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摘要：概念設計階段對車身的開發可以在早期對提升車身性能的同時減輕車身質量，在前期通過仿真手段對車身設計有方向性的指導建議，文章通過結合網格變形、靈敏度分析以及多目標優化，在車身開發早期對白車身的截面尺寸以及不同位置板厚的分布提供了設計依據，縮短了開發周期，實現了概念階段的輕量化需求。

關鍵詞：網格變形；靈敏度分析；多目標優化；車身概念設計階段

前言

為了盡可能早、快且全面的控制車身性能和質量，在項目開發前期比如預研或概念設計階段沒有詳細設計數據的條件下即開展相關分析優化工作，確定影響車身性能的結構并提供優化方案，進而減少人為優化帶來的盲目性以及效率低下問題，最終實現性能的快速提升和質量的控制，有效指導產品設計。隨著一些有限元技術的發展，把白車身簡化成梁結構的有限元模型，然后根據梁結構的白車身簡化模型進行靈敏度分析[1]，國內外一些學者通過有限元法對車身梁截面尺寸進行了自動優化設計并已發表大量文章[2-9]，也有學者從理論上用解析公式分析梁結構的截面參數和材料特性對其剛度的影響[10]。但少有人對典型截面的具體幾何尺寸作為設計參數，同時考慮梁截面的幾何尺寸對彎扭剛度、模態以及質量的影響，而這種設計思路，在整車開發流程中的概念設計階段的正向開發中起著關鍵的作用，能夠有效縮短設計開發流程，節約設計成本及試驗驗證成本。本文在車身開發概念設計階段引入了網格變形，通過網格變形在沒有白車身設計數據階段，將平臺車型貼合CAS面，形成預研車體結構，然后通過基礎車體結構，建立形狀參數和厚度參數，通過靈敏度分析尋找形狀參數和厚度參數對現有車身性能的貢獻度，最后，通過多目標優化，對基礎車型的斷面及厚度提供設計指導依據。

1技術方案流程

從預研或概念階段開始，通過網格變形實現基礎模型向造型面的快速貼合，建立概念模型，開展相關方案的校核及優化分析；利用參數化建模及靈敏度分析方法確定影響車身剛度模態強度等性能的結構，實現結構小改變、性能大提升的效果，做到事半功倍，有效指導產品設計；通過多目標優化技術達到各項性能均衡提升的同時質量有所控制甚至降低，實現輕量化。另外根據需要，還可拓展到流體及碰撞領域，開展外造型氣動阻力優化工作和碰撞方面的優化工作，大大提高分析效率。

2技術方案的實施

2.1快速網格變形

傳統的CAE車身優化分析由于受制于CAD數模的限制，無法在早期無CAD數模的概念設計階段開展。本文突破這道瓶頸的解決方案為借助DEP/Morpher通過軸距輪距加長加寬以及造型面貼合等一系列變形，實現了從參考車A到目標概念車B的模型演變。

2.2模型參數化

參數優化的難點在于如何將期望的改變轉化為設計參數，讓設計參數能在預設的范圍內任意變化，以便于考察參數的變化對目標性能的影響。這里借助DEP/Morpher實現了建立重要梁截面寬度與高度變化的參數、重要接頭大小變化的參數以及重要鈑金厚度變化的參數。建立的形狀參數和厚度參數共四十個，全面涵蓋了對車身彎扭剛度以及模態能夠產生影響的因素。

2.3DOE矩陣生成、響應面建立

參數化模型搭建完成后，首先將設計參數導入Isight，運行優化拉丁超立方試驗設計生成設計參數的DOE試驗矩陣結果，為響應面準備樣本，一般要求樣本點的數量為設計參數數量的2～3倍，所以選擇80個樣本點。將DOE試驗矩陣導入DEP/Morpher生成樣本點對應的分析模型。讀取各樣本點分析結果，建立基于RSM（多項式函數)的響應面模型，經過響應面精度檢驗滿足要求后，響應面模型可作為優化計算的基礎。

2.4靈敏度分析

基于響應面模型進行靈敏度分析，可以找到哪些設計參數對目標性能的貢獻量最大，找到目標性能的薄弱環節，從而能指導設計工程師有針對性的做相應結構加強。分析發現車身A、B柱下接頭是彎曲模態相對薄弱的區域，而扭轉模態主要受流水槽區域薄弱的影響。

2.5目標性能最優解尋找及實現輕量化

通過Isight尋優求解，可以找到滿足目標要求的最優解決方案。例如我們要求彎曲扭轉模態不能低于40Hz，基于響應面模型的尋優會為我們找到彎曲扭轉模態不低于40Hz而車身重量是最輕的一個方案。有了性能滿足要求的最優方案，接下來需要做的工作便是減重輕量化，同樣可以利用靈敏度分析結果，選擇一些對目標性能影響不大的參數，同時新增一些不明顯影響性能但能明顯降低重量的部件作為參數，專門開展一輪輕量化的參數優化分析工作。在ET數據基礎上，完成四輪減重優化，在各方面性能達標的情況下，減重7.5Kg。

3應用拓展

在汽車空氣動力學的仿真分析中，優化問題一直是一個難點。在以往，造型出一版CAS面之后，CFD會給出一版CAS面相應的計算。計算完成后，只能根據經驗來給出優化意見。而且由于缺乏相應的工具和手段，無法生成優化過后的CAS面并進行分析。這樣的流程有著極大的局限性：第一，嚴重依賴仿真工程師的經驗，不同的人可能工作的效果就會差別很大。第二，根據經驗給出的優化意見沒有經過驗證，有極大的局限性，在工程師經驗不足的情況下，優化意見甚至會出現相反的效果，使整車空氣動力學性能變差。第三，根據經驗提出的優化往往只能實現CAS面有限的幾個部位的有限的變化，無法得知部分的變化對整體的影響，更無法得到整體的最優解。為了解決這些問題，CFD采用了新的技術和方法。第一是網格變形的使用。在空氣動力學的計算中，需要先將CAS面劃分成網格才能完成計算。網格變形可以對劃分好的網格進行變形，也就是對CAS面進行變形。再對變形之后的CAS面網格進行計算分析，得到變形之后的各個空氣動力學參數，并與變形之前的比較。這樣就解決了前一段中第一和第二個局限。不同的工程師對CAS面進行變形，變形之后就可以計算出相應的結果。這樣就能給出有力的指導意見，使整車的空氣動力學性能往好的方向發展。而不是像以前一樣沒有經過計算給出的經驗性的意見。第二是參數化建模和優化方法的使用。網格變形技術使我們的工作有了極大的進步，但仍然不夠完美。由于工作時間的限制，人工的網格變形只能對有限的部位進行有限次的變形，結果也只能進行有限次的計算，各個變形之間的相互影響更是無法評估。而使用專業的優化方法可以使多處變形對某一個或者多個性能參數的綜合影響得以體現。比如汽車后擾流板和后保可以分別向X和Z方向變形，這就有了四種變形組合。假設每個變形又有10種變化值，最后結果可能就有104個，而實際的變化值并不是離散的十種，可能有無數種變化值。而最優的值只有一個或者幾個，用人力進行人工的變形基本上無法找到。而使用優化技術，就可以通過分析變形參數，構建DOE矩陣，建立響應面，并通過最優拉丁方等優化方法快速的找到這些最優的值。第三是靈敏度分析。在工程中，空氣動力學性能不是唯一的性能，常常需要與其他性能或布置條件相妥協。基于DOE矩陣的靈敏度分析可以知道哪些部位的變形對空氣動力學性能影響較大，哪些部位變形影響較小。在影響較小的部位，空氣動力學性能可以對其他性能讓步。在較敏感的位置，其他性能可以讓步于空氣動力學性能。這樣可以做到整車性能最大化的優化。

4結論

概念設計階段的車身開發技術有效實現結構輕量化，幫助車身減重，節省材料成本，進而降低燃油消耗，降低使用成本，B車型減重7.5Kg，鍍鋅鋼材6000-9000元/噸，最低節約45元/輛。隨著開發車型逐漸增多，在不借助外力的情況下同步開展多個項目的例行分析和結構優化分析，時間和人力嚴重不足，引入該技術以后，傳統多人力且超過一個月的車身建模和分析時間可以縮短至單人力5工作日左右，效率大大提高，節省大量時間成本和人力成本。車身預研和概念階段即開展相關分析，在前期即總體控制車身性能和質量，有效指導產品設計方向，避免設計盲目性和重復性，減少后期設計變更，節省設計工程師大量時間；企業貢獻。

作者：陳東；姜葉潔；張琪 單位：廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院