參數(shù)化白車身結(jié)構(gòu)輕量化多目標(biāo)優(yōu)化

參數(shù)化白車身結(jié)構(gòu)輕量化多目標(biāo)優(yōu)化王傳青;董傳林;馬亮【摘要】利用SFEConcept建立某轎車白車身的參數(shù)化模型,采用有限元法對(duì)白車身的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、主要低階模態(tài)進(jìn)行分析，并將仿真結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比.將參數(shù)化白車身與動(dòng)力總成、底盤(pán)、閉合件連接后，仿真分析整車正面100%碰撞安全性能并驗(yàn)證有限元模型的有效性.提出通過(guò)相對(duì)靈敏度分析確定白車身非安全件設(shè)計(jì)變量的方法，采用最優(yōu)拉丁超立方方法生成樣本點(diǎn),基于徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)方法擬合近似模型，以白車身非安全件和正碰安全件為輕量化對(duì)象，通過(guò)第二代非劣排序遺傳算法對(duì)白車身進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果表明在白車身靜態(tài)彎曲剛度降低3.60%、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度降低3.91%、一階彎曲模態(tài)固有頻率降低0.09%、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)固有頻率上升1.26%、正碰安全性能基本不變的情況下，白車身質(zhì)量減少24.17kg/減重7.42%,輕量化效果顯著.【期刊名稱】《計(jì)算機(jī)輔助工程》【年(卷)，期】2018(027)001【總頁(yè)數(shù)】8頁(yè)(P15-21,47)【關(guān)鍵詞】轎車;參數(shù)化;白車身;輕量化;多目標(biāo)優(yōu)化;靈敏度【作者】王傳青;董傳林;馬亮【作者單位】北京汽車股份有限公司汽車研究院,北京101300;北京汽車股份有限公司汽車研究院,北京101300;迪艾工程技術(shù)軟件有限公司仕丁入-。港門(mén)3),上海200030【正文語(yǔ)種】中文【中圖分類】U463.1;TP310引言車身質(zhì)量約占汽車總質(zhì)量的30%~40%，在空載情況下,70%的油耗浪費(fèi)在車輛自身質(zhì)量上。［1］目前，國(guó)內(nèi)汽車企業(yè)主要對(duì)零件材料強(qiáng)度和厚度進(jìn)行減重優(yōu)化［2-3］，沒(méi)有綜合考慮零件的截面尺寸等因素，輕量化設(shè)計(jì)的潛能沒(méi)有完全發(fā)揮出來(lái)。史國(guó)宏等［4］研究認(rèn)為，利用SFEConcept參數(shù)化模型可以在早期設(shè)計(jì)階段找到形狀、厚度和尺寸各參數(shù)的平衡點(diǎn)。因此，應(yīng)用參數(shù)化模型對(duì)白車身進(jìn)行輕量化研究具有重要意義。本文以某國(guó)產(chǎn)轎車白車身為研究對(duì)象，在保證靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)頻率、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率和正面100%碰撞被動(dòng)安全的前提下，通過(guò)優(yōu)化白車身板件厚度和梁截面形狀實(shí)現(xiàn)輕量化。1參數(shù)化白車身性能驗(yàn)證參照某國(guó)產(chǎn)轎車白車身有限元模型建立隱式參數(shù)化白車身模型。在有限元模型部件的端點(diǎn)建立基點(diǎn)，通過(guò)建立基線將基點(diǎn)連接起來(lái)。參照有限元部件的主斷面形狀建立局部截面，通過(guò)梁將多個(gè)局部截面連接在一起，從而建立部件的參數(shù)化模型，再將材料、屬性等信息加載到參數(shù)化部件上。參數(shù)化部件之間通過(guò)映射或者接頭連接在一起。經(jīng)過(guò)上述操作形成白車身參數(shù)化模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)部件之間的聯(lián)動(dòng)和車身形狀的變化。［5］采用SFEConcept建立參數(shù)化白車身模型，見(jiàn)圖1,對(duì)其進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖1參數(shù)化白車身模型1.1參數(shù)化白車身靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度驗(yàn)證為驗(yàn)證參數(shù)化白車身模型的有效性，對(duì)參數(shù)化白車身的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證參數(shù)化白車身模型靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度特性的正確性。在進(jìn)行白車身靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，用剛性支架約束白車身前懸架減振器和后懸架彈簧安裝支座，分別見(jiàn)圖2和3。靜態(tài)彎曲剛度試驗(yàn)時(shí)，將加載砝碼放置在車身地板B柱附近進(jìn)行集中加載，最大載荷為4000N;靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)時(shí)，用前約束加載裝置中的絲杠對(duì)車身施加2000N-m的扭矩載荷。采用百分表測(cè)量白車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)變形。白車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析加載方式與試驗(yàn)相同，約束車身前懸架減振塔和后懸架彈簧安裝支座節(jié)點(diǎn)的6個(gè)自由度，得到參數(shù)化白車身靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的仿真和試驗(yàn)值，結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表1。由此可知，仿真與試驗(yàn)的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)誤差分別為0.59%和1.60%。由此可見(jiàn)，上述參數(shù)化白車身能夠較準(zhǔn)確地描述車身的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度性能。圖2前懸架減震器支撐圖3后懸架彈簧支撐表1白車身靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度仿真與試驗(yàn)對(duì)比參數(shù)彎曲剛度扭轉(zhuǎn)剛度仿真13632.87N/mm18104.15N?m/(。)試驗(yàn)13553.00N/mm17819,58N-m/(°)相對(duì)誤差0.59%1.60%1.2參數(shù)化白車身低階模態(tài)驗(yàn)證為驗(yàn)證參數(shù)化白車身結(jié)構(gòu)低頻振動(dòng)特性的有效性，對(duì)參數(shù)化白車身進(jìn)行模態(tài)仿真分析，并與白車身的模態(tài)試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比。模態(tài)試驗(yàn)將封閉白車身水平支撐在4個(gè)空氣彈簧上，見(jiàn)圖4。調(diào)節(jié)4個(gè)空氣彈簧的氣壓，使白車身在空氣彈簧上的剛體振動(dòng)頻率小于3Hz。在白車身左前、右后分別安裝激振器，見(jiàn)圖5和6。圖4白車身支撐圖5白車身左前激振器圖6白車身右后激振器后激振點(diǎn)的激勵(lì)力垂直向上，前激振點(diǎn)的激勵(lì)力與側(cè)向和縱向呈一定傾斜角度，以便充分激勵(lì)出封閉白車身3個(gè)方向上的模態(tài)。信號(hào)發(fā)生器發(fā)出0~256Hz的猝發(fā)隨機(jī)信號(hào)，經(jīng)功率放大器放大后通過(guò)激振器施加到車身上。整個(gè)封閉白車身共布置180個(gè)測(cè)點(diǎn)，用三向加速度傳感器拾取白車身上各測(cè)點(diǎn)的振動(dòng)加速度響應(yīng)。根據(jù)各測(cè)點(diǎn)坐標(biāo)在LMSTest.Lab中建立白車身各測(cè)點(diǎn)并進(jìn)行連接，得到白車身的幾何結(jié)構(gòu)，見(jiàn)圖7。測(cè)得白車身傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)圖，見(jiàn)圖8。對(duì)圖8進(jìn)行模態(tài)辨識(shí)，得到白車身低階試驗(yàn)?zāi)B(tài)頻率，并與仿真結(jié)果對(duì)比，見(jiàn)表2。從表2可以看出，仿真的低階模態(tài)固有頻率最大誤差為3.9%。由此可知，參數(shù)化白車身滿足分析要求，可以作為后續(xù)優(yōu)化的約束條件。圖7白車身幾何結(jié)構(gòu)圖8白車身傳遞函數(shù)穩(wěn)態(tài)圖表2試驗(yàn)與仿真的固有頻率對(duì)比階數(shù)振型描述仿真固有頻率/Hz試驗(yàn)固有頻率/Hz頻率相對(duì)誤差1一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)31.7732.532.3%2電池箱局部模態(tài)46.3844.733.7%3—階彎曲模態(tài)53.7051.703.9%4車尾局部模態(tài)60.8762.672.9%5呼吸模態(tài)65.4365.890.7%2正面100%碰撞安全性能驗(yàn)證為驗(yàn)證參數(shù)化白車身正面100%碰撞的被動(dòng)安全性能，按照《乘用車正面碰撞的乘員保護(hù)》(GB11551—2003)的要求進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)車正面100%碰撞試驗(yàn)對(duì)比。仿真分析時(shí)將參數(shù)化白車身與底盤(pán)、動(dòng)力總成、閉合件連接，建立整車模型，見(jiàn)圖9。底盤(pán)前懸架和動(dòng)力總成模型、底盤(pán)后部模型、閉合件模型分別見(jiàn)圖10~12。圖9整車模型圖10前懸架和動(dòng)力總成模型圖11底盤(pán)后部模型圖12閉合件模型整車連接后，模型缺少內(nèi)外飾、油箱、假人、冷卻液等，造成整車模型質(zhì)量和質(zhì)心與實(shí)車不同。為提高仿真精度，對(duì)整車模型配重，配重后有限元模型的質(zhì)量和質(zhì)心與實(shí)車對(duì)比見(jiàn)表3。由此可以看出：與實(shí)車相比，整車有限元模型的質(zhì)量和質(zhì)心的相對(duì)誤差都比較小，最大誤差僅為2.01%，滿足正碰仿真要求。表3配重后有限元模型質(zhì)量和質(zhì)心與實(shí)車對(duì)比項(xiàng)目實(shí)車有限元相對(duì)誤差質(zhì)量1603.8kg1606.01kg0.14%質(zhì)心坐標(biāo)x1040.76mm1042.49mm1.65%y7.003mm6.862mm2.01%z203.76mm203.86mm0.05%將碰撞后車身變形、前車門(mén)鉸鏈侵入量和整車加速度曲線的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比。仿真與試驗(yàn)的車身變形對(duì)比見(jiàn)圖13和14。由此可以發(fā)現(xiàn)，仿真分析與實(shí)車試驗(yàn)的車身變形模式一致。左、右側(cè)前車門(mén)鉸鏈侵入量的仿真與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比見(jiàn)表4。由此可知，鉸鏈侵入量仿真與試驗(yàn)相比最大誤差為9.9%。整車左、右側(cè)加速度仿真與試驗(yàn)對(duì)比分別見(jiàn)圖15和16。由此可知，仿真和試驗(yàn)的加速度曲線擬合良好，因此參數(shù)化白車身模型滿足分析要求，可用于進(jìn)一步的輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)。圖13整車仿真變形圖14整車試驗(yàn)變形表4前車門(mén)鉸鏈侵入量對(duì)比鉸鏈位置左側(cè)車門(mén)上鉸鏈左側(cè)車門(mén)下鉸鏈右側(cè)車門(mén)上鉸鏈右側(cè)車門(mén)下鉸鏈試驗(yàn)/mm2.683.511.191.96仿真/mm2.863.161.301.77相對(duì)誤差/%6.79.99.29.7圖15整車左側(cè)加速度曲線對(duì)比圖16整車右側(cè)加速度曲線對(duì)比3參數(shù)化白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)白車身優(yōu)化分為非安全件優(yōu)化和正碰安全件優(yōu)化。非安全件主要是對(duì)碰撞安全性能影響較小而對(duì)剛度和模態(tài)影響較大的部件，正碰安全件主要是對(duì)正碰安全性能影響較大的部件。這樣優(yōu)化既能保證計(jì)算精度，又能提高計(jì)算效率，能很好地解決兩者合成分析帶來(lái)的分析時(shí)間長(zhǎng)、效率低的問(wèn)題。白車身優(yōu)化流程見(jiàn)圖17。最優(yōu)拉丁超立方算法生成的樣本點(diǎn)能夠充分、均勻地填充設(shè)計(jì)空間［6-7］，因此試驗(yàn)設(shè)計(jì)時(shí)選用最優(yōu)拉丁超立方方法生成樣本點(diǎn)。圖17白車身優(yōu)化流程徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)在復(fù)雜函數(shù)逼近方面具有優(yōu)良性質(zhì)，只需較少的神經(jīng)元就能取得很好的逼近效果。因此，本文優(yōu)化時(shí)采用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)算法擬合近似模型。多目標(biāo)優(yōu)化算法在汽車碰撞優(yōu)化中已有廣泛應(yīng)用［8］，本文多目標(biāo)算法選取第二代非劣排序遺傳算法NSGA-H。3.1參數(shù)化白車身非安全件優(yōu)化采用相對(duì)靈敏度分析方法篩選非安全件設(shè)計(jì)變量。［2］剛度相對(duì)靈敏度和模態(tài)相對(duì)靈敏度分別為剛度靈敏度和模態(tài)頻率靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值，利用相對(duì)靈敏度分析方法對(duì)白車身非安全件的設(shè)計(jì)變量進(jìn)行選取。將相對(duì)靈敏度較高的變量作為需要增大的變量(34個(gè)，見(jiàn)圖18)，將相對(duì)靈敏度較低的變量作為需要減小的變量(9個(gè)，見(jiàn)圖19)。選取的目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度最大，約束函數(shù)為靜態(tài)彎曲剛度、一階彎曲模態(tài)頻率、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率不小于初始模型的95%。(1)式中：f(M)和f(T)分別為白車身質(zhì)量和靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度；ti為厚度變量的值；to,i為初始厚度值；f(B),f(MB)和f(MT)分別為白車身靜態(tài)彎曲剛度、一階彎曲模態(tài)頻率和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率；f1(B),f1(MB)和f1(MT)分別為初始白車身的靜態(tài)彎曲剛度、一階彎曲模態(tài)頻率和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率。圖18需減厚的非安全件圖19需增厚的非安全件試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中樣本點(diǎn)的生成和計(jì)算流程見(jiàn)圖20，多目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)流程見(jiàn)圖21。經(jīng)過(guò)601次優(yōu)化迭代找到最優(yōu)解。非安全件優(yōu)化完成后，白車身的質(zhì)量和性能見(jiàn)表5。由此可以看出：在靜態(tài)彎曲剛度降低0.58%、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度降低1.47%、一階彎曲模態(tài)頻率增加1.19%、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率增加1.70%的情況下，白車身質(zhì)量減少6.23%。圖20非安全件試驗(yàn)設(shè)計(jì)中樣本點(diǎn)的生成流程圖21多目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)流程表5非安全件優(yōu)化前、后白車身性能對(duì)比優(yōu)化目標(biāo)和約束優(yōu)化前優(yōu)化后變化率/%質(zhì)量325.94kg305.63kg-6.23靜態(tài)彎曲剛度13553.00N/mm13474.89N/mm-0.58靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度17819.58N?m/(°)17558.35N?m/(°)-1.47—階彎曲模態(tài)頻率53.70Hz54.34Hz1.19一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率31.77Hz32.24Hz1.703.2參數(shù)化白車身正碰安全件優(yōu)化正碰安全件優(yōu)化中選取的正碰安全件見(jiàn)圖22,變量的變化范圍同式(1)。梁截面的形狀變化見(jiàn)圖23，截面沿長(zhǎng)度方向變化范圍為-20~20mm。圖22選取的正碰安全件圖23安全件梁截面形狀變化在正碰安全件優(yōu)化過(guò)程中，選取的目標(biāo)函數(shù)為質(zhì)量最小和前車門(mén)下鉸鏈侵入量最小,選取的約束函數(shù)為靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)頻率和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率不小于初始模型的95%，車門(mén)上鉸鏈的侵入量不大于初始模型的105%。(2)式中：f(M),f(dL)和f(dR)分別為白車身質(zhì)量和左、右車門(mén)下鉸鏈侵入量；f(uL)和f(uR)分別為左、右車門(mén)上鉸鏈侵入量；f1(uL)和f1(uR)分別為初始模型的左、右車門(mén)上鉸鏈侵入量；xi為梁截面的形狀變量在x軸上的坐標(biāo)值，xoi為初始模型的梁截面在x軸上的坐標(biāo)值。試驗(yàn)設(shè)計(jì)過(guò)程中樣本點(diǎn)的生成見(jiàn)圖24,安全件多目標(biāo)優(yōu)化的實(shí)現(xiàn)流程仍按圖21,經(jīng)過(guò)601次迭代尋得最優(yōu)解。圖24正碰安全件試驗(yàn)設(shè)計(jì)中樣本點(diǎn)的生成4優(yōu)化設(shè)計(jì)性能驗(yàn)證為驗(yàn)證輕量化方案的可行性，對(duì)輕量化優(yōu)化后的白車身性能進(jìn)行分析，并與優(yōu)化前的白車身性能對(duì)比，見(jiàn)表6。表6優(yōu)化前、后模型性能對(duì)比優(yōu)化目標(biāo)和約束優(yōu)化前優(yōu)化后變化量/%質(zhì)量325.94kg301.77kg-7.42靜態(tài)彎曲剛度13553.00N/mm13064.74N/mm-3.60靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度17819.58N?m/(°)17123.40N?m/(°)-3.91—階彎曲模態(tài)頻率53.70Hz53.65Hz-0.09一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率31.77Hz32.17Hz1.26由表6可以看出：在靜態(tài)彎曲剛度下降3.60%、靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度下降3.91%、一階彎曲模態(tài)頻率下降0.09%、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率增加1.26%的前提下，優(yōu)化后白車身質(zhì)量減小24.17kg，減重7.42%。優(yōu)化前、后整車左、右側(cè)加速度對(duì)比曲線分別見(jiàn)圖25和26。由此可以看出，模型優(yōu)化前、后加速度曲線均擬合良好。圖25優(yōu)化前、后整車左側(cè)加速度曲線對(duì)比圖26優(yōu)化前、后整車右側(cè)加速度曲線對(duì)比優(yōu)化前、后前車門(mén)鉸鏈侵入量對(duì)比曲線見(jiàn)圖27~30。由此可以看出:優(yōu)化后門(mén)框鉸鏈的侵入量增加很少，下鉸鏈侵入量最大增量為0.5mm，上鉸鏈侵入量最大增量為0.3mm。對(duì)優(yōu)化后白車身的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、一階模態(tài)、正面100%碰撞安全性進(jìn)行分析，并與優(yōu)化前的模型進(jìn)行對(duì)比，可知優(yōu)化后白車身的各項(xiàng)性能沒(méi)有明顯變化，因此輕量化優(yōu)化方案合理。圖27優(yōu)化前、后車門(mén)左側(cè)下鉸鏈侵入量對(duì)比圖28優(yōu)化前、后車門(mén)右側(cè)下鉸鏈侵入量對(duì)比圖29優(yōu)化前、后車門(mén)左側(cè)上鉸鏈侵入量對(duì)比圖30優(yōu)化前、后車門(mén)右側(cè)上鉸鏈侵入量對(duì)比5結(jié)論對(duì)某轎車白車身非安全件和正碰安全件進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)仿真分析和試驗(yàn)，結(jié)論如下：對(duì)參數(shù)化白車身有限元模型的靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度以及模態(tài)進(jìn)行仿真分析，并與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，驗(yàn)證參數(shù)化白車身模型的正確性。對(duì)在參數(shù)化白車身基礎(chǔ)上建立的整車碰撞模型進(jìn)行正面100%碰撞分析，并與試驗(yàn)進(jìn)行對(duì)比，驗(yàn)證模型的正確性，為白車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)提供基礎(chǔ)。⑶在對(duì)參數(shù)化白車身的非安全件優(yōu)化時(shí)，使用徑向基神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法擬合近似模型，采用非劣排序遺傳算法NSGA-H對(duì)封閉白車身非安全件進(jìn)行多目標(biāo)協(xié)同優(yōu)化設(shè)計(jì)，優(yōu)化后白車身質(zhì)量減少6.23%，靜態(tài)彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度、一階彎曲模態(tài)頻率、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率幾乎沒(méi)有變化。進(jìn)一步對(duì)白車身正碰安全件進(jìn)行優(yōu)化，在彎曲剛度降低3.60%、扭轉(zhuǎn)剛度降低3.91%、一階彎曲模態(tài)頻率降低0.09%、一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率降低1.26%、正碰性能幾乎不變的情況下，白車身質(zhì)量減少24.17kg，減重7.42%，輕量化效果顯著。【相關(guān)文獻(xiàn)】鄧本波,唐程光.車身輕量化方法研究[J].客車技術(shù)與研究,2013,35(2):18-20.DOI:10.3969/j.issn.1006-3331.2013.02.007.葉輝，胡平,申國(guó)哲，等.基于靈敏度和碰撞仿真的汽車車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào),2010,41(10):18-22.DOI:10.3969/j.issn.1000-1298.2010.10.004.張勇,李光耀,王建華.多目標(biāo)遺傳算法在整車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用研究[J].中國(guó)機(jī)械工程，2009,20(4):500-503.史國(guó)宏,陳勇,楊雨澤，等.白車身多學(xué)科輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)應(yīng)用[J].機(jī)械工程學(xué)報(bào),2012,48(8):110-114.DOI:10.3901/JME.2012.08.110.WANGDF,JIF,CHENSM,etal.Implicitparameterizationmodelingandvalidationforbody-in-whiteof