楊志杰，趙 菲，陳振冬，牛顧根

（陜西漢德車橋有限公司研究所，陜西 西安 710200）

前言

隨著汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車優(yōu)化技術(shù)得到迅速發(fā)展，已從最初的實物模型、物理試驗[1]方法到當前車企主流應(yīng)用的CAD和CAE技術(shù)，但隨著汽車行業(yè)的競爭加劇，汽車企業(yè)對汽車設(shè)計有了新要求，因此，汽車集成優(yōu)化技術(shù)便應(yīng)運而生。

汽車集成優(yōu)化技術(shù)主要是基于參數(shù)化優(yōu)化平臺，集成各種CAE軟件，實現(xiàn)汽車產(chǎn)品設(shè)計優(yōu)化的集成化和自動化，包括實現(xiàn)幾何模型和網(wǎng)格模模型變形的智能化。其中，網(wǎng)格變形技術(shù)興起于美國的OS公司，主要目的是為CAE工程師解決當前計算仿真分析技術(shù)中，反復(fù)修改幾何模型，畫網(wǎng)格的技術(shù)瓶頸，使其產(chǎn)品設(shè)計周期長，成本高。網(wǎng)格優(yōu)化技術(shù)不僅可將面網(wǎng)格、體網(wǎng)格高階光滑變形，而且支持上千萬單元，變形效率和精度更高、適用范圍更廣、計算開銷更低、操作界面更簡單。

圖1 傳統(tǒng)的設(shè)計流程

網(wǎng)格變形技術(shù)[2]通過已有的網(wǎng)格模型建立控制體實現(xiàn)控制點與一組網(wǎng)格節(jié)點的映射，變形后的幾何仍能夠保證3階曲面連續(xù)性，保證流動敏感區(qū)和附面層網(wǎng)格質(zhì)量 實現(xiàn)無須CAD參數(shù)化、無須網(wǎng)格重新劃分。

圖2 網(wǎng)格變形技術(shù)

同時，網(wǎng)格變形技術(shù)還可通過變形實現(xiàn)變形的參數(shù)化，再通過參數(shù)化優(yōu)化集成軟件平臺，通過變形優(yōu)化實現(xiàn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化的自動化，智能化。

圖3 集成優(yōu)化流程

1 應(yīng)用背景

歐洲某個賽車項目外形優(yōu)化設(shè)計準備只有2個月，沒有足夠的時間進行風(fēng)洞試驗，但急需要改變關(guān)鍵區(qū)域（擾流板、發(fā)動機罩、穩(wěn)定翼）進行形狀優(yōu)化，要求在增加16%下壓力的前提下，氣動阻力沒有明顯的提高，賽車具有更好的高速運動操控穩(wěn)定性和動力性。

而基于計算機模擬CAE為基礎(chǔ)的集成優(yōu)化技術(shù)開始成為汽車工業(yè)的優(yōu)先解決方案，并成功實施了很多經(jīng)典案例，為此，賽車項目也將采用集成優(yōu)化方案來改變賽車關(guān)鍵區(qū)域的造型設(shè)計，滿足性能要求，達到設(shè)計目標。

圖4 集成優(yōu)化背景

2 集成優(yōu)化解決方案

（1）先根據(jù)賽車的三維設(shè)計模型，在CFD軟件中搭建賽車仿真分析模型，并根據(jù)物理實驗的經(jīng)驗參數(shù)不斷修正和完善分析模型；

（2）基于最初的分析網(wǎng)格模型，通過網(wǎng)格變形控制技術(shù)，將擾流板、發(fā)動機罩、穩(wěn)定翼進行網(wǎng)格變形控制，實現(xiàn)賽車外形變形的參數(shù)化；

（3）再通過參數(shù)化優(yōu)化平臺，集成網(wǎng)格變形軟件和CFD流體仿真計算軟件，實現(xiàn)搭建集成優(yōu)化自動流程；

（4）將氣動阻力為性能約束，關(guān)鍵位置的形狀為優(yōu)化變量，下壓力為優(yōu)化目標，對幾個關(guān)鍵優(yōu)化變量進行試驗設(shè)計，靈敏度分析，確定影響優(yōu)化目標的因子；

（5）根據(jù)試驗設(shè)計確定的靈敏度因子，對賽車的局部網(wǎng)格進行參數(shù)化變形，生成新的CFD模型；

（6）將新生成的CFD模型導(dǎo)入CFD求解器種，進行性能參數(shù)驗證，提取結(jié)果，對標性能約束，判定方案是否滿足設(shè)計需求。

圖5 集成優(yōu)化方案

3 定義優(yōu)化問題

（1）優(yōu)化目標：下壓力[2]增加＞15%，讓賽車具有更好的高速運動操控穩(wěn)定性和動力性；

（2）約束條件：氣動阻力較原方案不變；

（3）設(shè)計變量：擾流板、發(fā)動機罩、穩(wěn)定翼等關(guān)鍵區(qū)域的造型設(shè)計，實現(xiàn)阻力降低和下壓力增加。

4 關(guān)鍵位置網(wǎng)格變形參數(shù)化

通過網(wǎng)格變形軟件，先對賽車前保險杠兩側(cè)及后尾翼進行網(wǎng)格變形控制，實現(xiàn)變形參數(shù)化，并確定控制變量的區(qū)間值，通過修改變形參數(shù)，實現(xiàn)多個賽車外形方案。

優(yōu)化解決集成流程如下：

通過參數(shù)化優(yōu)化平臺，解析網(wǎng)格變形的參數(shù)變量，將變量值傳遞給集成的流體求解模型，形成自動化優(yōu)化流程，在空氣阻力為性能約束的前提下，采取優(yōu)化拉丁方計算方法的進行試驗設(shè)計，確定影響優(yōu)化目標的關(guān)鍵因子。

圖6 網(wǎng)格模型變形

試驗設(shè)計[2]是數(shù)理統(tǒng)計學(xué)的分支，主要用途：辨認關(guān)鍵的試驗因子；確定最佳的參數(shù)組合；分析輸入與輸出參數(shù)之間的關(guān)系和趨勢；構(gòu)建經(jīng)驗公式和近似模型；提高設(shè)計的穩(wěn)健性。

優(yōu)化拉丁方[3]可以使因子和響應(yīng)的擬合更精確真實，所有試驗點更可能均勻分布空間，具有良好的空間填充性和均衡性。

圖7 集成優(yōu)化流程

5 優(yōu)化方案確定

（1）通過試驗設(shè)計分析關(guān)鍵因子后，初步確定了4種優(yōu)化方案；

（2）將初步方案模型求導(dǎo)入CFD求解器進行計算求解計算，提取結(jié)果以性能約束進行對比分析；

（3）最終以下壓力最大為優(yōu)化目標，確定下壓力增加16%的最佳優(yōu)化方案，最終方案的阻力系數(shù)、升力系數(shù)對比見下圖8所示：

圖8 優(yōu)化結(jié)果對比

6 總結(jié)

通過賽車車身的網(wǎng)格變形控制參數(shù)化，并通過參數(shù)化平臺集成，實現(xiàn)CFD仿真流程的自動化，并成功使新款賽車在氣動阻力沒有提高的前提下，增加16%的下壓力，讓賽車具有更好的高速運動操控穩(wěn)定性和動力性。

網(wǎng)格變形技術(shù)可以在保證流體網(wǎng)格質(zhì)量的前提下變形復(fù)雜幾何的網(wǎng)格，省去了幾何重新建模和網(wǎng)格重劃分的制約，大大減少人工重復(fù)工作量，可將工程師從繁雜的重復(fù)工作中解脫出來，減少出錯概率，提高工作效率，縮短產(chǎn)品研發(fā)周期。