唐 輝，門永新，毛雪峰，彭 鴻，朱貞英

(1.浙江吉利汽車研究院有限公司，杭州 311228； 2.浙江省汽車安全技術重點實驗室,杭州 311228； 3.思菲軟件(上海)有限公司，上海 201101)

前言

解決綜合性能有效開發(fā)和整體工作時間縮短的矛盾，其核心和根本解決方案是充分運用計算機輔助工程(CAE)技術，權衡各項性能和利用仿真優(yōu)化方法實現(xiàn)車型的高效開發(fā)[1]。

本文中結(jié)合吉利車型研發(fā)特點，在新車型概念設計階段運用參數(shù)化技術，對車型的模態(tài)、剛度和碰撞安全等性能進行預先評估和迭代優(yōu)化，為車身設計提供重要參考，保障整車開發(fā)品質(zhì)。實現(xiàn)CAE驅(qū)動設計，提升自主品牌新車型的核心競爭力。

1 工具與方法

1.1 隱式參數(shù)化技術

參數(shù)化模型為隱式參數(shù)化模型，單個模型幾何形狀由3種類型參數(shù)控制，其中包括控制點位置、線曲率和截面形狀，系統(tǒng)級模型通過拓撲關系相連接，一旦修改上述的任一參數(shù)，與其相關聯(lián)的所有幾何體都會產(chǎn)生相應變化[2-5]。

隱式參數(shù)化技術根據(jù)車身結(jié)構(gòu)初始狀態(tài)的有限元模型或幾何模型，建立幾何結(jié)構(gòu)一致的參數(shù)化模型，該模型有兩個功能：第一，模型結(jié)構(gòu)具有全參數(shù)化功能，幾何結(jié)構(gòu)的位置、尺寸和形狀等可以任意改變，能記錄改變的過程并保存為設計變量；第二，幾何結(jié)構(gòu)發(fā)生改變的參數(shù)化模型可以生產(chǎn)幾何結(jié)構(gòu)相同并滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求的有限元模型?；谏鲜龉δ埽[式參數(shù)化技術成為車身結(jié)構(gòu)設計優(yōu)化的有利工具。

1.2 參數(shù)化車身概念開發(fā)

在概念開發(fā)階段，設計部門只能提供車型設計參數(shù)和預估的模型結(jié)構(gòu)以及參考車型等少量信息，車身設計往往處于概念狀態(tài)，按照常規(guī)CAE分析方法，因無法構(gòu)建供分析所需的有限元模型，使CAE分析滯后于設計，不能及時了解整車性能表現(xiàn)，增加產(chǎn)品重復設計和修改風險，不利于開發(fā)周期的控制。

為解決上述問題，充分運用隱式參數(shù)化技術，將設計構(gòu)思快速轉(zhuǎn)換成有限元模型，把常規(guī)CAE分析提前介入概念開發(fā)階段，實現(xiàn)整車性能的全面掌控。結(jié)合車型研發(fā)特點，制定了基于隱式參數(shù)化的車身概念開發(fā)流程，如圖1所示。

第1階段(分塊拼裝) 根據(jù)早期離散數(shù)據(jù)建立初版SFEC模型，進行各項性能的預研分析，為外表造型和設計人員提供早期性能評估依據(jù)，確定設計方向。

第2階段(基礎構(gòu)建) 根據(jù)前期模型、內(nèi)外CAS(concept a surface)面和早期CAD數(shù)據(jù)，快速完成擬合及整體拓撲工作，對各項性能進行分析；為下一步局部結(jié)構(gòu)、尺寸和厚度的設計提供詳盡的數(shù)據(jù)支撐。

第3階段(性能優(yōu)化) 配合CAD數(shù)據(jù)實時更新模型，開展局部拓撲結(jié)構(gòu)方案優(yōu)化；通過零部件厚度靈敏度分析，進行模態(tài)、剛度和碰撞等性能綜合優(yōu)化，保障模態(tài)頻率和剛度，逐步優(yōu)化白車身構(gòu)架耐撞性，并實現(xiàn)結(jié)構(gòu)輕量化。

2 概念車身的實現(xiàn)

2.1 參數(shù)化模型要素

根據(jù)車型設計參數(shù)(白車身下車體數(shù)據(jù)、shotgun結(jié)構(gòu))和預估的模型結(jié)構(gòu)(某車型的后輪轂包結(jié)構(gòu)、某車型的白車身上車體結(jié)構(gòu)、某車型的造型、某車型的后橫梁結(jié)構(gòu)和某車型的側(cè)圍結(jié)構(gòu))，在SFE Concept軟件中建立白車身和四門兩蓋的參數(shù)化模型，如圖2所示。

2.2 參數(shù)化模型與有限元模型的耦合

為更合理掌握開發(fā)車型的碰撞安全性能，構(gòu)建了較為完整的整車模型。通過借用類似車型的前后懸架總成、動力總成、散熱器總成和座椅總成等有限元模型，與白車身、四門兩蓋參數(shù)化模型進行耦合，構(gòu)建碰撞所需的整車有限元模型。

模型耦合過程中，為實現(xiàn)碰撞結(jié)果數(shù)據(jù)的自動化處理，設置了具有特定編號的彈簧單元和加速度傳感器單元，以便后處理中能快速獲取車身侵入量和整車位移、速度及加速度曲線。在白車身參數(shù)化模型中，為基點和曲面建立特定編號，如圖3所示，為測量位移的彈簧單元和測量加速度的傳感器設定固定的編碼。

2.3 CAS擬合和CAD更新

在造型部門的內(nèi)外CAS數(shù)據(jù)出來后，進行白車身和四門兩蓋參數(shù)化模型擬合，如圖4所示，并根據(jù)新的CAD數(shù)據(jù)更新白車身內(nèi)部結(jié)構(gòu)和發(fā)動機罩，更新前后參數(shù)化模型對比如圖5所示。

3 性能開發(fā)優(yōu)化

3.1 性能目標

本車型概念開發(fā)階段主要考察模態(tài)、剛度和碰撞安全性能，其性能指標不但包括了白車身和四門兩蓋的1階扭轉(zhuǎn)、1階彎曲、彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度，同時還包括整車碰撞的最大加速度、防火墻和儀表板橫梁侵入量等。

3.2 優(yōu)化步驟

按照研發(fā)流程，第1階段考察零散數(shù)據(jù)拼湊車型的整車性能，對整車性能進行初步的評估，為設計部門提供重要信息。第2階段在CAS數(shù)據(jù)和部分CAD數(shù)據(jù)的輸入后，再次評估整車性能，結(jié)果反饋至設計部門。第3階段在進行CAD數(shù)據(jù)更新的同時，進行靈敏度分析、白車身和四門兩蓋模態(tài)剛度分析、整車碰撞分析，為設計提供滿足整車性能和輕量化目標的合理化建議。

3.3 結(jié)果討論

第1階段 白車身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為34Hz(不滿足目標)，1階彎曲模態(tài)等于目標值40Hz；彎曲剛度為12 776N·m/(°)(不滿足目標)，扭轉(zhuǎn)剛度為11 294N/mm(不滿足目標)。100%正面碰撞整車加速度峰值為44g(滿足目標)，防火墻侵入量滿足目標，儀表板侵入量部分超出目標值；40%偏置碰撞整車加速度峰值為43g(滿足目標)，防火墻和儀表板橫梁侵入量較大。該狀態(tài)下白車身質(zhì)量為301kg。分析結(jié)果表明，須對前縱梁結(jié)構(gòu)、后地板結(jié)構(gòu)和后縱梁結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化。

第2階段 白車身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)為40Hz(滿足目標)，1階彎曲模態(tài)為55Hz(滿足目標)；彎曲剛度為14 752N·m/(°)(滿足目標)，扭轉(zhuǎn)剛度為15 592N/mm(滿足目標)。100%正面碰撞整車加速度峰值為44g(滿足目標)，防火墻侵入量滿足目標，儀表板侵入量部分超出目標值較多；40%偏置碰撞整車加速度峰值為59g(不滿足目標)，防火墻和儀表板橫梁侵入量略微超出目標值。該狀態(tài)下白車身質(zhì)量為287kg。分析結(jié)果認為須優(yōu)化發(fā)動機艙、地板、B柱和后縱梁的變形模式。

第3階段 根據(jù)上一階段分析結(jié)果，進行基于模態(tài)和剛度的貢獻量與敏感度分析，在Isight平臺中搭建DOE試驗流程，如圖6所示。獲取可用于提高扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能的零件4個,見圖7，可用于提高彎曲模態(tài)性能的零件4個，見圖8，可用于提高剛度性能的零件24個和在不影響剛度的情況下可用于減質(zhì)量的零件40個，如表1所示。

基于上述參數(shù)化模型的模態(tài)剛度分析結(jié)果，白車身1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、1階彎曲模態(tài)、彎曲剛度均達標，扭轉(zhuǎn)剛度略低于目標值，如圖9、圖10和表2所示。發(fā)動機罩和后背門1階模態(tài)分別為59和35Hz，滿足要求，車門第1階模態(tài)頻率為42Hz，不滿足目標，如圖11～圖13所示。

基于上述參數(shù)化模型的整車耐撞性分析結(jié)果：100%正面碰撞中儀表板橫梁侵入量較大；40%偏置碰撞整車加速度峰值偏高、防火墻侵入量少量超標；側(cè)面碰撞中車門及B柱侵入量考察點均超過目標值；后面碰撞中后縱梁結(jié)構(gòu)較弱、變形偏大，如圖14～圖17所示。

提高剛度(24個)輕量化(40個)PIDMASST/MB/MTPIDMASST/MB/MT391443100742116123915611023021141039140412042653073911611040750208…………………………391146103007662539147600651600812

注：①PID為零件ID號；②MASS為該件質(zhì)量對整車質(zhì)量貢獻率；③T/M為該件質(zhì)量對扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻率與該件對質(zhì)量貢獻率的比值；④B/M為該件質(zhì)量對彎曲剛度的貢獻率與該件對質(zhì)量貢獻率的比值；⑤T為該件當前厚度(mm)。

指標1階扭轉(zhuǎn)/Hz1階彎曲/Hz彎曲剛度/(N·m/(°))扭轉(zhuǎn)剛度/(N/mm)白車身質(zhì)量/kg第3階段結(jié)果405414339123152675

因此，根據(jù)模態(tài)、剛度和碰撞安全性結(jié)果，模型需要進一步優(yōu)化。下一步工作將開展優(yōu)化車身材料布局分析、運用SFE Concept更改碰撞安全關鍵件的設計變量，通過設計變量的錄制，使參數(shù)化模型根據(jù)變量自動生成對應的有限元模型，并進行DOE迭代優(yōu)化，獲取滿足各性能要求的最佳方案。

4 結(jié)論

在新車型概念開發(fā)階段，引入隱式參數(shù)化技術，快速評估研發(fā)車型的模態(tài)、剛度和碰撞安全性，兼顧輕量化要求對車身結(jié)構(gòu)進行參數(shù)優(yōu)化，實現(xiàn)CAE驅(qū)動設計，為設計部門提供重要的整車性能信息和車身設計方向。

該隱式參數(shù)化技術已成功應用于多款吉利車型的開發(fā)，對于創(chuàng)建具有吉利特色的自主車型研發(fā)體系、提升品牌形象具有重要價值。

[1] Men Yongxin, Tang Hui, Peng Hong, et al. Comprehensive Performance Development of Geely Models And CAE Synergy Optimization Technologies[J]. Engineering Sciences,2014,16(1):23-35.

[2] SFE GmbH. SFE Concept Manual Handbook v4.2[G]. 2010, 2.

[3] Zhang Jiyou, Men Yongxin, Liu Shudan, et al. Optimization Design of Pedestrian Leg Impact Based on Parametric Technique[C]. The 16thConference of Automotive Safety Technology, 2013:576-581.

[4] 李楠,高衛(wèi)民,戴軼.基于隱式參數(shù)化模型的車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化設計[J].汽車工程,2008,30(10):857-860.

[5] Hilmann J, Paas M, Haenschke A, et al. Automatic Concept Model Generation for Optimisation and Robust Design of Passenger Cars[J]. Advances in Engineering Software,2007,38:795-801.