多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬

張忠元，張 召，矯承軒，張起勛

(1.吉林大學(xué)汽車工程學(xué)院，吉林 長春 130025；2.吉林大學(xué)機(jī)械與航空航天工程學(xué)院，吉林 長春 130025)

1 引言

在汽車公司投資成本中，汽車的制作費(fèi)用約占60%，整車在空載狀況下消耗在車身質(zhì)量上的油耗為70%左右，因此在整車輕量化中車身輕量化是主要構(gòu)成部分，在汽車工業(yè)領(lǐng)域中也是研究的熱點(diǎn)[1-4]。當(dāng)前白車身多目標(biāo)輕量化方法存在模型精準(zhǔn)度低和優(yōu)化效果差的問題。

呂天佟等[5]提出基于分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的白車身多目標(biāo)輕量化方法構(gòu)建隱式參數(shù)化白車身模型，并模塊化設(shè)置有限元模型，集合模塊化和參數(shù)化模型實(shí)現(xiàn)車身功能，通過NSAG算法實(shí)現(xiàn)白車身的多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)，該方法構(gòu)建的有限元模型誤差較大，模型精準(zhǔn)度低。王震虎等人[6]提出基于響應(yīng)面模型的白車身多目標(biāo)輕量化方法通過靈敏度分析方法獲取輕量化設(shè)計(jì)變量，結(jié)合一階響應(yīng)面模型和試驗(yàn)方法構(gòu)建一階彎扭模態(tài)、彎矩剛度和白車身質(zhì)量的近似模型，通過非支配排序遺傳算法實(shí)現(xiàn)白車身的多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)，該方法優(yōu)化變化率較低，優(yōu)化效果差。蘭鳳崇等人[7]提出基于徑向基函數(shù)神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的白車身多目標(biāo)輕量化方法，該方法將近似模型方法引入車身結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)中，對(duì)車身結(jié)構(gòu)的靈敏度進(jìn)行分析，確定設(shè)計(jì)變量，通過近似模型實(shí)現(xiàn)白車身多目標(biāo)輕量化的全局優(yōu)化，該方法優(yōu)化效果差。

隱式參數(shù)化建模方法是在幾何本質(zhì)角度的基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)特征進(jìn)行解析，淡化零部件概念，關(guān)注結(jié)構(gòu)特征。隱式參數(shù)化白車身模型中可以通過梁結(jié)構(gòu)完成創(chuàng)建，其具有參數(shù)變形能力強(qiáng)、穩(wěn)定性好、設(shè)計(jì)空間多樣性和靈活性等優(yōu)點(diǎn)。所以，本文采用隱式參數(shù)模擬的方式構(gòu)建了輕量化白車身模型。

2 構(gòu)建白車身隱式參數(shù)化模型

根據(jù)白車身自身結(jié)構(gòu)，為方便管理模型、簡化建模步驟，白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法將白車身隱式參數(shù)化模型可分為側(cè)圍和頂蓋、前端、后端以及地板四個(gè)模塊來進(jìn)行模擬。

2.1 頂蓋和側(cè)圍模塊

頂蓋和側(cè)圍模塊通常由車頂、A柱、門檻梁、B柱和C柱等結(jié)構(gòu)構(gòu)成，一般情況下都是通過隱式梁單元?jiǎng)?chuàng)建白車身的頂蓋和側(cè)圍模塊。在所有梁結(jié)構(gòu)中可以布置的局部截面的數(shù)量都是有限的，因此需要根據(jù)白車身模型結(jié)構(gòu)特點(diǎn)對(duì)其建模進(jìn)行整體布局，頂蓋和側(cè)圍模塊如圖1。

圖1 頂蓋和側(cè)圍模塊

頂蓋和側(cè)圍模塊主要由車頂橫梁、A柱上端、門檻梁、A柱下端、頂蓋、B柱、上邊梁、尾燈及C柱等構(gòu)成。通過過渡接頭連接門檻梁與C柱下端、門檻梁與B柱、上邊梁與B柱、門檻梁與A柱下端、A柱上端和下端，通過共截面連接上邊梁與C柱上端、上邊梁與A柱上端，通過焊接完成其它獨(dú)立部件之間的裝配。

2.2 前端模塊

前端模塊一般是由多種零部件構(gòu)成的，包括前風(fēng)擋玻璃框架、防撞梁、前圍板、前支梁、前縱梁，通過隱式梁結(jié)構(gòu)完成各參數(shù)化零部件的創(chuàng)建，零部件之間的連接利用MAP映射連接技術(shù)完成，如圖2。

圖2 前端模塊參數(shù)化建模

將剛性單元建立在前懸塔座處，計(jì)算車身扭矩剛度，前懸塔座安裝孔對(duì)應(yīng)的中心點(diǎn)坐標(biāo)利用有限元模型進(jìn)行確定，根據(jù)路徑選擇對(duì)應(yīng)的安裝孔，并結(jié)合坐標(biāo)定義參數(shù)化施力點(diǎn)創(chuàng)建剛性單元。

2.3 后端模塊

在后端模塊中存在的零部件通常包括行李艙、衣帽架和電池箱等，通過隱式梁結(jié)構(gòu)對(duì)各零部件進(jìn)行參數(shù)化建模，增強(qiáng)后端模塊在整個(gè)模塊中的參數(shù)化變形能力[8]，后端模塊如圖3。

圖3 后端模塊

為降低電池箱模塊的局部模態(tài)影響，將加強(qiáng)筋放置在前后板面中，并通過MAP技術(shù)映射加強(qiáng)。利用存在螺栓屬性的控制點(diǎn)連接后防撞梁，在實(shí)際螺栓位置連接點(diǎn)之間分布控制點(diǎn)。

2.4 地板模塊

地板模塊中存在加強(qiáng)梁、前地板、后地板和中地板等結(jié)構(gòu)，通過梁結(jié)構(gòu)對(duì)地板模塊實(shí)現(xiàn)參數(shù)化建模，保證參數(shù)化模型的參數(shù)變形能力、連續(xù)性以及穩(wěn)定性[9]。在建模過程中由于地板特征結(jié)構(gòu)的負(fù)載性，需要對(duì)加強(qiáng)筋特征進(jìn)行簡化，地板模塊如圖4。

圖4 地板模塊

2.5 白車身總成參數(shù)化建模

映射連接白車身頂蓋模塊、側(cè)圍模塊、地板模塊、后端模塊和前端模塊，左側(cè)參數(shù)化模型通過鏡像命令復(fù)制到右側(cè)，針對(duì)非對(duì)稱部分在局部特征的基礎(chǔ)上進(jìn)行修改，對(duì)白車身模型進(jìn)行擬合。

3 隱式參數(shù)化模型的多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)

將構(gòu)建的白車身隱式參數(shù)模型進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)主要分兩部分：非安全件輕量化設(shè)計(jì)和正面碰撞安全件輕量化。

3.1 非安全件的輕量化

目標(biāo)函數(shù)、約束和設(shè)計(jì)變量是多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)的三個(gè)要素。為了減少白車外形結(jié)構(gòu)和性能的影響，多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過混合靈敏度分析獲得白車身的厚度設(shè)計(jì)變量，對(duì)白車身多目標(biāo)輕量化進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)變量選用各板件厚度，將白車身一階彎曲和一階扭轉(zhuǎn)固有頻率當(dāng)做約束條件，將白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度最大、質(zhì)量最小作為優(yōu)化目標(biāo)，獲得白車身非安全件的多目標(biāo)輕量化模型

(1)

式中，f(x)是目標(biāo)函數(shù)；fb(x)是彎曲剛度目標(biāo)函數(shù)；ft(x)是扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)函數(shù)；fm(x)是質(zhì)量目標(biāo)函數(shù)；gb(x)是模型的一階彎曲在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的固有頻率；gt(x)是模型的一階扭轉(zhuǎn)在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的固有頻率；gob(x)是初始模型對(duì)應(yīng)的一階彎曲固有頻率；got(x)是初始模型對(duì)應(yīng)的一階扭轉(zhuǎn)固有頻率；xi是厚度設(shè)計(jì)變量；xoi是在初始模型中設(shè)計(jì)變量對(duì)應(yīng)的厚度。

3.2 正面碰撞安全件輕量化

在實(shí)現(xiàn)白車身非安全件輕量化設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上對(duì)白車身正面碰撞安全件進(jìn)行輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。將白車身安全件板件厚度和形狀變量作為設(shè)計(jì)變量，并將門框最大變形量、白車身一階扭轉(zhuǎn)、前排乘員擱腳區(qū)最大入侵量、彎曲模態(tài)頻率、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度作為約束[10]。將乘員艙B柱沖擊加速度峰值和白車身質(zhì)量作為目標(biāo)函數(shù)，在正面碰撞性能的基礎(chǔ)上構(gòu)建白車身多目標(biāo)輕量化模型

minf(x)={fm(x)，fl(x)，fr(x)}

(2)

(3)

(4)

(5)

(6)

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

上述公式中，f(x)描述的是目標(biāo)函數(shù)；fr(x)是右側(cè)乘員艙的加速度峰值；fl(x)是左側(cè)乘員艙對(duì)應(yīng)的加速度峰值；gmt(x)是模型的一階彎曲在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的固有頻率；gmb(x)是模型的一階扭轉(zhuǎn)在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的固有頻率；gst(x)是模型在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的彎曲剛度；gsb(x)是模型在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的扭轉(zhuǎn)剛度；gfl(x)是模型左側(cè)前排乘員擱腳區(qū)在優(yōu)化過程中的最大侵入量；gfr(x)是模型右側(cè)前排乘員擱腳區(qū)在優(yōu)化過程中的最大侵入量；gdl(x)是模型左側(cè)門框在優(yōu)化過程中的最大變形量；gdr(x)是模型右側(cè)門框在優(yōu)化過程中對(duì)應(yīng)的最大變形量；gomt(x)、gomb(x)、gost(x)、gosb(x)、gofl(x)、gofr(x)、godl(x)、godr(x)均是初始模型對(duì)應(yīng)的性能參數(shù)。

4 實(shí)驗(yàn)及性能驗(yàn)證

4.1 隱式參數(shù)數(shù)值實(shí)驗(yàn)

本文對(duì)多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法進(jìn)行測試，本次測試的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為Simulink測試的實(shí)驗(yàn)流程圖如圖5所示。

圖5 Simulink測試的實(shí)驗(yàn)流程圖

4.2 性能優(yōu)化驗(yàn)證

為了驗(yàn)證多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的整體有效性，采用了該方法、基于分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的白車身多目標(biāo)輕量化方法和基于響應(yīng)面模型的白車身多目標(biāo)輕量化方法進(jìn)行測試，對(duì)比三種不同方法構(gòu)建的模型精準(zhǔn)度，測試結(jié)果圖6所示。

由圖6，通過50次迭代，本實(shí)驗(yàn)方法構(gòu)建的白車身模型的精準(zhǔn)度均在高于90%，而相同條件下，基于分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)的白車身多目標(biāo)輕量化方法的精準(zhǔn)度在60-70%之間，基于響應(yīng)面模型的白車身多目標(biāo)輕量化方法構(gòu)建的白車身模型精準(zhǔn)度在60%左右，采用本方法的精準(zhǔn)度要明顯高于后兩種方法。這是因?yàn)槎嗄繕?biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過參數(shù)變形能力好的梁結(jié)構(gòu)構(gòu)建白車身隱式參數(shù)模型，提高了模型的精準(zhǔn)度。

為進(jìn)一步驗(yàn)證多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的有效性，將優(yōu)化變化率作為指標(biāo)對(duì)上述三種方法進(jìn)行測試，結(jié)果如圖7所示。

圖7 三種不同方法的優(yōu)化變化率

由圖6，多目標(biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法的優(yōu)化變化率在50次迭代中優(yōu)化變化率保持在8%左右，而同等條件下，基于分析驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)方法的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率在2-3%之間，基于響應(yīng)面模型的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率在1-2%之間，本方法的優(yōu)化轉(zhuǎn)化率要明顯高于后兩種方法。這是因?yàn)槎嗄繕?biāo)輕量化的白車身隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法通過非安全件輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)和正面碰撞安全件輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)白車身多目標(biāo)輕量化的優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高了方法的優(yōu)化變化率。

5 結(jié)束語

通過隱式參數(shù)數(shù)值模擬方法構(gòu)建了白車身隱式參數(shù)化模型，并對(duì)其進(jìn)行了多目標(biāo)輕量化設(shè)計(jì)。通過對(duì)得到模型的優(yōu)化，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過多次迭代后，該方法構(gòu)建的白車身模型的精準(zhǔn)度均大于90%，優(yōu)化變化率在大于8%，遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于其它同類方法，可為當(dāng)前白車身輕量化設(shè)計(jì)提供一定的參考。