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基于PIAnO在白车身轻量化设计(一)

2018/1/9    来源:互联网    作者:占华  方立桥  赖宇阳      
关键字:优化设计  PIAnO  轻量化  
本文以某SUV车型的白车身为研究对象,基于刚度、模态进行了敏度分析和近似优化,基于碰撞安全性进行了敏度分析,并结合设计经验考虑强度、振动等性能进行方案调整和验证,最终确定可行的轻量化方案。

    0 引言

    汽车结构的轻量化对汽车节能和环保都具有重要的意义。据统计,客车、轿车和多数专用汽车车身的质量约占整车自身质量的40%~60%。据统计表明,汽车的重量和燃油消耗之间存在密切的关系,整车重量减轻10%,燃油的消耗将降低6%~8%。汽车轻量化是在保证汽车的刚度性能、被动安全性能、NVH等性能提高或者不降低的前提下,通过结构优化设计、轻量化材料的应用、合理的制造工艺等手段来实现汽车的整备质量降低,从而达到节能减排的目的。

    目前,白车身轻量化的途径多为高强与轻质材料的采用,板类零件壁厚的减薄和以质量最小为目标、车身振动频率或刚度为约束的单目标优化设计。对于车身结构的其他性能,如碰撞安全性、强度等一般只作为验算对象,这样导致优化方案在其他性能上可能很差,致使设计部门无法采纳而在设计上浪费大量的时间和精力。

    本文基于某SUV车型,综合考虑模态(1阶弯曲、1阶扭转)、刚度(弯曲刚度、扭转刚度)、40%偏置碰和侧碰3个学科的性能进行轻量化设计,并对轻量化方案在100%正碰、强度、IPI和NTF上进行验证。结果表明,通过3个学科的性能指标优化所得的轻量化方案能够基本满足其他性能的设计要求。同时考虑到碰撞安全性耗时的仿真计算,本文通过针对分析工况划区域选择设计变量以缩减优化规模,同时刚度、模态基于近似模型优化,碰撞安全性基于敏度分析结果进行优化,该优化策略不仅可以充分利用计算资源,也可以极大的提高优化效率。

    1 初始方案描述

    初始方案的车身建立有限元模型后对刚度、模态、偏置碰和侧碰进行仿真分析,其性能如表1所示,除1阶弯曲模态和40%偏置碰的PedalX向侵入量性能指标略有违反设计要求外,其余性能皆满足设计要求。

    表1 初始方案性能

    1

    2 白车身优化策略

    由于白车身多学科仿真计算时间较长,优化问题具有明显的非线性和不确定性,选择基于“试验设计-近似模型-全局优化”的优化策略搜索最优解是最佳的优化策略。同时根据刚度、模态和碰撞安全性的仿真计算时间不一的特性,本文提出刚度、模态性能和碰撞安全性的变量分开选择、优化过程分阶段进行,最后综合考虑刚度、模态和碰撞安全性的敏度分析结果进行方案调整,最终确定轻量化方案,其过程如图1所示。

    1)确定刚度、模态设计变量:由于刚度、模态为线性分析,钢材使用统一参数,故对刚度、模态性能仅考虑零件板厚作为设计变量;

    2)确定碰撞安全性设计变量:零件板厚、材料对碰撞性能都有影响,同时根据白车身不同区域的零件影响不同的工况的特点,对偏置碰和侧碰的设计变量选择不同的零件板厚和材料;

    3)参数化自动化流程集成:参数化Nastran和Ls-dyna模型文件,由PIAnO多学科优化平台集成刚度、模态、偏置碰和侧碰的仿真计算流程,实现多方案自动化计算;

    4)试验设计:用尽可能少的仿真获取设计变量与响应变量之间的规律和关系,通过方差分析方法,辨识对输出参数影响最关键的设计变量,从而有效缩小优化中设计变量的数量,降低优化的难度和时间开销,本文采用正交数组试验设计方法(PIAnO最高可以取11水平)进行后处理和作为刚度、模态构建近似模型的样本库;

    5)刚度、模态性能近似建模:对试验设计获得样本库,运用近似模型方法,建立设计变量与响应变量之间的数学表达式,对响应函数进行平滑处理,降低“数值噪声”,有利于更快的收敛到全局最优点。PIAnO优化平台具有自动选择近似建模方法和删除离群点的功能,可以有效的提高近似模型的精度;

    6)基于近似模型优化:刚度、模态在近似模型上进行全局优化,避免落入局部优化解,常用的全局优化方法包括:协方差矩阵适应算法、微遗传算法等;

    7)近似优化方案验证:由于近似模型存在一定的误差,同时碰撞、强度等未参数近似优化,因此需要对基于近似模型优化的方案进行方案验证,为后面的敏度方案调整提供参考依据;

责任编辑:张纯子
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