楊旭，劉瑩，喬鑫

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隱式參數(shù)化發(fā)動機艙蓋結(jié)構(gòu)輕量化研究

楊旭，劉瑩，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

在汽車發(fā)動機艙蓋概念設(shè)計階段，通過SFE Concept隱式參數(shù)化建模軟件搭建發(fā)動機艙蓋的參數(shù)化模型。以發(fā)動機艙蓋內(nèi)板縱梁位置和內(nèi)板厚度為設(shè)計變量，聯(lián)合Isight建立發(fā)動機艙蓋的模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度自動化分析流程。通過分析計算得到發(fā)動機艙蓋設(shè)計變量組合樣本的結(jié)果并建立發(fā)動機艙蓋模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似模型，采用Pointer算法對模型進行優(yōu)化計算，在保證發(fā)動機艙蓋模態(tài)，彎曲剛度滿足設(shè)計目標的前提下得到發(fā)動機艙蓋輕量化設(shè)計方案，艙蓋重量在原有基礎(chǔ)上下降了3.2%。

發(fā)動機艙蓋；SFE Concept；Isight；近似模型；輕量化

前言

隨著汽車的總量越來越高，汽車尾氣排放所引發(fā)的環(huán)境問題愈發(fā)明顯。有研究表明，汽車的尾氣排放和油耗與汽車的質(zhì)量有一定關(guān)系，汽車質(zhì)量下降10%，尾氣CO2排放量下降13%，油耗下降6~8%，因此汽車輕量化越來越受到人們的重視[1]。汽車輕量化設(shè)計即在汽車減重的過程其剛強度及安全性能均滿足設(shè)計目標及法律法規(guī)要求。汽車的輕量化技術(shù)，主要包括汽車輕量化材料的使用，先進制造工藝的應(yīng)用以及汽車前期開發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計等[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計可以在概念設(shè)計階段展開：在車型預(yù)研階段，通過隱式參數(shù)化軟件SFE Concept構(gòu)建參數(shù)化模型，通過Isight搭建自動化仿真優(yōu)化流程，為汽車早期設(shè)計提供盡可能多的有效設(shè)計方案[3]。

作為汽車車身主要覆蓋件，汽車發(fā)動機艙蓋除了保證汽車外形美觀外，還應(yīng)具有足夠的剛強度和穩(wěn)定性[4]。雖然性能十分重要，但在開發(fā)過程中還要盡可能避免性能的冗余，降低開發(fā)成本，這就需要設(shè)計人員在開發(fā)前期對設(shè)計方案進行優(yōu)化，找到比較合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計方案。

本文通過SFE Concept建立了發(fā)動機艙蓋的參數(shù)化模型，聯(lián)合Isight建立了自動化分析流程。通過樣本分析結(jié)果得到發(fā)動機艙蓋模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似計算模型并建立優(yōu)化分析流程，以發(fā)動機艙蓋模態(tài)和剛度為約束，以質(zhì)量最小為目標，經(jīng)過多輪優(yōu)化得到發(fā)動機艙蓋最終的輕量化設(shè)計方案。

1 發(fā)動機艙蓋參數(shù)化建模

1.1 參數(shù)化模型建立

SFE Concept作為一款隱式全參數(shù)化建模軟件，功能十分強大，在調(diào)整模型變量的同時可以保證模型的拓撲關(guān)系，同時可以生成高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，便于分析計算[5]。發(fā)動機艙蓋參數(shù)化模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動機艙蓋參數(shù)化模型

1.2 變量錄制

由SFE Concept構(gòu)建的參數(shù)化模型，影響其結(jié)構(gòu)特性的點坐標、線曲率、材料屬性等均可以作為變量進行錄制，錄制后的變量可以通過mac文件導(dǎo)出。本文以發(fā)動機艙蓋內(nèi)板左右縱梁前后位置和內(nèi)板厚度為變量進行錄制，如圖2所示。

圖2 發(fā)動機艙蓋變量錄制

2 自動化分析流程建立

Isight是一個功能強大的計算機輔助優(yōu)化平臺，具備廣泛的CAD/CAE乃至自編程序接口。用戶可以通過Isight集成和管理復(fù)雜的仿真流程，運用多種優(yōu)化算法自動探索得到優(yōu)化方案，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，降低開發(fā)成本[6]。

2.1 模態(tài)，質(zhì)量自動化分析流程

DOE樣本確定。確定以發(fā)動機艙蓋內(nèi)板左右縱梁前后位置和內(nèi)板厚度3個變量為因子，每個因子取4個水平，選擇全因子實驗，如表1所示。0代表初始狀態(tài)，內(nèi)板厚度0.6mm；1代表左右縱梁前后位置向外側(cè)移動10mm，內(nèi)板厚度減薄0.1mm，依此類推。

表1 DOE樣本矩陣

通過Isight中的Simcode和DOE組件，建立模態(tài)，質(zhì)量自動化分析流程，如圖3所示。流程中DOE生成樣本，將變量信息傳遞給SFE Concept并驅(qū)動SFE生成有限元模型并提交給NASTRAN進行分析計算，循環(huán)往復(fù)直至全部樣本計算完成，得到DOE計算樣本結(jié)果。

2.2 彎曲剛度自動化分析流程

采用相同的DOE樣本，通過Isight建立發(fā)動機艙蓋彎曲剛度自動化分析流程，如圖4所示。整個流程的驅(qū)動計算同模態(tài)質(zhì)量分析流程類似，通過計算得到DOE樣本計算結(jié)果。

圖4 彎曲剛度自動化分析流程

3 近似模型建立

近似模型主要是通過數(shù)學(xué)模型的方法來逼近輸入變量與輸出變量的一種方法。近似模型的使用加快了優(yōu)化求解的速度。

3.1 模態(tài)，質(zhì)量近似模型

圖5 模態(tài)，質(zhì)量近似模型流程

構(gòu)建近似模型的方法主要有響應(yīng)面法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和克里格法等。本文采用響應(yīng)面法構(gòu)建模態(tài)，質(zhì)量的近似模型。如圖5所示為模態(tài)，質(zhì)量近似模型構(gòu)建流程。

根據(jù)計算樣本數(shù)據(jù)，以頻率，質(zhì)量為響應(yīng)，以內(nèi)板縱梁前后位置和內(nèi)板厚度為變量，采用二次響應(yīng)面構(gòu)建近似模型，其中多項式的項x01，x02，x03分別表示變量BM_FRONT，BM_REAR，INNER_THICKNESS，對近似模型進行誤差分析，頻率和質(zhì)量的總誤差均大于R-Squared的檢測標準0.9，認為所建立的近似模型滿足精度要求，可以在后續(xù)優(yōu)化流程中使用，詳見圖6所示。

（a）頻率響應(yīng)近似模型

（b）質(zhì)量響應(yīng)近似模型

（c）誤差檢測

3.2 彎曲剛度近似模型

建立彎曲剛度近似模型流程，進行誤差分析，如圖7，8所示。

圖7 彎曲剛度近似模型流程

（a）彎曲剛度響應(yīng)近似模型

（b）誤差檢測

圖8 彎曲剛度近似模型及誤差

4 優(yōu)化

以模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建發(fā)動機艙蓋的優(yōu)化流程，如圖9所示。在優(yōu)化模塊中，選擇Pointer優(yōu)化器，自動捕捉設(shè)計空間信息，自動組合四種優(yōu)化算法，包括單純形法、序列二次規(guī)劃法、最速下降法和遺傳算法，將其形成一個最優(yōu)的優(yōu)化策略[6]。以BM_FRONT，BM_REAR和INNER_THICKNESS為變量，其中BM_FRONT和BM_REAR以0.5為增量步，范圍0~3；INNER_THICKNESS保持與原來相同，約束條件設(shè)置為彎曲剛度bending_ stiffness：250~260N/mm，模態(tài)頻率值freq：22~22.5Hz，以質(zhì)量最小為目標，進行優(yōu)化計算，最后得到結(jié)果如表2所示。

圖9 彎曲剛度近似模型及誤差

表2 優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，在滿足發(fā)動機艙蓋彎曲剛度和模態(tài)目標值的情況下得到優(yōu)化后的模型方案，BM_FRONT，BM_REAR和INNER_THICKNESS取值分別為3、3、0.5，計算剛度值為256.07N/mm，模態(tài)為22.001Hz，質(zhì)量為0.018614t，與相同狀態(tài)模型的有限元分析結(jié)果十分接近，誤差絕對值在0.1%以內(nèi)，證明了近似模型的計算結(jié)果的準確性；與優(yōu)化前模型的最初狀態(tài)相比，發(fā)動機艙蓋剛度和模態(tài)均有所下降，但均在預(yù)期控制的范圍內(nèi)，有效的避免了性能設(shè)計的冗余，同時優(yōu)化后發(fā)動機艙蓋的重量下降了約0.6Kg，降幅約為原始總量的3.2%，達到輕量化目的。

5 結(jié)論

（1）借助SFE Concept隱式參數(shù)化建模軟件，搭建發(fā)動機艙蓋參數(shù)化模型，可以保證在改變模型變量的同時保留模型的拓撲關(guān)系，真正意義上實現(xiàn)了模型的全參數(shù)化。

（2）聯(lián)合Isight建立發(fā)動機艙蓋自動化計算流程，通過建立近似模型的方法來對發(fā)動機艙蓋進行優(yōu)化，在滿足性能目標又避免性能設(shè)計冗余的情況下找到了模型輕量化合理的設(shè)計方案。

（3）SFE Concept與Isight聯(lián)合仿真，真正意義上實現(xiàn)了在概念設(shè)計階段對設(shè)計方案的快速驗證與優(yōu)化，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，降低了產(chǎn)品的開發(fā)成本，對今后其它產(chǎn)品的開發(fā)設(shè)計起到指導(dǎo)作用。

[1] JOHN S. World vehicle population tops 1 billion units[EB/OL].[2011 -08-15].http://wardsauto.com/ar/world_vehicle_population_110815.

[2] 范子杰,桂良進,蘇瑞意.汽車輕量化技術(shù)的研究與進展[J].汽車安全與節(jié)能學(xué)報,2014,5（1）:1-16.

[3] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開發(fā)流程的車身輕量化設(shè)計[J].汽車工程學(xué)報,2015,5（6）:461-465.

[4] 黃天澤,黃金陵.汽車車身結(jié)構(gòu)與設(shè)計[M].北京:機械工業(yè)出版社, 1992.

[5] SFE GmbH. SFE CONCEPT V4.2 Books[G].2010.VOLZ.

[6] 賴宇陽.ISIGHT參數(shù)化理論與實例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

Research on Light Weight Of Implicit Parametric Engine Hood Structure

Yang Xu, Liu Ying, Qiao Xin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Build engine hood parametric model through SFE Concept implicit modeling software at the engine hood conceptual design stage. Taking the longitudinal beam location and the inner cover plate thickness of the engine hood as design variables, combine Isight to build automatic analysis process of engine hood modal, mass and bending stiffness. Through the process to get the result of the hood design variables’ composite samples, which is used to build the approximation models of the engine hood modal, mass and bending stiffness. Optimizing the model by algorithm of Pointer, obtain the lightweight design project on the premise of meeting the demand of engine hood modal and bending stiffness, the hood weight fell by 3.2 percent on the original basis.

engine hood;SFE Concept; Isight;approximation model; lightweight

A

1671-7988(2018)18-179-04

U462

A

1671-7988(2018)18-179-04

CLC NO.: U462

楊旭，男，碩士，工程師，主要研究方向為結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.061