靜態(tài)性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復雜的薄板件通過焊接、螺栓連接等方式連接在一起形成復雜的空間結構，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(tài)性能，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(tǒng)的車身開發(fā)中關鍵梁截面形狀的設計往往是根據(jù)設計經(jīng)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，可能并不是截面形狀結構的最優(yōu)解，而且該設計方法容易導致設計開發(fā)前期出現(xiàn)缺陷而后期修改空間不足的情況，大大影響產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。車身全參數(shù)正向設計作為未來車身開發(fā)的趨勢，是基于多目標性能在車身前期確定參數(shù)化模型最優(yōu)結構的全新設計方法。
在車身正向開發(fā)過程中，研究人員將截面形狀特性作為車身結構優(yōu)化的變量之一，進行截面形狀級別的輕量化研究。其中，邢子敬等利用NX 建立全參數(shù)化的概念車身模型，通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；任山截取現(xiàn)有車型的白車身主斷面圖并計算相關主斷面的力學特性數(shù)據(jù)，通過簡化模型靜態(tài)性能的驗證探討該方法的可行性；李龍基于梁截面參數(shù)的靈敏度，運用向量優(yōu)化法對某些截面的截面特征參數(shù)進行優(yōu)化，從而實現(xiàn)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(nèi)容，由于截面的形狀受車身形狀結構的約束，因此在車身形狀結構優(yōu)化設計后才進行關鍵截面形狀的設計。車身關鍵截面的正向開發(fā)設計主要運用隱式參數(shù)化建模技術以及自動優(yōu)化循環(huán)平臺，在可行域內(nèi)搜索最優(yōu)解。本文以門檻梁截面設計為例，根據(jù)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(jù)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(jù)特定的性能評價進行門檻梁截面的最優(yōu)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，前者是關于制造可行性的約束，后者則是關于總布置、車身造型及車身內(nèi)部空間的約束。截面的約束條件決定了設計變量、取值范圍及變量之間的約束。
3.1 形狀約束條件
車身的薄壁件大多數(shù)通過鈑金沖壓而成，通過焊接、螺栓連接構造成封閉截面的梁部件，因此在進行車身關鍵截面開發(fā)時要滿足一定的制造工藝約束，并確認是否具有可行性。對于定向沖壓的板件，設計中不能出現(xiàn)缺拔模角及負沖壓角的情況，由兩件以上板件組成的梁截面不能出現(xiàn)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(jié)點及部分可變控制點的取值邊界，主要受車身布置、造型要求以及車身內(nèi)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(jié)點屬于形狀固定點；地板與門檻連接的地方是截面的內(nèi)部空間約束，確定了內(nèi)板與地板連接處的節(jié)點屬于形狀固定點；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(jié)點屬于形狀固定點；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(nèi)部空間約束和外部造型約束使得非形狀固定點具有取值范圍的邊界，內(nèi)板的可控制點y值要小于內(nèi)部空間固定點的y值，外板的可控制點y值不能小于外部造型固定點的y值。
4 性能驅動截面形狀正向設計
截面形狀影響梁部件的結構性能，而梁作為車身框架的關鍵部件，對車身整體性能有著決定性的影響。性能驅動截面形狀的正向設計就是基于梁部件的關鍵性能對截面形狀進行優(yōu)化設計，在截面約束條件下的可行域內(nèi)尋找各控制點的最佳坐標位置。
4.1 截面離散化
根據(jù)截面尺寸約束條件確定的截面可行域是截面節(jié)點可能存在的空間位置，而截面形狀約束制約著不同節(jié)點之間的位置關系。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。在截面局部坐標下，將可行域沿z方向平行于y軸劃分 M 個區(qū)域，這些平行線與截面的外板、中間板、內(nèi)板相交，分別形成（M-1）個節(jié)點，為了便于截面優(yōu)化設計，選取平行線通過截面上由于尺寸約束而固定的邊界點，相鄰線之間的距離盡量相等，以使節(jié)點均勻分布于板上。劃分的區(qū)域細化則使優(yōu)化截面形狀結果更接近最優(yōu)結構值，但運算量較大，且對于鈑金件的生產(chǎn)加工增加一定難度；而劃分的區(qū)域較少則會造成截面形狀與最優(yōu)結果相差較大。因此，要根據(jù)實際截面可行域的大小適當?shù)剡x擇劃分的區(qū)域數(shù)量。
4.2 截面形狀約束的參數(shù)化
以車身框架形狀優(yōu)化設計得到的隱式參數(shù)化模型為基礎，對門檻梁截面的控制點進行變量取值范圍的錄制，變量錄制的過程采取歸一化方法。門檻截面控制點作為變量的錄制過程，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(tài)。為了確保組成截面的板件不相交，因此要定義區(qū)域離散線上點之間的約束關系。引入中間變量并推導其取值范圍，保證在尋優(yōu)過程中各變量組合滿足形狀約束條件。
4.3 設計優(yōu)化過程的集成
該截面形狀優(yōu)化設計通過在軟件iSIGHT中搭建基于靜態(tài)性能的優(yōu)化集成系統(tǒng)平臺，后臺自動調(diào)用隱式參數(shù)化建模軟件 SFE CONCEPT、數(shù)據(jù)處理軟件Matlab及求解器NASTRAN，提取性能參數(shù)儲存于數(shù)據(jù)庫中。
4.4 優(yōu)化結果
通過自動尋優(yōu)得到截面控制點位置與板厚的最佳組合，初始狀態(tài)與優(yōu)化后的截面形狀對比，其中，外板的厚度為0.8 mm，中間板厚度為2.2 mm，內(nèi)板厚度為 2.0 mm。優(yōu)化前后門檻梁的性能對比，可看出在一階扭轉模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉剛度這三個性能不降低的前提下，實現(xiàn)了門檻梁質(zhì)量減輕7.8%的輕量化目標。
5 結束語
在車身框架形狀結構優(yōu)化后的模型基礎上，對車身關鍵截面設計可行域采用離散化的方法，將截面形狀的設計轉化為截面控制點的最佳位置搜索。搭建靜態(tài)性能驅動截面形狀設計的優(yōu)化集成系統(tǒng)平臺，以部分控制點的坐標值、中間變量值、板厚作為優(yōu)化變量，以一階扭轉模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉剛度為性能約束，質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，整個過程實現(xiàn)無人干預。該截面正向開發(fā)方法在不降低車身框架形狀優(yōu)化設計后模型的靜態(tài)性能下，實現(xiàn)了車身輕量化的目標。
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