基于達索系統(tǒng)SIMULIA Isight的汽車扭轉(zhuǎn)梁參數(shù)化設(shè)計方法

許諾，曹露芬，李華斌，翁洋，王光耀，孫成智

上海汽車集團股份有限公司乘用車技術(shù)中心
 

摘要：本文提出基于Isight的參數(shù)化設(shè)計方法，優(yōu)化得到的扭轉(zhuǎn)梁滿足操穩(wěn)性能和耐久性能的要求，同時方案具備較好的輕量化意義。利用Isight軟件，集成SFE、Nastran、ncode、Abaqus，完成剛度、耐久及強度多目標自動化優(yōu)化，縮短了90%的優(yōu)化周期。
 

關(guān)鍵字：扭轉(zhuǎn)梁；參數(shù)化；多目標自動化優(yōu)化
 

0 前言

當(dāng)前，汽車行業(yè)競爭愈發(fā)激烈，如何縮短汽車產(chǎn)品的設(shè)計周期，提高設(shè)計效率，成為所有汽車企業(yè)研究的重點[1]。王平等[2]運用多目標遺傳算法結(jié)合多學(xué)科協(xié)同優(yōu)化對車身吸能部件板厚及車門屈服應(yīng)力作為變量，進行多目標優(yōu)化設(shè)計；李錦等[3]基于靈敏度分析方法，以副車架部件厚度作為優(yōu)化變量，進行強度和模態(tài)多目標優(yōu)化；蔣榮超等[4]基于網(wǎng)格變形技術(shù)，對開口梁進行了形狀變量和厚度變量設(shè)計，以質(zhì)量、疲勞、剛度為優(yōu)化目標進行了優(yōu)化設(shè)計。而對于結(jié)構(gòu)較復(fù)雜的汽車扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)，國內(nèi)外關(guān)于其選型及形狀參數(shù)化設(shè)計的研究則少見報道[1-5]。

扭轉(zhuǎn)剛度是扭轉(zhuǎn)梁重要的固有性能之一，決定了扭轉(zhuǎn)梁在輪心反向跳動時抗扭轉(zhuǎn)能力。反映到整車車輛特性上，扭轉(zhuǎn)梁自身的扭轉(zhuǎn)可以有效降低車身側(cè)傾，扭轉(zhuǎn)剛度越大，對車身側(cè)傾減小程度越大；但是扭轉(zhuǎn)剛度過大，會影響整車平順性。在不同車型開發(fā)過程中，整車操穩(wěn)性能要求的側(cè)傾剛度隨軸荷不同而要求不同。對于高軸荷車，因為側(cè)傾剛度要求較高，帶來扭轉(zhuǎn)剛度和彈簧剛度要求較大。扭轉(zhuǎn)剛度增大的方法從扭梁結(jié)構(gòu)方面，主要包括形狀和尺寸變量，變量提升都會帶來質(zhì)量及成本的提升。因此，滿足輕量化要求的扭轉(zhuǎn)梁后橋需要具備在質(zhì)量較輕的同時具備較大的扭轉(zhuǎn)剛度。
 

1 扭轉(zhuǎn)梁截面參數(shù)化模型建立
 

由扭轉(zhuǎn)梁剛度公式可得到關(guān)鍵因子為外闊尺寸、尺寸變量及形狀變量。

如圖1所示閉口梁參數(shù)化模型，可實現(xiàn)形狀一定范圍內(nèi)快速變化。

圖1 參數(shù)化模型

Fig.1 Parametric model 

如圖2,3所示，開口梁參數(shù)化變量主要包括外闊尺寸、形狀變量、尺寸變量。形狀變量包括三個截面的高度和寬度，第二截面和第三截面的位置，以及開口方向（開口向下到開口向前連續(xù)變化），這些變量共同決定了橫梁應(yīng)力的趨勢及剛度大小。尺寸變量包括橫梁和縱臂厚度，橫梁厚度直接影響扭梁剛度及耐久性能；而縱臂厚度直接影響濫用性能。

 

圖2 截面選取定義

Fig.2 Section Selection Definition

圖3 截面參數(shù)化示意圖

Fig.3 Section parametric diagram

扭轉(zhuǎn)梁參數(shù)化模型需覆蓋車型的輪距范圍，并滿足現(xiàn)有車身連接點與輪心相對位置的要求。如表1，對輪距和縱臂長度實現(xiàn)范圍選擇。輪距范圍為1400-1800mm。縱臂長度，范圍為400-500mm。

表1 參數(shù)化變量取值范圍

Table.1 Parametric value range

2 基于Isight設(shè)計流程

DOE設(shè)計方法選擇優(yōu)化超拉丁方方法。拉丁方試驗設(shè)計將因素按水平豎排一個隨機矩陣，即拉丁方矩陣，在同一列中任何因素的水平均無重復(fù)。如圖4所示，優(yōu)化拉丁方試驗設(shè)計方法采用正交性較好的初始解，綜合考慮拉丁方矩陣的正交性和均勻性。

圖4 優(yōu)化超拉丁方方法選點方法

Fig.4 Optimal Latin Hypercube sampling method

分別對9個形狀變量及2個尺寸變量按照優(yōu)化超拉丁采樣試驗，共1000個試驗以求得最優(yōu)解。優(yōu)化工況為剛度要、耐久、濫用變形性能要求，優(yōu)化目標為質(zhì)量最小。優(yōu)化方法如下：

圖5 自動化優(yōu)化流程

Fig.5 Automatic optimization flow

3 扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化最優(yōu)結(jié)構(gòu)

通過DOE優(yōu)化，得到了形狀和尺寸變量最優(yōu)解，其結(jié)果如表2所示：

表2 參數(shù)最優(yōu)解

Table.2 Parametric optimized value

如圖6中原結(jié)構(gòu)與優(yōu)化結(jié)構(gòu)對比圖所示，紅色部分為優(yōu)化結(jié)構(gòu)，藍色部分為原結(jié)構(gòu)，可以發(fā)現(xiàn)優(yōu)化的結(jié)構(gòu)橫梁兩端抬高，更強的抗扭能力有效降低橫梁應(yīng)力，耐久性能更優(yōu)。相較于傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化設(shè)計流程，設(shè)計周期從3周減少為2天，縮短了90%的優(yōu)化周期，極大地提升了扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計的周期與效率。

圖6 優(yōu)化結(jié)構(gòu)對比圖

Fig.6 base and optimized structure diagram

4 最優(yōu)參數(shù)性能驗證

扭轉(zhuǎn)梁性能要求主要包括操穩(wěn)及耐久性能。其中操穩(wěn)對扭轉(zhuǎn)梁結(jié)構(gòu)件的要求可以分解到剛度要求上，剛度主要包括扭轉(zhuǎn)剛度、縱向剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、彈簧安裝點剛度、減震器安裝點剛度。而扭梁扭轉(zhuǎn)剛度和彈簧剛度決定了扭轉(zhuǎn)梁后懸架的側(cè)傾剛度，側(cè)向剛度決定了后懸架的橫向剛度。

從表3中性能結(jié)果表可見，包括扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、彈簧安裝點剛度、減震器安裝點剛度全部滿足目標值。

表3 性能結(jié)果表

Table.3 Function result

優(yōu)化方案的試制樣件，經(jīng)過臺架考核后，可以看到試驗結(jié)果均滿足20萬次的目標值，如表4和圖7所示。因此，該優(yōu)化方案可以同時滿足低頻扭轉(zhuǎn)耐久壽命要求。

表4 臺架試驗結(jié)果

Table.3 Rig-test result

圖7 臺架驗證

Fig.7 Rig-test validation

綜上所述，基于Isight的參數(shù)化設(shè)計而得的汽車扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化結(jié)構(gòu)，其操穩(wěn)及耐久性能都得到優(yōu)化的同時，輕量化意義也得到了進一步提升。

5 結(jié)論

（1）基于Isight的參數(shù)化設(shè)計方法優(yōu)化得到的扭轉(zhuǎn)梁，經(jīng)過臺架驗證，發(fā)現(xiàn)扭轉(zhuǎn)剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、彈簧安裝點剛度、減震器安裝點剛度，以及耐久性能全部滿足要求，同時方案具備較好的輕量化意義。

（2）基于Isight的汽車扭轉(zhuǎn)梁參數(shù)化設(shè)計方法，相較于傳統(tǒng)的扭轉(zhuǎn)梁優(yōu)化設(shè)計流程，縮短了90%的優(yōu)化周期，極大地提升了扭轉(zhuǎn)梁設(shè)計的周期與效率。

參考文獻

[1] 宋凱,段利斌,陳濤,陳艾國.全參數(shù)化概念車身協(xié)同開發(fā)與快速化結(jié)構(gòu)設(shè)計研究[J].中國機械工程,2014,3(25):6

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[2] 王平,鄭松林,吳光強.基于協(xié)同優(yōu)化和多目標遺傳算法的車身結(jié)構(gòu)多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計[J].機械工程學(xué)報,2011,1(47):2

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