基于網(wǎng)格變形技術(shù)在汽車(chē)集成優(yōu)化中的應(yīng)用

楊志杰，趙 菲，陳振冬，牛顧根

（陜西漢德車(chē)橋有限公司研究所，陜西 西安 710200）

前言

隨著汽車(chē)工業(yè)的發(fā)展，汽車(chē)優(yōu)化技術(shù)得到迅速發(fā)展，已從最初的實(shí)物模型、物理試驗(yàn)[1]方法到當(dāng)前車(chē)企主流應(yīng)用的CAD和CAE技術(shù)，但隨著汽車(chē)行業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)加劇，汽車(chē)企業(yè)對(duì)汽車(chē)設(shè)計(jì)有了新要求，因此，汽車(chē)集成優(yōu)化技術(shù)便應(yīng)運(yùn)而生。

汽車(chē)集成優(yōu)化技術(shù)主要是基于參數(shù)化優(yōu)化平臺(tái)，集成各種CAE軟件，實(shí)現(xiàn)汽車(chē)產(chǎn)品設(shè)計(jì)優(yōu)化的集成化和自動(dòng)化，包括實(shí)現(xiàn)幾何模型和網(wǎng)格模模型變形的智能化。其中，網(wǎng)格變形技術(shù)興起于美國(guó)的OS公司，主要目的是為CAE工程師解決當(dāng)前計(jì)算仿真分析技術(shù)中，反復(fù)修改幾何模型，畫(huà)網(wǎng)格的技術(shù)瓶頸，使其產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，成本高。網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)不僅可將面網(wǎng)格、體網(wǎng)格高階光滑變形，而且支持上千萬(wàn)單元，變形效率和精度更高、適用范圍更廣、計(jì)算開(kāi)銷(xiāo)更低、操作界面更簡(jiǎn)單。

圖1 傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)流程

網(wǎng)格變形技術(shù)[2]通過(guò)已有的網(wǎng)格模型建立控制體實(shí)現(xiàn)控制點(diǎn)與一組網(wǎng)格節(jié)點(diǎn)的映射，變形后的幾何仍能夠保證3階曲面連續(xù)性，保證流動(dòng)敏感區(qū)和附面層網(wǎng)格質(zhì)量 實(shí)現(xiàn)無(wú)須CAD參數(shù)化、無(wú)須網(wǎng)格重新劃分。

圖2 網(wǎng)格變形技術(shù)

同時(shí)，網(wǎng)格變形技術(shù)還可通過(guò)變形實(shí)現(xiàn)變形的參數(shù)化，再通過(guò)參數(shù)化優(yōu)化集成軟件平臺(tái)，通過(guò)變形優(yōu)化實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自動(dòng)化，智能化。

圖3 集成優(yōu)化流程

1 應(yīng)用背景

歐洲某個(gè)賽車(chē)項(xiàng)目外形優(yōu)化設(shè)計(jì)準(zhǔn)備只有2個(gè)月，沒(méi)有足夠的時(shí)間進(jìn)行風(fēng)洞試驗(yàn)，但急需要改變關(guān)鍵區(qū)域（擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、穩(wěn)定翼）進(jìn)行形狀優(yōu)化，要求在增加16%下壓力的前提下，氣動(dòng)阻力沒(méi)有明顯的提高，賽車(chē)具有更好的高速運(yùn)動(dòng)操控穩(wěn)定性和動(dòng)力性。

而基于計(jì)算機(jī)模擬CAE為基礎(chǔ)的集成優(yōu)化技術(shù)開(kāi)始成為汽車(chē)工業(yè)的優(yōu)先解決方案，并成功實(shí)施了很多經(jīng)典案例，為此，賽車(chē)項(xiàng)目也將采用集成優(yōu)化方案來(lái)改變賽車(chē)關(guān)鍵區(qū)域的造型設(shè)計(jì)，滿(mǎn)足性能要求，達(dá)到設(shè)計(jì)目標(biāo)。

圖4 集成優(yōu)化背景

2 集成優(yōu)化解決方案

（1）先根據(jù)賽車(chē)的三維設(shè)計(jì)模型，在CFD軟件中搭建賽車(chē)仿真分析模型，并根據(jù)物理實(shí)驗(yàn)的經(jīng)驗(yàn)參數(shù)不斷修正和完善分析模型；

（2）基于最初的分析網(wǎng)格模型，通過(guò)網(wǎng)格變形控制技術(shù)，將擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、穩(wěn)定翼進(jìn)行網(wǎng)格變形控制，實(shí)現(xiàn)賽車(chē)外形變形的參數(shù)化；

（3）再通過(guò)參數(shù)化優(yōu)化平臺(tái)，集成網(wǎng)格變形軟件和CFD流體仿真計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)搭建集成優(yōu)化自動(dòng)流程；

（4）將氣動(dòng)阻力為性能約束，關(guān)鍵位置的形狀為優(yōu)化變量，下壓力為優(yōu)化目標(biāo)，對(duì)幾個(gè)關(guān)鍵優(yōu)化變量進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，靈敏度分析，確定影響優(yōu)化目標(biāo)的因子；

（5）根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計(jì)確定的靈敏度因子，對(duì)賽車(chē)的局部網(wǎng)格進(jìn)行參數(shù)化變形，生成新的CFD模型；

（6）將新生成的CFD模型導(dǎo)入CFD求解器種，進(jìn)行性能參數(shù)驗(yàn)證，提取結(jié)果，對(duì)標(biāo)性能約束，判定方案是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)需求。

圖5 集成優(yōu)化方案

3 定義優(yōu)化問(wèn)題

（1）優(yōu)化目標(biāo)：下壓力[2]增加＞15%，讓賽車(chē)具有更好的高速運(yùn)動(dòng)操控穩(wěn)定性和動(dòng)力性；

（2）約束條件：氣動(dòng)阻力較原方案不變；

（3）設(shè)計(jì)變量：擾流板、發(fā)動(dòng)機(jī)罩、穩(wěn)定翼等關(guān)鍵區(qū)域的造型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)阻力降低和下壓力增加。

4 關(guān)鍵位置網(wǎng)格變形參數(shù)化

通過(guò)網(wǎng)格變形軟件，先對(duì)賽車(chē)前保險(xiǎn)杠兩側(cè)及后尾翼進(jìn)行網(wǎng)格變形控制，實(shí)現(xiàn)變形參數(shù)化，并確定控制變量的區(qū)間值，通過(guò)修改變形參數(shù)，實(shí)現(xiàn)多個(gè)賽車(chē)外形方案。

優(yōu)化解決集成流程如下：

通過(guò)參數(shù)化優(yōu)化平臺(tái)，解析網(wǎng)格變形的參數(shù)變量，將變量值傳遞給集成的流體求解模型，形成自動(dòng)化優(yōu)化流程，在空氣阻力為性能約束的前提下，采取優(yōu)化拉丁方計(jì)算方法的進(jìn)行試驗(yàn)設(shè)計(jì)，確定影響優(yōu)化目標(biāo)的關(guān)鍵因子。

圖6 網(wǎng)格模型變形

試驗(yàn)設(shè)計(jì)[2]是數(shù)理統(tǒng)計(jì)學(xué)的分支，主要用途：辨認(rèn)關(guān)鍵的試驗(yàn)因子；確定最佳的參數(shù)組合；分析輸入與輸出參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢(shì)；構(gòu)建經(jīng)驗(yàn)公式和近似模型；提高設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

優(yōu)化拉丁方[3]可以使因子和響應(yīng)的擬合更精確真實(shí)，所有試驗(yàn)點(diǎn)更可能均勻分布空間，具有良好的空間填充性和均衡性。

圖7 集成優(yōu)化流程

5 優(yōu)化方案確定

（1）通過(guò)試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析關(guān)鍵因子后，初步確定了4種優(yōu)化方案；

（2）將初步方案模型求導(dǎo)入CFD求解器進(jìn)行計(jì)算求解計(jì)算，提取結(jié)果以性能約束進(jìn)行對(duì)比分析；

（3）最終以下壓力最大為優(yōu)化目標(biāo)，確定下壓力增加16%的最佳優(yōu)化方案，最終方案的阻力系數(shù)、升力系數(shù)對(duì)比見(jiàn)下圖8所示：

圖8 優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

6 總結(jié)

通過(guò)賽車(chē)車(chē)身的網(wǎng)格變形控制參數(shù)化，并通過(guò)參數(shù)化平臺(tái)集成，實(shí)現(xiàn)CFD仿真流程的自動(dòng)化，并成功使新款賽車(chē)在氣動(dòng)阻力沒(méi)有提高的前提下，增加16%的下壓力，讓賽車(chē)具有更好的高速運(yùn)動(dòng)操控穩(wěn)定性和動(dòng)力性。

網(wǎng)格變形技術(shù)可以在保證流體網(wǎng)格質(zhì)量的前提下變形復(fù)雜幾何的網(wǎng)格，省去了幾何重新建模和網(wǎng)格重劃分的制約，大大減少人工重復(fù)工作量，可將工程師從繁雜的重復(fù)工作中解脫出來(lái)，減少出錯(cuò)概率，提高工作效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。