靜態效能驅動的車身框架關鍵截面設計研究論文

靜態效能驅動的車身框架關鍵截面設計研究論文

　　1 前言

　　車身框架結構是由形狀複雜的薄板件透過焊接、螺栓連線等方式連線在一起形成複雜的空間結構，梁特性、梁空間位置以及車身接頭特性決定著車身結構的靜動態效能，而梁截面的屬性主要由截面形狀和厚度兩個因素決定。傳統的車身開發中關鍵梁截面形狀的設計往往是根據設計經驗及試驗分析逐步修改形狀，達到可行的形狀結構。以上的設計方法可理解為尋找可行解的過程，可能並不是截面形狀結構的最優解，而且該設計方法容易導致設計開發前期出現缺陷而後期修改空間不足的情況，大大影響產品開發週期和成本。車身全引數正向設計作為未來車身開發的趨勢，是基於多目標效能在車身前期確定引數化模型最優結構的全新設計方法。

　　在車身正向開發過程中，研究人員將截面形狀特性作為車身結構最佳化的變數之一，進行截面形狀級別的輕量化研究。其中，邢子敬等利用NX 建立全引數化的概念車身模型，透過改變梁截面的方向和厚度來研究截面特性對車身剛度的影響；任山擷取現有車型的白車身主斷面圖並計算相關主斷面的力學特性資料，透過簡化模型靜態效能的驗證探討該方法的可行性；李龍基於梁截面引數的靈敏度，運用向量最佳化法對某些截面的截面特徵引數進行最佳化，從而實現車身的輕量化。

　　2 車身關鍵截面設計方法研究

　　車身形狀結構和關鍵截面形狀是車身框架幾何結構設計的兩大主要內容，由於截面的形狀受車身形狀結構的約束，因此在車身形狀結構最佳化設計後才進行關鍵截面形狀的設計。車身關鍵截面的正向開發設計主要運用隱式引數化建模技術以及自動最佳化迴圈平臺，在可行域內搜尋最優解。本文以門檻梁截面設計為例，根據截面的尺寸約束確定截面的邊界條件，運用離散可行域的方法進行截面控制點的劃分，再根據截面形狀約束進行控制點之間的約束。以截面關鍵特性為約束條件，根據特定的效能評價進行門檻梁截面的最優形狀結構設計。

　　3 車身關鍵截面約束條件

　　截面的約束條件包括形狀約束條件和幾何約束條件，前者是關於製造可行性的約束，後者則是關於總佈置、車身造型及車身內部空間的約束。截面的約束條件決定了設計變數、取值範圍及變數之間的約束。

　　3.1 形狀約束條件

　　車身的薄壁件大多數透過鈑金衝壓而成，透過焊接、螺栓連線構造成封閉截面的梁部件，因此在進行車身關鍵截面開發時要滿足一定的製造工藝約束，並確認是否具有可行性。對於定向衝壓的板件，設計中不能出現缺拔模角及負衝壓角的情況，由兩件以上板件組成的梁截面不能出現板件相交的.情況。

　　3.2 尺寸約束條件

　　截面的尺寸約束決定了不可變化的形狀節點及部分可變控制點的取值邊界，主要受車身佈置、造型要求以及車身內部空間所影響。以某車型門檻梁截面為例，門框邊界和最下離地間隙約束決定了門檻梁截面上下翻邊的節點屬於形狀固定點；地板與門檻連線的地方是截面的內部空間約束，確定了內板與地板連線處的節點屬於形狀固定點；門密封面和側門包邊確定了外板與側門位置相互影響的節點屬於形狀固定點；車身外造型設計制約門檻梁外板的外廓形狀，使其成為形狀固定點；而內部空間約束和外部造型約束使得非形狀固定點具有取值範圍的邊界，內板的可控制點y值要小於內部空間固定點的y值，外板的可控制點y值不能小於外部造型固定點的y值。

　　4 效能驅動截面形狀正向設計

　　截面形狀影響梁部件的結構效能，而梁作為車身框架的關鍵部件，對車身整體效能有著決定性的影響。效能驅動截面形狀的正向設計就是基於梁部件的關鍵效能對截面形狀進行最佳化設計，在截面約束條件下的可行域內尋找各控制點的最佳座標位置。

　　4.1 截面離散化

　　根據截面尺寸約束條件確定的截面可行域是截面節點可能存在的空間位置，而截面形狀約束制約著不同節點之間的位置關係。為了保證滿足形狀約束的要求，提出離散截面可行域的方法。在截面區域性座標下，將可行域沿z方向平行於y軸劃分 M 個區域，這些平行線與截面的外板、中間板、內板相交，分別形成（M-1）個節點，為了便於截面最佳化設計，選取平行線透過截面上由於尺寸約束而固定的邊界點，相鄰線之間的距離儘量相等，以使節點均勻分佈於板上。劃分的區域細化則使最佳化截面形狀結果更接近最優結構值，但運算量較大，且對於鈑金件的生產加工增加一定難度；而劃分的區域較少則會造成截面形狀與最優結果相差較大。因此，要根據實際截面可行域的大小適當地選擇劃分的區域數量。

　　4.2 截面形狀約束的引數化

　　以車身框架形狀最佳化設計得到的隱式引數化模型為基礎，對門檻梁截面的控制點進行變數取值範圍的錄製，變數錄製的過程採取歸一化方法。門檻截面控制點作為變數的錄製過程，控制點從初始“0”位置沿y方向移動達到某一位置作為“1”狀態。為了確保組成截面的板件不相交，因此要定義區域離散線上點之間的約束關係。引入中間變數並推導其取值範圍，保證在尋優過程中各變數組合滿足形狀約束條件。

　　4.3 設計最佳化過程的整合

　　該截面形狀最佳化設計透過在軟體iSIGHT中搭建基於靜態效能的最佳化整合系統平臺，後臺自動呼叫隱式引數化建模軟體 SFE CONCEPT、資料處理軟體Matlab及求解器NASTRAN，提取效能引數儲存於資料庫中。

　　4.4 最佳化結果

　　透過自動尋優得到截面控制點位置與板厚的最佳組合，初始狀態與最佳化後的截面形狀對比，其中，外板的厚度為0.8 mm，中間板厚度為2.2 mm，內板厚度為 2.0 mm。最佳化前後門檻梁的效能對比，可看出在一階扭轉模態頻率、彎曲剛度、扭轉剛度這三個效能不降低的前提下，實現了門檻梁質量減輕7.8%的輕量化目標。

　　5 結束語

　　在車身框架形狀結構最佳化後的模型基礎上，對車身關鍵截面設計可行域採用離散化的方法，將截面形狀的設計轉化為截面控制點的最佳位置搜尋。搭建靜態效能驅動截面形狀設計的最佳化整合系統平臺，以部分控制點的座標值、中間變數值、板厚作為最佳化變數，以一階扭轉模態頻率、彎曲剛度、扭轉剛度為效能約束，質量最小為最佳化目標，整個過程實現無人干預。該截面正向開發方法在不降低車身框架形狀最佳化設計後模型的靜態效能下，實現了車身輕量化的目標。