基于隱式參數化建模的發動機艙蓋結構優化

王峻峰，印明勛，喬鑫

基于隱式參數化建模的發動機艙蓋結構優化

王峻峰，印明勛，喬鑫

（華晨汽車工程研究院，遼寧 沈陽 110141）

為提升某發動機艙蓋模態頻率與剛度性能，建立隱式參數化模型。以結構在不同約束或加載位置下表現出不同的剛度性能為依據，研究此發動機艙蓋的緩沖塊在不同位置處對剛度性能的影響。將此作為設計變量，結合發動機艙蓋斷面尺寸，支撐梁位置設計變量進行多目標優化并研究了各變量對性能的影響。結果表明，緩沖塊沿整車坐標系下的X向及Y向移動，對各項剛度性能均有不同程度的影響。同時，多目標優化對彎曲剛度及前角剛度性能有明顯的提升，獲得了更為合理的結構。

隱式參數化；發動機艙蓋；緩沖塊；多目標優化

前言

縮短開發周期，加快產品設計與驗證速度對于汽車企業來說是提升競爭力的有效手段之一。傳統的“CAD方案—CAE驗證—方案修改—驗證……”過程十分繁雜、耗時[1]。隱式參數化建模技術使得CAE分析在無CAD數據的前提下提前進入到開發早期階段，通過建立全參數化模型，快速實現設計人員想要的設計方案并自動生成滿足分析需求的網格，完成CAE分析，獲得相關性能。同時，可變的參數化模型可以嵌入到優化分析流程中，實現對結構各部位尺寸，形狀的最優化設計。

目前，汽車結構優化一般從零件的尺寸，形狀，以及厚度等方面進行，但對于剛度非均勻分布的結構來說，其支撐位置與受力位置的布置對結構的綜合性能影響也是不可忽視的，因而需要將這兩個因素考慮到優化分析中。另外，隱式參數化建模技術多用于白車身的建模，分析與優化中，如文獻[2-5]等探討了隱式參數化建模技術在白車身開發中的應用與優化方法，但是隱式參數化技術在汽車其它結構方面的應用研究較少。

本文以某發動機艙蓋為研究對象，利用SFE-Concept軟件建立較為詳細的發動機艙蓋參數化模型，以作為發動機艙蓋分析加載或約束的緩沖塊位置為變量，研究其位置變化對結構剛度性能的影響趨勢，為緩沖塊的布置提供依據。同時，再結合發動機艙蓋兩側與后部結構斷面變量，縱向支撐梁的角度與寬度變量，從結構變化的角度對發動機艙蓋進行了多目標的外形與尺寸優化，使得此發動機艙蓋結構更加合理。最后，研究了各個變量對各項性能的影響，為后續單項性能的優化提供參考方向。

2 隱式參數化模型與變量定義

2.1 發動機艙蓋參數化模型

利用SFE-Concept建模軟件，將發動機艙蓋結構分解為梁與接頭這兩種形式的基本模型單元，通過MAP功能建立發動機艙蓋中的加強件與內外板之間的連接關系，實現隱式參數化發艙蓋的建立，如圖1所示。

圖1 隱式參數化發動機艙蓋模型

2.2 變量的錄制

圖2 優化變量位置說明

表1 優化變量的變化范圍

利用隱式參數化模型的好處之一是可以實現結構各部位在空間中的位置與形狀的改變，同時保持各零部件之間的連接關系保持不變，而這些變化可作為優化分析的變量。本文以發動機蓋緩沖塊位置，發動機艙蓋兩側結構斷面，發動機艙蓋后部結構斷面尺寸，縱向支撐梁的位置與寬度為變量，每個變量以5mm為一步進行變量的錄制，各變量位置說明圖2所示。根據布置要求等相關設計限制，制定的各變量變化范圍如表1所示。

2.3 分析工況定義說明

發動機艙蓋作為汽車不可缺少的結構之一，對其重量，行人保護，隔熱隔音，振動及剛度方面均有要求。本文僅從發動機艙蓋的模態及剛度性能角度進行考察與優化。對于模態，考察自由模態，主要關心結構一階扭轉振型下的模態頻率，即此發動機艙蓋的一階頻率。對于剛度分析，主要以扭轉變形與彎曲變形的形式對發動機艙蓋剛度進行考察。由于發動機艙蓋安裝在車身上，其受力主要來自車身，并通過鉸鏈安裝點，緩沖塊及發動機蓋鎖將載荷傳遞到發動機艙蓋上，因而，通常情況下，對其剛度的考察一般以這些位置作為加載或約束點。各個剛度工況考察方式如圖3所示。

圖3 剛度分析工況說明

3 緩沖塊位置對剛度性能的影響

3.1 加載與支撐位置對結構剛度性能的影響

由簡支梁撓度公式可知，當載荷位于梁的中間位置，且結構的彈性模量，慣性矩以及承受的載荷不變時，如圖4所示，其最大撓度與支撐點之間的跨距成三次方正比，跨距越大，最大撓度越大。如公式（1）所示。

圖4 載荷位于簡支梁中間

式中：ωmax為最大撓度，E為彈性模量，I為慣性矩，F為載荷，L為左右支撐點之間的跨距。

式中：ωmax為最大撓度，E為彈性模量，I為慣性矩，F為載荷，L為左右支撐點之間的跨距，a為載荷距左側支撐點距離，b為載荷距右側支撐點距離。

基于以上理論，當結構的支撐位置及載荷施加的位置不同時，其加載點處的撓度是不同的，作為載荷與加載點處的撓度比值的剛度值也不同。因而，合理布置結構支撐位置和載荷施加位置是提升結構彎曲剛度性能的一種手段。

在發動機艙蓋設計中，緩沖塊位置不屬于設計中的硬點，即不可改變的位置，因而可以調整其位置。同時發動機艙蓋關閉后需要通過緩沖塊與水箱橫梁接觸，以起到緩沖與支撐作用，其位置的變化范圍應考慮水箱橫梁接觸面的尺寸限制，從而對該變量的變化范圍產生限制。

3.2 緩沖塊位置對各剛度性能的影響

根據表1中緩沖塊X向和Y向變化范圍及5mm為一個步距，分別計算出緩沖塊沿X向移動和Y向時各個位置下發動機艙蓋的各項剛度性能。從分析結果中可以看出，當兩側緩沖塊同時沿整車X向移動時，此發動機艙蓋的彎曲剛度，前角剛度，側邊中部剛度及扭轉剛度均成線性變化趨勢，且沿X負向移動，即車前方向移動，其剛度值越低。對后中部剛度來說，基本無影響。從幅值變化程度來看，其對彎曲剛度及前角剛度影響程度較大。如圖6所示。

圖6 緩沖塊X向移動對剛度性能的影響

當兩側緩沖塊同時沿整車Y向移動時，此發動機艙蓋的彎曲剛度，前角剛度，側邊中部剛度均成線性變化趨勢，且緩沖塊同時向車內方向移動時，其彎曲剛度值及前角值越高，而側邊中部剛度值越低。對后中部剛度來說，基本無影響。對扭轉剛度來說，呈先低后高的拋物線變化趨勢。從幅值變化程度來看，其對彎曲剛度及前角剛度影響程度較大。如圖7所示。

圖7 緩沖塊Y向移動對剛度性能的影響

4 發動機艙蓋多目標優化分析

4.1 優化流程與優化方法

本文以在發動機艙蓋質量不變的前提下發掘初版結構性能潛力以便指導下一輪結構設計為分析目的。基于此思路，該發動機艙蓋將以模態及各個剛度考察項的性能最大化為優化目標，以當前發動機艙蓋結構的質量為約束條件，進行多目標優化分析，使發動機艙蓋的結構布置與尺寸更為合理。

試驗設計（DOE）采用優化拉丁超立方設計方法對樣本進行抽樣，該方法使得所有的試驗點盡量均勻地分布在設計空間中，具有非常好的空間填充性和均衡性。考慮到變量數量及各個變量水平數量，樣本數量設置為50個，以確保近似模型的準確性。試驗流程如圖8所示。

圖8 試驗設計流程

常用的近似模型的構建方法有克里格模型，響應面模型及徑向基函數法等，本文經過篩選對比，最終采用二階的響應面法構建近似模型，并使用交叉驗證的方法來考察近似模型的準確性。使用決定系數R2來考察近似模型的整體精度，其越接近1表明近似精度越高，一般大于0.9可滿足近似要求[7]。經擬合，各個輸出變量的R2值分別為：模態0.994；側邊中部剛度0.991；扭轉剛度0.940；前角剛度0.971；彎曲剛度0.974；后中部剛度0.982，質量0.999。

對于多目標優化方法，本文選取非支配排序遺傳算法（NSGA-Ⅱ），該方法將目標參數分別處理，并采用標準的突變與交叉遺傳算法。篩選過程采用非支配排序和擁擠距離排序兩種主要的運算機制[8]。該方法探索性能良好，增強了帕累托前進能力。

4.2 多目標優化分析結果

多目標優化問題的各個目標之間一般是相互沖突的，其最優解不是單一解，設計人員需要從一系列的解集，即帕累托解集中進行權衡取舍，挑選出達到所允許性能要求的一個優化結果。本文經過14407次優化運算并獲得740個帕累托解。

表2 多目標優化結果

優化后的最終結構如圖9所示。與原始結構相比，左右兩側緩沖塊X向位置不變，Y向沿車內方向移動60mm，左右兩側支撐梁前端（車頭方向）同時向車內方向移動10mm，后端同時向車內方向移動25mm，且該支撐梁斷面尺寸縮小10mm，中間支撐梁斷面加寬10mm，發動機艙蓋兩側斷面尺寸同時加寬10mm，后部斷面尺寸減少10mm。

由于優化結果基于近似模型得到，與實際有限元分析結果有一定誤差，因而需要基于有限元計算重新獲得優化結構的最終性能。該發艙蓋最終模態與剛度性能如表3所示。

表3 最終性能結果

從計算結果可知，與原始性能相比，優化后的發動機艙蓋結構在彎曲剛度提升33.8%，前角剛度提升28.1%，性能提升明顯，對于其他性能來說，變化幅度不大。與表2的近似模型結果相比，誤差均在10%以內，說明該近似模型的精度較高。

5 結論

（1）使用SFE-Concept軟件的隱式參數化建模技術可以在發動機艙蓋早期的開發中構建參數化模型，錄制以結構尺寸及布置變化為主的相關變量，快速生成有限元網格進行性能分析，并嵌入到優化流程中探尋性能更優的結構，以指導后期開發階段的結構設計。

（2）作為發動機艙蓋剛度分析的約束或加載位置的緩沖塊，其所在位置對剛度性能具有一定的影響。從優化結果中可以看出，緩沖塊的Y向位置對彎曲剛度及前角剛度具有較大的影響程度。因而在設計中應合理布置緩沖塊等結構支撐與載荷施加位置，充分發揮結構的剛度性能。

（3）經過以緩沖塊，縱向支撐梁位置及其他斷面尺寸為變量進行的多目標優化分析，使得該發動機艙蓋在彎曲剛度的考察中提升了33.8%，在前角剛度的考察中有28.1%的性能提升，其他性能也有不同程度的變化。該優化過程使得發動機艙蓋的設計更加合理，尤其在結構本身性能滿足的前提下，再次合理優化結構也可為后期輕量化提供更多的減重空間。同時，對各個變量進行各項性能的影響分析可為后期開發中提升單項性能提供優化方向。

[1] 邱忠財.基于全參數化模型的車身結構設計、性能評估及優化[C] // 2015中國汽車工程學會年會論文集,北京:中國學術期刊電子出版社,2015,3:922.

[2] 王磊,劉瑩,喬鑫.基于正向開發流程的車身輕量化設計[J].汽車工程學報,2015,5(6):461-465.

[3] 王磊.基于參數化模型的車身結構優化設計// 2016 中國汽車工程學會年會論文集.北京:中國學術期刊電子出版社,2016: 1351- 1356.

[4] 王登峰,蔡珂芳,馬明輝,張帥.基于隱式參數化模型的白車身輕量化設計[J].汽車工程,2018,40(05):610-616+624.

[5] Zhou Suwei, LEE M, Cai Hongmei, et al. Upfront Body Structure Development Process Using Parametric Concept Modelling [C]. Proceeding of International Auto Body Congress(IABC), Novi, Michigan, September 19-21, 2006.

[6] 劉鴻文.材料力學(Ⅰ) [M].北京:高等教育出版社,2004:190.

[7] 朱茂桃,郭佳歡,錢洋,劉濤.基于6σ穩健性的車門多學科優化設計[J].汽車技術,2015(12):4-7.

[8] Isight5.6 Component Guide[M]. Dassault Systèmes,2011:182.

Structure Optimization of Engine Hood Based on Implicit Parametric Model

Wang Junfeng, Yin Mingxun, Qiao Xin

（Brilliance Automotive Engineering Research Institute, Liaoning Shenyang 110141）

In order to make the mass and performance of car door reasonable match and determine the reasonable structure of car door in the early design stage, an implicit parametric model of car door is built by using SFE-Concept, part size and position are taken as size variable, and parts thickness is taken as thickness variable. A ulti-objective optimization of the size optimization and thickness optimization is done by using NSGA-Ⅱ optimization algorithm within a single optimization flow. The first mode performance of the door is improved by 12.1%, and the lower stiffness performance of the door is improved by 14.4%. The mass and other performance of the door is basically the same.

implicit parameterization; engine hood; buffer block; multi-objective ptimization

U467

A

1671-7988(2019)14-141-04

U467

A

1671-7988(2019)14-141-04

王峻峰，工程師，碩士，就職于華晨汽車工程研究院，研究方向為結構耐久分析與輕量化分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.046