隱式參數(shù)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)輕量化研究

楊旭，劉瑩，喬鑫

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隱式參數(shù)化發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋結(jié)構(gòu)輕量化研究

楊旭，劉瑩，喬鑫

（華晨汽車(chē)工程研究院，遼寧 沈陽(yáng) 110141）

在汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)SFE Concept隱式參數(shù)化建模軟件搭建發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的參數(shù)化模型。以發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)板縱梁位置和內(nèi)板厚度為設(shè)計(jì)變量，聯(lián)合Isight建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度自動(dòng)化分析流程。通過(guò)分析計(jì)算得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋設(shè)計(jì)變量組合樣本的結(jié)果并建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似模型，采用Pointer算法對(duì)模型進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，在保證發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋模態(tài)，彎曲剛度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)的前提下得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋輕量化設(shè)計(jì)方案，艙蓋重量在原有基礎(chǔ)上下降了3.2%。

發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋；SFE Concept；Isight；近似模型；輕量化

前言

隨著汽車(chē)的總量越來(lái)越高，汽車(chē)尾氣排放所引發(fā)的環(huán)境問(wèn)題愈發(fā)明顯。有研究表明，汽車(chē)的尾氣排放和油耗與汽車(chē)的質(zhì)量有一定關(guān)系，汽車(chē)質(zhì)量下降10%，尾氣CO2排放量下降13%，油耗下降6~8%，因此汽車(chē)輕量化越來(lái)越受到人們的重視[1]。汽車(chē)輕量化設(shè)計(jì)即在汽車(chē)減重的過(guò)程其剛強(qiáng)度及安全性能均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)及法律法規(guī)要求。汽車(chē)的輕量化技術(shù)，主要包括汽車(chē)輕量化材料的使用，先進(jìn)制造工藝的應(yīng)用以及汽車(chē)前期開(kāi)發(fā)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)等[2]。隨著技術(shù)的發(fā)展，汽車(chē)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以在概念設(shè)計(jì)階段展開(kāi)：在車(chē)型預(yù)研階段，通過(guò)隱式參數(shù)化軟件SFE Concept構(gòu)建參數(shù)化模型，通過(guò)Isight搭建自動(dòng)化仿真優(yōu)化流程，為汽車(chē)早期設(shè)計(jì)提供盡可能多的有效設(shè)計(jì)方案[3]。

作為汽車(chē)車(chē)身主要覆蓋件，汽車(chē)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋除了保證汽車(chē)外形美觀外，還應(yīng)具有足夠的剛強(qiáng)度和穩(wěn)定性[4]。雖然性能十分重要，但在開(kāi)發(fā)過(guò)程中還要盡可能避免性能的冗余，降低開(kāi)發(fā)成本，這就需要設(shè)計(jì)人員在開(kāi)發(fā)前期對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化，找到比較合理的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案。

本文通過(guò)SFE Concept建立了發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的參數(shù)化模型，聯(lián)合Isight建立了自動(dòng)化分析流程。通過(guò)樣本分析結(jié)果得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似計(jì)算模型并建立優(yōu)化分析流程，以發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋模態(tài)和剛度為約束，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，經(jīng)過(guò)多輪優(yōu)化得到發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋最終的輕量化設(shè)計(jì)方案。

1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋參數(shù)化建模

1.1 參數(shù)化模型建立

SFE Concept作為一款隱式全參數(shù)化建模軟件，功能十分強(qiáng)大，在調(diào)整模型變量的同時(shí)可以保證模型的拓?fù)潢P(guān)系，同時(shí)可以生成高質(zhì)量的有限元網(wǎng)格，便于分析計(jì)算[5]。發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋參數(shù)化模型如圖1所示。

圖1 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋參數(shù)化模型

1.2 變量錄制

由SFE Concept構(gòu)建的參數(shù)化模型，影響其結(jié)構(gòu)特性的點(diǎn)坐標(biāo)、線曲率、材料屬性等均可以作為變量進(jìn)行錄制，錄制后的變量可以通過(guò)mac文件導(dǎo)出。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)板左右縱梁前后位置和內(nèi)板厚度為變量進(jìn)行錄制，如圖2所示。

圖2 發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋變量錄制

2 自動(dòng)化分析流程建立

Isight是一個(gè)功能強(qiáng)大的計(jì)算機(jī)輔助優(yōu)化平臺(tái)，具備廣泛的CAD/CAE乃至自編程序接口。用戶(hù)可以通過(guò)Isight集成和管理復(fù)雜的仿真流程，運(yùn)用多種優(yōu)化算法自動(dòng)探索得到優(yōu)化方案，縮短產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低開(kāi)發(fā)成本[6]。

2.1 模態(tài)，質(zhì)量自動(dòng)化分析流程

DOE樣本確定。確定以發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋內(nèi)板左右縱梁前后位置和內(nèi)板厚度3個(gè)變量為因子，每個(gè)因子取4個(gè)水平，選擇全因子實(shí)驗(yàn)，如表1所示。0代表初始狀態(tài)，內(nèi)板厚度0.6mm；1代表左右縱梁前后位置向外側(cè)移動(dòng)10mm，內(nèi)板厚度減薄0.1mm，依此類(lèi)推。

表1 DOE樣本矩陣

通過(guò)Isight中的Simcode和DOE組件，建立模態(tài)，質(zhì)量自動(dòng)化分析流程，如圖3所示。流程中DOE生成樣本，將變量信息傳遞給SFE Concept并驅(qū)動(dòng)SFE生成有限元模型并提交給NASTRAN進(jìn)行分析計(jì)算，循環(huán)往復(fù)直至全部樣本計(jì)算完成，得到DOE計(jì)算樣本結(jié)果。

2.2 彎曲剛度自動(dòng)化分析流程

采用相同的DOE樣本，通過(guò)Isight建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋彎曲剛度自動(dòng)化分析流程，如圖4所示。整個(gè)流程的驅(qū)動(dòng)計(jì)算同模態(tài)質(zhì)量分析流程類(lèi)似，通過(guò)計(jì)算得到DOE樣本計(jì)算結(jié)果。

圖4 彎曲剛度自動(dòng)化分析流程

3 近似模型建立

近似模型主要是通過(guò)數(shù)學(xué)模型的方法來(lái)逼近輸入變量與輸出變量的一種方法。近似模型的使用加快了優(yōu)化求解的速度。

3.1 模態(tài)，質(zhì)量近似模型

圖5 模態(tài)，質(zhì)量近似模型流程

構(gòu)建近似模型的方法主要有響應(yīng)面法，神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法和克里格法等。本文采用響應(yīng)面法構(gòu)建模態(tài)，質(zhì)量的近似模型。如圖5所示為模態(tài)，質(zhì)量近似模型構(gòu)建流程。

根據(jù)計(jì)算樣本數(shù)據(jù)，以頻率，質(zhì)量為響應(yīng)，以?xún)?nèi)板縱梁前后位置和內(nèi)板厚度為變量，采用二次響應(yīng)面構(gòu)建近似模型，其中多項(xiàng)式的項(xiàng)x01，x02，x03分別表示變量BM_FRONT，BM_REAR，INNER_THICKNESS，對(duì)近似模型進(jìn)行誤差分析，頻率和質(zhì)量的總誤差均大于R-Squared的檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)0.9，認(rèn)為所建立的近似模型滿足精度要求，可以在后續(xù)優(yōu)化流程中使用，詳見(jiàn)圖6所示。

（a）頻率響應(yīng)近似模型

（b）質(zhì)量響應(yīng)近似模型

（c）誤差檢測(cè)

3.2 彎曲剛度近似模型

建立彎曲剛度近似模型流程，進(jìn)行誤差分析，如圖7，8所示。

圖7 彎曲剛度近似模型流程

（a）彎曲剛度響應(yīng)近似模型

（b）誤差檢測(cè)

圖8 彎曲剛度近似模型及誤差

4 優(yōu)化

以模態(tài)，質(zhì)量和彎曲剛度的近似模型為基礎(chǔ)，構(gòu)建發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的優(yōu)化流程，如圖9所示。在優(yōu)化模塊中，選擇Pointer優(yōu)化器，自動(dòng)捕捉設(shè)計(jì)空間信息，自動(dòng)組合四種優(yōu)化算法，包括單純形法、序列二次規(guī)劃法、最速下降法和遺傳算法，將其形成一個(gè)最優(yōu)的優(yōu)化策略[6]。以BM_FRONT，BM_REAR和INNER_THICKNESS為變量，其中BM_FRONT和BM_REAR以0.5為增量步，范圍0~3；INNER_THICKNESS保持與原來(lái)相同，約束條件設(shè)置為彎曲剛度bending_ stiffness：250~260N/mm，模態(tài)頻率值freq：22~22.5Hz，以質(zhì)量最小為目標(biāo)，進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算，最后得到結(jié)果如表2所示。

圖9 彎曲剛度近似模型及誤差

表2 優(yōu)化結(jié)果

由表2可知，在滿足發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋彎曲剛度和模態(tài)目標(biāo)值的情況下得到優(yōu)化后的模型方案，BM_FRONT，BM_REAR和INNER_THICKNESS取值分別為3、3、0.5，計(jì)算剛度值為256.07N/mm，模態(tài)為22.001Hz，質(zhì)量為0.018614t，與相同狀態(tài)模型的有限元分析結(jié)果十分接近，誤差絕對(duì)值在0.1%以?xún)?nèi)，證明了近似模型的計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確性；與優(yōu)化前模型的最初狀態(tài)相比，發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋剛度和模態(tài)均有所下降，但均在預(yù)期控制的范圍內(nèi)，有效的避免了性能設(shè)計(jì)的冗余，同時(shí)優(yōu)化后發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋的重量下降了約0.6Kg，降幅約為原始總量的3.2%，達(dá)到輕量化目的。

5 結(jié)論

（1）借助SFE Concept隱式參數(shù)化建模軟件，搭建發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋參數(shù)化模型，可以保證在改變模型變量的同時(shí)保留模型的拓?fù)潢P(guān)系，真正意義上實(shí)現(xiàn)了模型的全參數(shù)化。

（2）聯(lián)合Isight建立發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋自動(dòng)化計(jì)算流程，通過(guò)建立近似模型的方法來(lái)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)艙蓋進(jìn)行優(yōu)化，在滿足性能目標(biāo)又避免性能設(shè)計(jì)冗余的情況下找到了模型輕量化合理的設(shè)計(jì)方案。

（3）SFE Concept與Isight聯(lián)合仿真，真正意義上實(shí)現(xiàn)了在概念設(shè)計(jì)階段對(duì)設(shè)計(jì)方案的快速驗(yàn)證與優(yōu)化，縮短了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期，降低了產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)成本，對(duì)今后其它產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)起到指導(dǎo)作用。

[1] JOHN S. World vehicle population tops 1 billion units[EB/OL].[2011 -08-15].http://wardsauto.com/ar/world_vehicle_population_110815.

[2] 范子杰,桂良進(jìn),蘇瑞意.汽車(chē)輕量化技術(shù)的研究與進(jìn)展[J].汽車(chē)安全與節(jié)能學(xué)報(bào),2014,5（1）:1-16.

[3] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開(kāi)發(fā)流程的車(chē)身輕量化設(shè)計(jì)[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào),2015,5（6）:461-465.

[4] 黃天澤,黃金陵.汽車(chē)車(chē)身結(jié)構(gòu)與設(shè)計(jì)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社, 1992.

[5] SFE GmbH. SFE CONCEPT V4.2 Books[G].2010.VOLZ.

[6] 賴(lài)宇陽(yáng).ISIGHT參數(shù)化理論與實(shí)例詳解[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2012.

Research on Light Weight Of Implicit Parametric Engine Hood Structure

Yang Xu, Liu Ying, Qiao Xin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

Build engine hood parametric model through SFE Concept implicit modeling software at the engine hood conceptual design stage. Taking the longitudinal beam location and the inner cover plate thickness of the engine hood as design variables, combine Isight to build automatic analysis process of engine hood modal, mass and bending stiffness. Through the process to get the result of the hood design variables’ composite samples, which is used to build the approximation models of the engine hood modal, mass and bending stiffness. Optimizing the model by algorithm of Pointer, obtain the lightweight design project on the premise of meeting the demand of engine hood modal and bending stiffness, the hood weight fell by 3.2 percent on the original basis.

engine hood;SFE Concept; Isight;approximation model; lightweight

A

1671-7988(2018)18-179-04

U462

A

1671-7988(2018)18-179-04

CLC NO.: U462

楊旭，男，碩士，工程師，主要研究方向?yàn)榻Y(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.18.061