白车身轻量化优化设计应用研究——Isight0920.pdfVIP

白车身轻量化优化设计应用研究 史国宏，陈勇，杨雨泽，姜欣 泛亚汽车技术中心有限公司 摘要：基于某车型的早期开发，采用隐式全参数化白车身模型，通过多学科多目标的集成优化设 计，使白车身轻量化设计的潜能得到最大发挥；通过试验设计到对近似模型的优化，合理的控制 分析与优化时间，提高了优化效率；通过方差分析，得到各设计变量对性能的贡献量与灵敏度， 从而掌握设计变量对刚度，模态、被动安全性能以及重量的影响规律，提高了白车身的开发能力。 关键词： 轻量化 多学科优化设计 Isight 方差分析 白车身 引言 在世界能源短缺和环境保护的背景下，汽车轻量化设计成为汽车业关注的焦点。目前实现轻 量化设计的主要途径有以下三种：结构轻量化，即采用设计方法对车身的拓扑结构、形状尺寸与 厚度进行优化设计，实现轻量化；特殊的加工工艺，使用激光拼焊板、柔性轧制差厚板等；材料 轻量化，采用高强度钢板、轻金属材料 （如：铝、镁、高强度塑料、碳纤维复合材料等）。 目前，国内1.6L及以下排量的汽车占新车销量60%以上。百姓需求、国家政策等国内大环境 使得小排量车的竞争达到了白热化，促进了车企在小排量车上研发的加倍投入，使其不断提高性 能的同时，进一步降低油耗及成本。目前国内特殊加工工艺以及材料轻量化的成本较高，导致这 两种轻量化设计方法只能小规模的应用在小排量车上，因此结构轻量化设计就成为车企现阶段降 低重量与成本最实际的方法。汽车结构轻量化技术必将成为汽车公司的核心竞争力之一。 要使结构轻量化得到最大程度的发挥，需做到以下三点： 1、在车辆早期开发阶段就应将结构轻量化思想融入到车身结构设计中[1] 。即，在早期设计 阶段，结合架构形式与相关布置尺寸的确定过程，运用虚拟分析、优化技术等方法对车身结构的 设计进行分析、评价和优化。了解各设计变量对整车各性能的影响规律，确定可行的轻量化方案, 从而提高整车开发的设计水平。目前国内该方面的研究大多集中在车辆研发后期，仅针对现有车 型车身板材件进行厚度和材料强度等级的减重优化设计，鲜有前期就引入结构轻量化的研究。 2、车身轻量化需和车身性能紧密联系在一起，是一个多学科多目标的集成优化设计过程， 而不是单纯的减重过程。目前国内轻量化研究主要采用单一的优化设计目标，优化后再通过其它 性能对优化结果进行验算 （如文献2、3），并没有综合考虑多方面因素所产生的共同效应，导致 轻量化设计并不是系统整体的最优解。 3、车身结构是一个整体系统，各零件的形状、位置、尺寸与材料厚度综合影响着车身的各 个性能。目前国内车企主要集中对零件厚度和材料强度进行减重优化 （如文献4-6），没有综合 考虑零件的尺寸形状，导致轻量化设计的潜能没有完全发挥出来。 本文在车辆早期开发阶段，建立了由60多个形状、位置、尺寸与厚度变量控制的整车参数化 白车身模型。根据整车布置空间，确立了设计变量的有效范围。利用试验设计方法建立优化近似 模型，通过多学科多目标的集成优化设计，得到满足不同学科工况条件下的最优轻量化白车身。 1 隐式参数化模型 本文采用SFE Concept隐式参数化建模技术，SFE Concept模型中所有最小单位的参数在逻辑 上相互关联，每一个参数的改变都会自动驱使周边与之关联的其它参数发生相应变化[7] 。从而实 现了由几百个零件装配成的白车身模型的快速参数化变换。并且，其快速生成有限元模型的功能 可按要求产生试验设计所需要的计算样本点。利用SFE Concept全参数化模型，可以在早期设计 阶段找到形状尺寸与厚度等各参数之间的平衡点。 2 优化技术 本文采用Isight-FD软件实现对优化循环的控制与对优化结果的有哪些信誉好的足球投注网站。Isight-FD是一个面向 多学科设计优化的协同集成软件，提供了可视化灵活的仿真流程搭建平台，同时提供与多种主流 CAE分析工具的专用接口；可以根据优化工作需求建立复杂的仿真分析流程，设定和修改设计变 量以及设计目标，自动进行多次分析循环；同时提供了试验设计、优化方法、近似模型和六西格 玛设计等一套完整的优化软件方法[8] 。 2.1 优化循环 传统的优化方法是一种串行的优化设计：即利用优化工具直接驱动模型的计算与结果分析， 通过对计算结果的直接判断，发出下一步指令。但对于部分学科的某些工况来说，如碰撞仿真分 析，由于其单步分析时间过长，容易导致优化时间不可控。因此传统的优化设计方