隨著汽車市場競爭越來越激烈,汽車企業(yè)在滿足用戶不斷提高的對可靠性、安全性、NVH等性能指標要求的同時,還希望通過降低成本來創(chuàng)造利潤,同時縮短開發(fā)周期以便搶得市場先機。
相對于中后期的結構優(yōu)化,早期設計成本更低,設計自由度更高,CAE工程師一直在探索將CAE分析提前,改變對一個不理想模型狀態(tài)進行優(yōu)化的弊端,實現(xiàn)CAE驅動設計。
CAE的早期介入,綜合考慮對產(chǎn)品有較大影響的結構設計,通過科學的分析計算,建立較為理想的設計模型,減少設計中后期因為性能提升而進行大量反復的修改,降低成本和縮短周期。
1 CAE概念設計優(yōu)化模型
設計變量、目標和約束條件是優(yōu)化設計的三要素。目標和約束條件屬于設計響應,根據(jù)優(yōu)化目的的不同有些時候可以互換。
CAE概念設計優(yōu)化技術的主要思路也是怎樣建立CAE的優(yōu)化模型,確定設計變量、設計目標、約束條件。
根據(jù)優(yōu)化三要素,汽車設計響應(約束條件和目標值)可根據(jù)實際問題快速提取,如白車身彎曲、扭轉剛度、模態(tài)值、碰撞加速度峰值和等效加速、白車身質量等都可以作為設計響應,在CAE概念設計優(yōu)化模型中,以整體質量為目標值的優(yōu)化問題比較常見。CAE優(yōu)化技術關鍵點是設置及選取設計變量,本文將介紹兩種提取設計變量的方法,參數(shù)化建模法和網(wǎng)格變形過程錄制法。
2 概念設計階段優(yōu)化流程
傳統(tǒng)研發(fā)流程存在以下問題:
(1)概念設計方案主要依靠工程師的經(jīng)驗來確定。
。2)設計早期階段缺少對產(chǎn)品性能有較大影響的結構設計方面的考慮。
。3)設計中后期進行大量反復的修改,帶來成本和周期的問題。
隨著研發(fā)的推進,零部件逐步開始進行開模、招標,設計自由度越來越小,優(yōu)化更改方案的成本也越來越高,受到周期、成本、空間等限制,很多優(yōu)化方案不能實施。研發(fā)成本模型如圖1所示。
圖1 研發(fā)成本模型
由圖1可知,相對于中后期的結構優(yōu)化,早期設計成本更低,設計自由度更高,概念設計階段引入CAE性能評估優(yōu)化,將CAE分析提前,改變對一個不理想模型狀態(tài)進行優(yōu)化的弊端,實現(xiàn)CAE驅動設計。概念階段嵌入CAE優(yōu)化技術的汽車研發(fā)流程如圖2所示。
圖2 概念階段嵌入CAE優(yōu)化技術的汽車優(yōu)化流程
概念設計階段的CAE優(yōu)化分析主要從拓撲結構優(yōu)化[4]和料厚優(yōu)化角度進行分析,如圖3所示。料厚優(yōu)化主要是對產(chǎn)品進行減重,拓撲結構優(yōu)化提升產(chǎn)品性能,通過拓撲結構優(yōu)化和料厚優(yōu)化的聯(lián)合仿真,達到優(yōu)化性能和減重的雙重目的。
圖3 概念優(yōu)化分析流程
3 概念設計CAE優(yōu)化分析實例
3.1參數(shù)化建模技術設置設計變量實例
利用參數(shù)化建模軟件SFE concept將有限元模型或者全新的車身主斷面結構轉換成參數(shù)化模型,如圖4所示。
圖4 某車型的參數(shù)化模型
采用建模采取點—線—截面—接頭和梁—自由曲面—白車身的方法建立參數(shù)化模型。參數(shù)化模型隨參數(shù)變化而變化。白車身參數(shù)化模型由于線條簡單,每次新變化的參數(shù)化模型均可自動生成有限元模型。通過對不同參數(shù)組合的結構優(yōu)化,選取最佳參數(shù)組合。
3.2網(wǎng)格變形技術設置設計變量實例
利用網(wǎng)格變形軟件DEP Morpher將參考車有限元模型的拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數(shù)。該參數(shù)由模塊控制,該模塊可控制不同分析類型的計算模型,也可控制不同規(guī)模(部件級、車身級、TB級、整車級)的分析模型的同一morphing部位,以此來實現(xiàn)多學科綜合優(yōu)化的功能。
圖5 某車型的網(wǎng)格變形參數(shù)化模型
3.3以網(wǎng)格變形參數(shù)為變量的優(yōu)化分析實例
3.3.1邊界條件
(1)根據(jù)技術要求將拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數(shù)。
。2)基于老款車型白車身彎曲剛度、扭轉剛度、模態(tài)值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度為約束。
。3)以白車身質量為目標進行優(yōu)化分析。
3.3.2優(yōu)化過程
。1)設置網(wǎng)格變形過程錄制參數(shù)、料厚優(yōu)化參數(shù)。
。2)根據(jù)靈敏度分析選擇參與優(yōu)化分析的參數(shù)。
。3)利用isight生成DOE矩陣,產(chǎn)生設計變量,利用DOE輸出矩陣控制基礎模型,得到優(yōu)化分析模型進行計算,其分析結果在isight中通過分析響應面,選出最優(yōu)結果。
3.4優(yōu)化分析結果
正面碰撞分析結果對比,加速度第一峰值降低0.5m/s2,有效加速度降低0.7m/s2。
表1 計算結果對比
4 結論
通過概念階段CAE優(yōu)化分析,快速驗證參數(shù)化設計變量、料厚設計變量的綜合優(yōu)化作用,在彎曲剛度、扭轉剛度、模態(tài)基本不變,碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情況下,降低白車身質量,為設計工程師提供了設計方向。
CAE優(yōu)化技術改變了工程師依靠經(jīng)驗設計,進行建模和CAE分析,把CAE作為一種驗算的工作模式,通過CAE分析,科學地尋找最優(yōu)化的設計方案,實現(xiàn)CAE驅動設計。
概念設計階段的CAE優(yōu)化分析確定的車身基本結構綜合考慮了汽車可靠性、安全性、NVH等性能指標,減少了中后期大量反復的修改。降低成本給企業(yè)創(chuàng)造了利潤,縮短開發(fā)周期為企業(yè)搶得市場先機。
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