基于參數(shù)化優(yōu)化對某SUV白車身的輕量化優(yōu)化

王甜甜，剡文娟，李 哲，劉朝陽

（陜西漢德車橋有限公司研究所，陜西 西安 710200）

前言

隨著國內(nèi)主機廠把仿真分析技術在整車設計中的成熟應用，更為智能、高效的優(yōu)化技術，特別是基于參數(shù)化優(yōu)化的集成優(yōu)化技術，已經(jīng)逐漸開始應用到新產(chǎn)品的開發(fā)應用過程當中，主要是應用于相對比較負復雜的白車身[1]的輕量化優(yōu)化中。白車身零件數(shù)目繁多且形狀不規(guī)則，作為整車的承載部分，從結構上看車身是一個復雜的力學模型，如何對結構和承載如此復雜的車身進行輕量化已經(jīng)成為主機廠在白車身設計開發(fā)領域的研究方向，本文以某款SUV白車身為研究對象，通過對白車身的模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、彎曲剛度，碰撞安全以及零件的工藝性為約束對象[2]，對選取的優(yōu)化變量進行結構優(yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化、新材料新工藝等應用方法，對SUV白車身進行輕量化優(yōu)化。

1 白車身輕量化的概述

某主機廠新開發(fā)的SUV白車身初始設計總重量273 kg，較目標重量和競品車型重量較重，現(xiàn)要求在保證整車結構和工藝術的前提下，應用參數(shù)化集成優(yōu)化技術，通過以白車身一階模態(tài)、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、碰撞安全為性能[3]約束要求，以白車身零件的板厚為優(yōu)化變量，材料牌號為優(yōu)化目標，以白車身的重量最小為優(yōu)化目標，對SUV白車身進行減重優(yōu)化，目標：減重10 kg。

1.1 定義優(yōu)化問題

優(yōu)化目標：白車身減重10 kg以上。

設計變量：白車身零件厚度、材料、結構形狀等。

約束條件：

（1）模態(tài)性能：1階扭轉(zhuǎn)：>37.53 Hz；

1階彎曲：>44.64 Hz。

（2）剛度性能：

扭轉(zhuǎn)剛度：>16 631.9 Nm/deg；

彎曲剛度：>12 363.48 N/mm。

（3）偏置碰：侵入加速度、侵入量。

（4）側(cè)碰：侵入速度、侵入量。

圖1 白車身結構圖

1.2 定義優(yōu)化變量

根據(jù)剛度、模態(tài)、偏置碰、側(cè)碰影響區(qū)域的不同，針對各性能采用分區(qū)域選零件的方式確定設計變量。

剛度、模態(tài)考慮零件料厚變量35個（零件58個），重 95.2 kg。

偏置碰變量共20個，其中料厚13個（零件20個），材料7個。

側(cè)碰變量共20個，其中料厚13個（零件 25個），材料7個。

2 白車身優(yōu)化策略

根據(jù)優(yōu)化周期和計算資源，白車身整體采用對剛度、模態(tài)進行試驗設計+近似建模+基于近似模型優(yōu)化[4]和方案驗證策略。

2.1 試驗設計

試驗設計是數(shù)理統(tǒng)計學的一個分支，是當今產(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）辨識關鍵的試驗因子。

（2）分析輸入?yún)?shù)與輸出參數(shù)之間的關系和趨勢。

（3）構建經(jīng)驗公式和近似模型。

2.2 近似建模

（1）近似模型方法是通過數(shù)學模型的方法逼近一組輸入變量（獨立變量）與輸出變量（響應變量）的方法，基于近似建模進行優(yōu)化設計的優(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。

2.3 優(yōu)化設計

白車身優(yōu)化問題比較復雜，其目標函數(shù)可能存在多峰性，非線性、非連續(xù)、不可微函數(shù)，設計變量和性能約束函數(shù)可能是線性或非線性等復雜情況，所以使用全局優(yōu)化算法進行優(yōu)化。

圖2 白車身優(yōu)化策略

對于偏置碰和側(cè)碰，因為仿真分析驗證屬于非線性，仿真精準度不高，且非常耗時，僅進行敏度分析和基于敏度優(yōu)化的優(yōu)化驗證的策略。

3 白車身優(yōu)化流程

圖3 白車身優(yōu)化流程

在確定優(yōu)化變量、分析工況和性能約束的前提下，通過正交試驗設計進行關鍵零件料厚分析，確定影響剛度模態(tài)的關鍵因子，即確定哪是功能件，哪些是非功能件，然后，結合變形、加結構膠、去件、開孔、換材料等優(yōu)化設計方法，初步確定幾個優(yōu)化方案。

參數(shù)化優(yōu)化的剛度、模態(tài)模型在前處理中，將最終變量的每個零件與PSHELL參數(shù)建立唯一的參數(shù)對應關系，將對應的PSHELL存放到一單獨的Include文件中，便于基于參數(shù)化平臺集成自動優(yōu)化流程，并最終取得多種優(yōu)化的方案解。

圖4 白車身初步優(yōu)化方案

4 白車身的優(yōu)化方案設計及驗證

4.1 優(yōu)化設計

通過參數(shù)平臺的DOE試驗設計+近似建模+優(yōu)化設計的優(yōu)化策略，采用優(yōu)化拉丁方的試驗方法，響應面模型的算法精確的逼近函數(shù)關系，并采用全局優(yōu)化算法，對25各零件的板厚進行優(yōu)化，再結合多種工程經(jīng)驗對白車身開展輕量化設計，最后共提出6個輕量化方案：7.5 kg、8.31 kg、8.92 kg、9.56 kg、10.07 kg、11.19 kg。

4.2 方案驗證

根據(jù)優(yōu)化策略，參數(shù)化優(yōu)化的6種方案，分別通過原仿真分析模型進行驗證，以確定最優(yōu)的優(yōu)化方案。

（1）剛度、模態(tài)。

（2）強度局部工況驗證（后備門踏步分析、后門下垂分析、后地板沖擊工況比較）。

（3）碰撞安全性：頂部壓潰。

4.2.1 驗證結果

（1）模態(tài)：較初始模型部分模態(tài)頻率略有降低，但滿足約束，一階模態(tài)略有提高。

（2）扭轉(zhuǎn)剛度：滿足約束要求。

圖5 白車身自動化集成優(yōu)化

表1 白車身剛度、模態(tài)驗證

4.2.2 局部強度

當踏步加500 N的時，踏步的最大應力為109.3 MPa，踏步材料為250P1，屈服極限為314 MPa，強度合格。

當踏步加1 000 N的時，踏步的最大應力為221.6 MPa，踏步材料為250P1，屈服極限為314 MPa，強度合格。

4.2.3 頂部壓潰結果對比

推薦優(yōu)化方案1與初始方案相差10%，但滿足法規(guī)要求。

圖6 白車身頂部壓潰驗證

5 結論

本次新開發(fā)的SUV白車身在參數(shù)化優(yōu)化的平臺，通過試驗設計+近似建模+基于近似模型優(yōu)化的技術路線和方法，充分挖掘了設計參數(shù)對剛度、模態(tài)、的影響關系，并初步確定6種減重方案。

同時，采用結構變形、去件、加件等優(yōu)化方法，最終在多種優(yōu)化方的結合應用中，確定SUV白車身9.56 kg的優(yōu)化方案，實現(xiàn)了白車身重量比競品車型輕的設計目標。