1 概述
中國(guó)汽車自主品牌經(jīng)過(guò)近十多年的發(fā)展,開(kāi)發(fā)水平從早期的抄襲模仿,逐步轉(zhuǎn)向正向設(shè)計(jì),車型研發(fā)的領(lǐng)域逐步提前到前期開(kāi)發(fā)階段。在車身架構(gòu)的前期開(kāi)發(fā)階段,可以利用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)探索載荷傳遞路徑,從而為后期的工程開(kāi)發(fā)提供合理的車身架構(gòu),避免出現(xiàn)重大的設(shè)計(jì)失誤,同時(shí)降低設(shè)計(jì)成本,提高研發(fā)速度。本文根據(jù)某車型的上一代車身架構(gòu),在HyperMesh中建立拓?fù)鋬?yōu)化模型,利用拓?fù)鋬?yōu)技術(shù)獲取前期車身架構(gòu),拓?fù)鋬?yōu)化工具采用OptiStruct求解器,目的是考察拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)在車身架構(gòu)前期開(kāi)發(fā)中應(yīng)用的可行性。
2 模型描述
根據(jù)某車型的上一代白車身有限元模型(如圖1所示),建立白車身拓?fù)淠P停ㄈ鐖D2所示),由于水箱橫梁總成對(duì)本次拓?fù)鋬?yōu)化分析工況(剛度工況和碰撞工況)的影響較小,該部分總成沒(méi)有建立拓?fù)淠P汀?紤]到整車在前后碰撞過(guò)程中需要縱向剛度比較好,因此將前后縱梁總成直接設(shè)定為非設(shè)計(jì)空間,其余網(wǎng)格均作為設(shè)計(jì)空間。為了方便優(yōu)化過(guò)程控制,分為若干區(qū)域并分別賦予不同的屬性,再施加約束和載荷,建立拓?fù)鋬?yōu)化的有限元模型,如圖2所示。
圖1 白車身有限元模型
圖2 白車身拓?fù)淠P?/p>
3 拓?fù)鋬?yōu)化
3.1優(yōu)化目標(biāo)與約束
本研究的優(yōu)化的目標(biāo)為各個(gè)工況下白車身的柔度最小化,設(shè)計(jì)變量為單元密度,約束分別是體積分?jǐn)?shù)、單元最小尺寸約束、對(duì)稱約束和拔模約束。其中,體積分?jǐn)?shù)是指當(dāng)前迭代步設(shè)計(jì)空間體積與初始設(shè)計(jì)空間體積的比值,而對(duì)稱約束是指相對(duì)于車身XZ平面,車身結(jié)構(gòu)左右對(duì)稱,車身地板、頂棚、B柱和防火墻部件的單元添加拔模約束。
白車身拓?fù)鋬?yōu)化工況包括剛度工況和碰撞工況。其中,剛度工況包括彎曲剛度工況和扭轉(zhuǎn)剛度工況,碰撞安全工況包括正面碰撞工況、后面碰撞工況和側(cè)面碰撞工況。碰撞工況對(duì)車身的影響都是大變形、非線性的,還有接觸力存在。目前拓?fù)鋬?yōu)化與有限元方法相結(jié)合的方法并不成熟,尤其針對(duì)白車身拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題,因此必須將這類非線性工況等效為線性工況。本研究在HyperMesh前處理工具中建立上述拓?fù)鋬?yōu)化工況,并采用OptiStruct求解器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,最后用HyperView后處理工具進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果分析。
一般來(lái)說(shuō),不同的載荷工況將得到不同的結(jié)構(gòu)拓?fù)。傳統(tǒng)的多目標(biāo)優(yōu)化問(wèn)題采用線性加權(quán)和法,將多目標(biāo)問(wèn)題轉(zhuǎn)化為單目標(biāo)問(wèn)題求解,但對(duì)于非凸優(yōu)化問(wèn)題來(lái)說(shuō),該方法不能確保得到所有的Pareto最優(yōu)解。本研究多目標(biāo)拓?fù)鋬?yōu)化采用的方法是折衷規(guī)劃法(Compromise Programming ApprOAch)。多工況拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)方程如下所示:
公式1 多工況拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)方程
3.2各個(gè)工況優(yōu)化結(jié)果分析
(1)彎曲剛度工況
彎曲剛度工況優(yōu)化結(jié)果如圖3所示。柔度經(jīng)過(guò)34迭代,最終優(yōu)化的最小柔度為13.9N·mm,迭代過(guò)程如圖4所示。由圖5可知,載荷傳遞路徑有3條,中央通道下橫梁①→前縱梁末端②,中央通道下橫梁①→門檻梁③,備胎前橫梁④→后縱梁中部⑤。
圖3 彎曲剛度工況優(yōu)化結(jié)果
圖4 柔度迭代過(guò)程
圖5 優(yōu)化結(jié)果解析
(2)扭轉(zhuǎn)剛度工況
扭轉(zhuǎn)剛度工況優(yōu)化結(jié)果如圖6所示。柔度經(jīng)過(guò)80迭代,最終優(yōu)化的最小柔度為97.7N·mm,迭代過(guò)程如圖7所示。由圖8可知,材料在備胎前橫梁①和后橫梁堆積②,可知該兩個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度作用大,同時(shí)后縱梁中段前橫梁①通過(guò)載荷傳遞路徑與門檻梁③前端相連。
圖6 扭轉(zhuǎn)剛度工況優(yōu)化結(jié)果
圖7 柔度迭代過(guò)程
圖8 優(yōu)化結(jié)果解析
(3)正面碰撞工況
正面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖9所示。柔度經(jīng)過(guò)25迭代,最終優(yōu)化的最小柔度為9KN·mm,迭代過(guò)程如圖10所示。由圖11可知,載荷傳遞路徑由前縱梁中段①分叉,分別傳遞到上邊梁②和前縱梁末端③,前縱梁末端③的載荷傳遞路徑又分為3條,分別是門檻梁④、前縱梁末端延伸段⑤和中央通道下橫梁⑥。
圖9 正面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果
圖10 柔度迭代過(guò)程
圖11 優(yōu)化結(jié)果解析
(4)后面碰撞工況
后面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖12所示。柔度經(jīng)過(guò)31迭代,最終優(yōu)化的最ih柔度為29.5KN·mm,迭代過(guò)程如圖13所示。由圖14可知,載荷傳遞路徑由后縱梁末段①分叉,分別傳遞到門檻梁②、前縱梁末端延伸段③和中央通道下橫梁④。
圖12 后面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果
圖13 柔度迭代過(guò)程
圖14 優(yōu)化結(jié)果解析
(5)側(cè)面碰撞工況
側(cè)面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果如圖15所示。柔度經(jīng)過(guò)18迭代,最終優(yōu)化的最小柔度為9.5KN·mm,迭代過(guò)程如圖16所示。由圖17可知,載荷傳遞路徑有3條,分別是門檻梁前端橫梁①、門檻梁中部橫梁②和門檻梁末端橫梁③。
圖15 側(cè)面碰撞工況優(yōu)化結(jié)果
圖16 柔度迭代過(guò)程
圖17 優(yōu)化結(jié)果解析
本研究通過(guò)對(duì)五個(gè)單獨(dú)分析工況進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,獲取各個(gè)工況的最佳材料分布和載荷傳遞路徑,載荷傳遞路徑上的零件,即為保證對(duì)應(yīng)工況性能要求的關(guān)鍵部件,為前期車身架構(gòu)設(shè)計(jì)提供指導(dǎo)意見(jiàn),將在后期的性能優(yōu)化中獲得重點(diǎn)關(guān)注。
3.3綜合工況優(yōu)化結(jié)果分析
綜合優(yōu)化工況包括剛度工況(彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度)、碰撞工況(正面碰撞、后面碰撞和側(cè)面碰撞)。對(duì)于每一種工況,都會(huì)有不同的拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)構(gòu)與之對(duì)應(yīng),為了找到滿足各主要工況的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu),本文采用折衷規(guī)劃法,參見(jiàn)公式(3.1),其中,wk=1.0,q=2。綜合工況優(yōu)化結(jié)果如圖18所示。柔度經(jīng)過(guò)53迭代,最終優(yōu)化的最小加權(quán)柔度為3.07N·mm,迭代過(guò)程如圖19所示。
圖18 綜合工況優(yōu)化結(jié)果
圖19 加權(quán)柔度迭代過(guò)程
(1)地板優(yōu)化結(jié)果解析
由圖20所示,橫向載荷傳遞路徑有4條,分別是:前縱梁末端連接橫梁①、前座椅橫梁②、后縱梁前端連接橫梁④和后橫梁⑤;縱向載荷傳遞路徑有1條,即連接前縱梁末端連接橫梁①和后縱梁前端連接橫梁④的中央通道連接梁③,同時(shí)后橫梁⑤和后縱梁中段⑨通過(guò)斜梁⑥連接。
(2)頂棚優(yōu)化結(jié)果解析
由圖21所示,橫向載荷傳遞路徑有3條,分別是:頂棚前橫梁①、頂棚中橫梁②和頂棚后座椅橫梁③,同時(shí)頂棚邊梁⑤通過(guò)V型梁④與頂棚后橫梁③連接。
(3)側(cè)圍優(yōu)化結(jié)果解析
由圖22所示,豎向載荷傳遞有4條件,分別通過(guò)上邊梁①、A柱②、B柱③和C柱④連接前后縱梁/門檻梁⑤⑥⑦和頂棚邊梁⑧。
(4)防火墻優(yōu)化結(jié)果解析
由圖23所示,懸架支撐點(diǎn)④通過(guò)橫梁①連接,前縱梁后段⑤通過(guò)橫梁③連接,懸架支撐點(diǎn)④和前縱梁后段⑤通過(guò)V型梁②連接。
圖20 地板優(yōu)化結(jié)果解析
圖21 頂棚優(yōu)化結(jié)果解析
圖22 側(cè)圍優(yōu)化結(jié)果解析
圖23 防火墻優(yōu)化結(jié)果解析
通過(guò)折衷規(guī)劃法,綜合優(yōu)化工況兼顧各個(gè)分析工況的性能要求,拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果在滿足剛度和碰撞多學(xué)科性能的基礎(chǔ)上,實(shí)現(xiàn)最佳材料分布。設(shè)計(jì)人員可根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,改進(jìn)原始車型的車身架構(gòu),在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)早期獲取滿足多學(xué)科性能的設(shè)計(jì)方案,從而加速車身開(kāi)發(fā)速度,提升產(chǎn)品的競(jìng)爭(zhēng)力。
4 結(jié)論
(1)本研究在HyperMesh前處理工具中建立上述拓?fù)鋬?yōu)化工況,并采用OptiStruct求解器進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,獲取較為清晰的找到各個(gè)分析工況的載荷傳遞路徑。通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化,將材料分布的到最需要加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)上,極大提高了結(jié)構(gòu)的材料利用率,從而為后期的輕量化優(yōu)化提供最優(yōu)的車架拓?fù)浼軜?gòu)。
(2)本研究采用折衷規(guī)劃法進(jìn)行多工況拓?fù)鋬?yōu)化,消除了各個(gè)優(yōu)化工況的單位量綱差異,從而獲得清晰的載荷傳遞路徑,并實(shí)現(xiàn)各個(gè)性能之間的權(quán)衡;本研究采用線性工況等效的方法來(lái)處理碰撞工況,其拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果仍需要進(jìn)一步的驗(yàn)證,未來(lái)將開(kāi)展非線性拓?fù)鋬?yōu)化方法研究,例如靜載等效法(Equivalent Static Load)和混合細(xì)胞自動(dòng)機(jī)法(Hybrid Cellular Automation)。
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本文標(biāo)題:基于OptiStruct的白車身拓?fù)鋬?yōu)化研究
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