基于網格變形技術的概念設計階段白車身性能評估方法研究

羅慧娟，鄧文字，黃炎

(上汽通用五菱汽車股份有限公司技術中心，廣西柳州 545007)

0 引言

市場的競爭壓力促使汽車生產企業壓縮新產品的開發周期，這使得基于平臺的車型開發模式成為必須。基于平臺的車型開發模式，在已有成熟車型的基礎上根據消費者的需求快速開發出改型設計和系列化設計車型。與開發全新車型相比，這種模式周期短，直接基于平臺基礎車型進行詳細結構設計。開發周期縮短也使現有的CAE分析技術受到沖擊。現有的CAE技術依賴CAD數據，對于直接發布詳細設計數據的改款車，意味著數據發布之前即概念設計階段，無法評估新車型的性能。如果等到數據發布后才發現設計方案存在性能問題，修改設計方案會嚴重影響項目進度。

在基于平臺的車型開發模式下，如何在概念設計階段運用CAE技術對方案進行性能評估，降低發布數據時關鍵性能不達標的風險，成為縮短車型開發周期的關鍵。

網格變形技術將一個給定對象光滑、連續地變換成目標對象，實現源對象和目標對象在形狀上的漸變和過渡。此技術可直接對有限元模型進行修改，避免了仿真對CAD數據的過度依賴。基于平臺的車型改型設計思路基本有3種：(1)在不修改白車身主結構的前提下修改局部外造型；(2)更改車寬、車高、軸距、輪距；(3)兩廂、三廂及SUV 系列化。由此可看出，同一平臺車型的車身結構具備一定相似度，在缺乏詳細的新車型CAD數據的情況下，通過網格變形方法改變已有基礎車型CAE模型的形狀和尺寸，可以快速構建新車型的CAE模型。

為縮短產品開發周期，在新車型開發流程中，特別是基于平臺的改型設計流程中引入適用于概念設計階段CAE分析技術十分必要。文中主要探討在概念設計階段運用網格變形技術改變基礎車型有限元模型，以高效地獲得新車型的有限元模型的方法，從而在概念設計階段預測新車型的性能指標。

1 網格變形技術

國外從20世紀八十年代初就開始了對網格變形技術的研究，在汽車零部件的局部形狀優化方面已經有比較成熟的應用。目前，已有學者開始關注和探索網格變形技術在車型的改型設計中的應用。

網格變形技術中的節點可分為控制節點、變形節點和固定節點3種類型。控制節點通過平移、旋轉、比例縮放和投影等方式進行操縱，控制節點引導可變形節點運動，從而驅動緩沖區的網格變形；固定節點用來定義網格中變形區的邊界，在變形過程中固定不動；可變形節點隨控制節點運動，其位移由控制節點和變形形狀函數決定。由公式(1)—(3)可以計算變形節點變形后的坐標：

(1)

(2)

f(ΔControl)=f(Δ,φ,φ)

(3)

DEP Meshworks /Morpher(以下簡稱Morpher)是一款網格變形軟件，提供2種網格變形方式：自由變形和基于控制塊的變形。自由變形是直接對網格進行變形，通過選取合適的控制節點和控制參數(φ,ψ)，可直接對網格進行連續光滑的變形；基于控制塊方式的操作對象是控制塊，控制塊包絡了網格，通過移動控制塊頂點進而改變控制塊尺寸的方式來實現控制塊內部網格變形。

在已知具體變形尺寸的情況下，通過建立控制塊，合理分配控制塊的各個子塊，基于控制塊變形的方式可以精確地改變基礎模型的外形。因此，文中采用基于控制塊的方式對基礎車進行變形。

2 網格變形技術在改型車概念設計階段的應用

以某型車根據市場反饋的不滿意項進行改選設計為例，將原型車作為基礎車，改型車作為目標車。首先，根據目標車的開發方案及結構變化制定變形方案，對基礎車的白車身有限元模型進行網格變形，得到目標車的概念設計階段有限元模型；其次，分析該模型的靜剛度性能指標，并與目標車在傳統開發流程中的第一版詳細設計數據的靜剛度性能進行對比，分析誤差，從而驗證方法的可行性。

2.1 目標車的開發方案

根據市場反饋，目標車型在基礎車上做出的調整：加寬、加長車身、降低車高、減輕質量。具體描述如下：

(1)整車加長80 mm，其中軸距不變，前懸加長50 mm，后懸加長30 mm；

(2)車身加寬30 mm；

(3)車高降低55 mm；

設置參數取值范圍時需考慮3個方面：避免機械干涉、避免優化過程出現畸形結構、保持基座緊湊性。在實際應用中，鉸鏈具有一定尺寸，為避免鉸鏈間發生干涉，連桿長度應具有下限。其中，l1的下限還需略微提高以預留位置用來添加限位銷。夾持器的最大開口范圍G=110 mm。為保證夾持器在優化過程中不出現畸形結構，需分別對各連桿長度設定上限及下限。角度β與基座尺寸大小正相關，為避免基座尺寸過大，應給予上限限制。綜上分析并結合實際經驗，夾持器各設計變量取值范圍如表4所示。

(4)在基礎車的基礎上減輕質量20 kg。

目標車的CAS面與基礎車相比，整車尺寸差別如圖1所示(深色代表基礎車，淺色代表目標車)。

2.2 基礎車的變形方案

基礎車的有限元模型如圖2所示，其單元質量要求如表1所示。網格變形后不僅要求滿足單元質量要求，而且要求不需要進行模型調試即可直接提交計算。

圖2 基礎車有限元模型

最小邊長/mm4.00扭曲度/(°)60.00最大邊長/mm30.00雅可比0.60縱橫比3.00弦差1.00翹曲角/(°)15.00三角形比例15.00

目標車的CAS面與基礎車相比，所涉及的重要截面改變描述如圖3和表2所示。

圖3 重要截面改變

相關截面變形描述變形方式A-A前防撞梁前移50 mm(前懸加長50 mm)基于控制塊變形B-B尾端梁后移30 mm(后懸加長30 mm)基于控制塊變形C-C門檻梁外移15 mm(整車加寬30 mm)基于控制塊變形D-D前門上邊梁Z向降低40 mm,Y向加寬40 mm基于控制塊變形E-E中門上邊梁Z向降低45 mm,Y向加寬28 mm基于控制塊變形F-F后側窗上邊梁Z向降低50 mm基于控制塊變形

2.3 基礎車白車身有限元模型的網格變形

從基礎車到目標車的變化除了整車長寬高外，還涉及整車質量減輕。首先利用Morpher完成網格變形，再通過改變關鍵板厚的方法調整整車質量。基礎車網格變形的順序為：先調整前后懸長度使整車長度符合目標車；其次調整寬度尺寸；最后調整上邊梁的位置，使整車高度符合要求。

以A-A截面為例，描述基于控制塊使前防撞梁從基礎車變形為目標車的過程。

(1)根據變形描述確定發生變形的零件范圍，如圖4(a)所示；

(2)根據零件的變形范圍，建立原始控制塊，包含變形零件，且合理分配各個子塊，確保模型變形前后網格變化連續、均勻，如圖4(b)所示；

(3)將原始控制塊與需要變形的網格進行關聯，確定控制節點和固定節點，通過移動控制塊的控制節點驅動網格變形，如圖4(c)、4(d)、4(e)所示；

(4)變形后的前防撞梁如圖4(f)所示，將完成變形后的控制塊保存為變形控制塊。

圖4 基于控制塊的截面A-A的變形過程

按類似方法完成截面B-B、C-C、D-D、E-E、F-F的原始控制塊如圖5所示。

建立截面A-A、B-B、C-C、D-D、E-E、F-F的原始控制塊后，將原始控制塊與需要變形的網格進行關聯，確定控制節點和固定節點，通過移動控制塊的控制節點驅動網格變形，可得到目標車的有限元模型。基礎車和目標車的模型對比如圖6所示(深色代表基礎車，淺色代表目標車)。

圖5 原始控制塊

圖6 基礎車和目標車的白車身有限元模型對比

網格變形后，模型整體變化平緩，單元尺寸過渡均勻。經檢查網格質量符合標準，并可直接提交計算。

2.4 調整關鍵板件厚度

由于目標車與基礎車的結構相似，主要采取減板厚的方式進行減輕質量設計。在概念設計階段擬減薄的板件如表3所示，參照其進行變形后模型的厚度調整，得到目標車的概念設計階段有限元模型。

表3 基礎車減重清單 mm

3 目標車白車身剛度性能分析及對比

白車身的剛度是汽車的重要力學性能之一。如果車身剛度不足，會對汽車的碰撞性能、NVH性能以及耐久性能等造成影響。因此，通過網格變形技術建立目標車有限元模型后，首先進行白車身結構的靜剛度分析，分析結果與目標車在傳統開發流程中的第一版詳細數據的白車身靜剛度進行對比，結果如表4所示。

表4 白車身靜剛度對比

由表4可以看出：利用變形軟件將基礎車按照目標車的總布置參數及CAS面變形，所得到模型的分析結果與目標車所發布的第一版詳細設計數據的分析結果的誤差值均在5%以內，分析結果可用于校核與指導概念設計階段的相關工作。

4 結論

(1)在平臺改款車的概念設計階段, 利用網格變形技術得到有限元模型的分析結果與正式數據模型的結果誤差較小，分析結果可信度高，可用于指導概念設計階段的相關工作；

(2)基于網格變形的概念設計階段白車身靜剛度分析，打破了開發過程中CAE分析對CAD數據的依賴性，可做到分析指導設計；

(3)該方法用于平臺改型車的概念設計階段，可以保證正式數據發布時不出現關鍵性能不達標的問題，為縮短開發周期，避免設計反復提供了保障。