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基于SFE隐式参数化的车身轻量化设计

2013-11-18 21:26 1861 2 原作者: 张冬雪 许念江 曹初 彭芳 来自: 汽车与配件
简介
本文通过分析传统产品设计的流程及驱动设计理念,引出了隐式参数化模型的概念,并结合有限元网格的自动生成技术,通过建立隐式参数化模型来进行轻量化设计,实现了车身重量的进一步减轻。 随着国民经济的发展,能 ...
本文通过分析传统产品设计的流程及驱动设计理念,引出了隐式参数化模型的概念,并结合有限元网格的自动生成技术,通过建立隐式参数化模型来进行轻量化设计,实现了车身重量的进一步减轻。

随着国民经济的发展,能源短缺已经成为突出问题,无论是从社会效益还是经济效益来考虑,低油耗、低排放的汽车都是节约型社会发展的需要。国内外研究机构和专家学者对减轻汽车自重与降低燃油消耗之间的关系作了不少相应的对比研究。研究表明,轿车每减重10%,燃油消耗降低8%~10%。因此整车质量下降带来的节能减排效益是非常可观的,汽车轻量化已经成为汽车产业发展中的一项关键性研究课题。

目前有关车身结构轻量化的理论研究和实践已经取得了大量成果,但是为了提高轻量化的程度,必须在设计阶段就就将轻量化思想融入到车身结构设计中。即在设计初期就通过CAE技术对设计进行分析、评价和优化,确定可行的轻量化方案,提高设计水平。
但是由于目前的CAD/CAE模型本身在参数化方面的限制,尤其对于比较复杂的自由曲面的能力,使得模型的更改非常困难而且费时,浪费大量的时间与人力成本。本文采用的SFE CONCEPT软件提出了“隐式”参数化的概念,采用“CAE分析驱动设计”理念,可以实现快速的大几何变形以及相互连接的一致性,同时可以实现网格的自动生成与参数化。结合软件本身丰富的后处理以及优化软件的接口,使得自动优化设计,分析与优化成为可能,从而实现产品开发前期多概念设计,极大缩短设计性能评估的时间和成本。

SFE CONCEPT隐式参数化建模技术

参数化设计可以大大提高设计速度,但对于由几百个模型组成的复杂装配体要实现全参数化不仅要对单个零件的位置和形状进行修改,还要处理各个零件之间繁琐的装配关系。如果参数变化范围较大时,还会有可能导致几何特征和装配关系的丢失,出现模型信息错误。

但采用SFE CONCEPT隐式参数化建模则不会出现上述情况。

SFE隐式参数化模型

SFE CONCEPT采用“隐式”参数化模型:单个模型的几何形状采用控制点的位置、线曲率和截面形状三个参数即可完成;两个模型的连接是通过Map建立拓扑关系实现参数化装配,因此一个模型的几何形状发生变化,与之相连接的模型也会发生相应的改变,而不会像在其他软件中,逐个修改与之相邻的部件。如图1所示:改变纵梁截面面积,与之关联的地板和横梁均发生相应变化,通过隐式参数化模型概念设计工程师可以轻松创建和修改模型的几何与拓扑关系,这非常适合概念前期模型改动大、设计方案灵活的特点,有利于概念设计阶段各种方案的快速修改,大大节约设计时间。

SFE CONCEPT有限元模型快速生成

在进行结构优化时,高质量的CAE模型是至关重要的。传统CAE模型的建立是在完整的CAD模型建立之后进行的,而且CAD模型导入CAE软件之后需要大量的几何清理工作。而SFE CONCEPT能在没有CAD模型的情况下,通过一个SFE CONCEPT模型描述所有设计方案,快速建立多方案的几何模型和分析模型可以大幅度提高网格划分效率。其中对计算有重要影响的关键设计细节(如焊点、焊缝和胶粘等联接方式)自动生成,并可以根据几何模型的修改自适应改变。当几何模型改变时,有限元网格会实时更新。

SFE CONCEPT变量录制
在SFE CONCEPT中通过变量录制可以在短时间内定义大批变量。为提高优化的可行性,有时需要将不同的多个变量整合为一个变量,通过变量集成可大大减少优化计算中的变量数量,从而降低优化求解的复杂程度,节省优化计算的时间。

自动循环优化过程
当隐式参数化模型建立完成后,与优化工具iSIGHT和求解器Nastran进行组合优化,设定变量范围、目标值与约束值,使用批处理命令自动调用参数化模型,实现自动化的循环优化过程,此过程不需要人工参预。循环优化过程如图2所示:

基于轻量化的车身地板模型优化设计

在概念设计之初,就将轻量化的思想用到产品设计,对产品进行系统的方向性分析及优化有着极其重要的意义。本文以车身地板模型为例,建立SFE的隐式参数化模型,以轻量化为目标,对地板模型进行优化设计。

模型实例

所研究车型的更改区域主要为地板,通过创建梁单元、截面单元、线单元,设置材料的属性,最终建立了如图7所示的SFE CONCEPT隐式参数化模型,其中的几何控制参数及拓扑关系可以作为设计变量进行修改和设计优化。

优化目标与设计变量

本文以车身地板模型质量为优化目标,追求其最小值。为试制方便,主要考虑简单圆管与方管梁,其中圆管主要应用于骨架弯曲困难的部位,方管主要应用于结构加强梁及车身附件安装位置。选取左右两侧纵梁的形状及厚度、中间横梁的位置以及地板的厚度作为设计变量,以地板的挠度为约束条件,利用SFE CONCEPT的变量录制功能将这些设计参数集合成一个设计变量。通过改变geometry的值来改变地板的形状,图5为geometry参数为0,即原始模型的形状;图6为geometry参数为1,即变量值为最大时的模型。最终的优化结果可以是[0 1]连续区间的任一值。

优化结果

当优化循环参数设置完成,执行无人工干预的自动循环优化,得到满足质量最轻的优化结果。由优化结果可知,当geometry的值取0.8的时候,在规定挠度范围内,车身地板的质量最轻,结构最优。图7、图8为初始设计与优化后模型局部结构变化对比,可以很明显的看到地板截面发生了变化。图9为优化设计质量变化曲线。通过对比发现,优化目标即车身地板质量出现单调下降的趋势,使车身的重量减轻了34.8%,得到满足要求的模型。

结论
1)引入隐式参数化模型的概念,并结合有限元模型的自动生成技术,完成车身模型的自动优化循环过程,真正实现了仿真分析对结构设计的方向性驱动,并通过实际应用验证了该方法,对汽车结构设计有着重要的借鉴意义。

2)SFE CONCEPT的隐式参数化概念可以快速修改汽车在概念设计阶段的造型设计,同时可以通过前沿CAE分析提高汽车的各向性能。

3)隐式参数化可以避免传统参数化的缺点,并结合SFE CONCEPT先进的网格自动生成技术,可以极大缩短产品的设计时间,为现代车辆的设计提供了新的方法。 
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    • 引用 huangyao8988 2013-11-26 09:20
      支持汽车轻量化在线!支持中国轻量化事业!
    • 引用 shengmunan 2015-11-14 18:00
      基于SFE隐式参数化的车身轻量化设计

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