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汽车车身轻量化开发技术思想与路线

2014-11-3 16:32 1972 1 原作者: 肖 锋 来自: 武汉上善仿真科技有限责任公司
简介
任何一款车型的上市,其车身结构设计都是经过了大量CAE工程分析与试验验证的结果,达到OEM在其现有技术条件和技术水平下的最优车身结构,此最优车身结构本身一直存在于“某个角落”,

汽车车身结构设计轻量化开发技术思想与技术路线

——如何由必然王国走向自由王国

从理论上讲,任何一款车型的上市,其车身结构设计都是经过了大量工程分析与试验验证的结果,达到OEM在其现有技术手段、开发成本和技术水平等条件下的最优车身结构。此最优车身结构本身一直存在于“某个角落”,只是OEM主要依靠间接的、迂回的方法——工程分析与试验验证,付出了较高的成本和时间代价找到了而已。实质上,车身工程师是过分的依赖于外在的力量,处于一种对车身结构设计内在规律未完全认识或探索条件下的“必然王国”状态。

既然最优车身结构就存在于“某个角落”,为什么车身工程师不能直接找到或者设计出来呢?为什么要经过大量的费时费成本的工程分析与试验验证呢?或者能不能以较少的工程分析与试验验证就能找到或设计出来呢?即为什么车身结构设计不能完全依赖于内在的力量,直接进入已充分掌握车身结构设计内在规律的“自由王国”状态呢?

车身结构概念和工程开发是一种本应属于车身工程师的、包含极其复杂约束条件的、具有高度创造性的思维活动,因此,寻找最优的车身结构或直接进入“自由王国”状态的答案,存在于车身结构概念设计与工程设计过程当中,是还原设计的本真面目。

在概念设计开始之前,最优的车身拓扑结构就已经存在于车身工程师大脑里面的一个“确定角落”了,要做的事情仅仅是如何借助有效的“tools”将车身工程师大脑里面确定的“ideas”搬到电脑里面而已,以保证在工程设计和验证阶段,车身工程师对车身结构设计是“做减法而不是做加法”,因此,车身结构概念和工程开发涉及到车身工程师思想层面与技术层面上的两个核心问题,并将其与工程研究的目的紧密结合,正如Blessinget所说:“The aim of engineering design research is to support industry by developing knowledge, methods and tools which can improve the chances of producing a successful product”,展示了一条全新的车身轻量化开发技术路线。

第一,如何让车身工程师主动提出更多“Effective Ideas”?

武汉上善对OEM海量“data”进行深入分析和挖掘的基础上,总结和归纳出了深刻揭示车身结构轻量化设计内在规律的环状路径车身(3R-BODY),其本质是一种最优的车身拓扑结构设计方法,以保证在最优的拓扑结构下进行几何截面设计和验证分析,达到真正意义上的最优车身结构设计。关于车身环状结构设计法,已经形成了一套全面而系统的“knowledge”,比如十六个车身环状结构设计及其评估方法、车身结构设计数学评估模型、车身W型开发流程等,为此问题提供了有效的解决方案。

传统的车身设计是从制造工艺的角度理解车身,即车身工艺结构,而“环状路径车身”是从车身性能的角度理解车身,即车身性能结构,对于车身轻量化结构设计而言,两者是一个硬币的两面,缺一不可,因此,需要车身工程师转变思维方式,从之前对车身工艺结构的单一视角向车身性能结构与车身工艺结构的两个视角兼顾转变,是产生“Effective Ideas”的前提条件。

“环状路径车身”事实上汇聚了全世界汽车工程师的经验和智慧,立体式集成了轻量化、开发流程、性能设计、结构设计、材料设计和制造工艺等各技术环节,作为一种设计思想贯穿于整个车身开发过程当中。武汉上善从20116月开始专注车身环状结构轻量化设计,一方面,系统研究国外OEM车身成功开发经验,进行车身结构设计思想创新,并于20136月参加德国AEE车身制造技术展览,从这次展示的情况看,车身环状结构设计思想对国外OEM来说也是全新的设计理念,受到了国外车身设计专家的极大兴趣;另一方面,与国内OEM奇瑞、上汽、东风、广汽、吉利、众泰、泛亚、北汽、福田、长城、上汽通用五菱、长安汽车、一汽轿车等进行了全面的技术交流。经过三年多对国内OEM的技术宣讲,在2014中国轻量化车身会议上,奇瑞、东风、江淮和长城已经将车身环状结构设计思想应用于车身结构轻量化设计。

从本质上讲在概念设计开始时,“环状路径车身”就已经是存在于车身工程师大脑里面的标准参照结构,让车身工程师大脑里面自动产生可以搬运的“ideas”,比如,武汉上善在与奇瑞和吉利的车身轻量化技术开发项目合作中,针对OEM现有的车身结构设计状态,一个星期一次性提出所有的性能提升方案。

同时,作为车身环状结构设计的补充,将车身结构设计抽象为一系列简单的力学结构,比如Y-Brace载荷分流结构、Joint抗力矩结构、三角形环路结构和杠杆受力结构等,实际上,环状结构本身就是一个完美的力学结构,为车身工程师对“ideas”提供快速而有效的主观评价。在与奇瑞车身院的某车型车身轻量化技术开发项目合作中,通过对车身工程师不断的技术培训,并与车身项目开发紧密结合,车身工程师已经能够主动的将环状结构设计思想及力学结构设计,应用于奇瑞车身结构工程开发。

第二,如何让车身工程师对“Effective Ideas”进行快速验证?

在车身结构概念设计和工程设计阶段,毫无疑问,离不开车身概念CAE技术,国外称之为“up-front simulation”,因此,此问题已经暗含了一个前提条件,即概念CAE分析应该由车身工程师而不是CAE工程师或是先期技术研究工程师来完成。

In concept design, it is important to generate the design model quickly, since the time span of a concept idea is rather limited. In order to influence the concept idea, the results have to be obtained within this time span.Ingo Raasch, Usage of Optimization Tools in the Design Process at BMW. 1998)”。

Ingo Raasch观点可以做如下解读:作为进行主动设计思考的车身工程师,大量的“concept idea”闪过其大脑是非常短暂的,如果在有效的时间内不能获取“concept idea”的验证结果,那么许多有价值的“concept idea”将无法对设计产生影响;而作为进行被动设计思考的CAE工程师或是先期技术研究工程师,尽管自身可以进行快速验证,但由于其不可能像车身工程师一样全面的了解设计要求,因此,“concept idea”闪过其大脑的数量和质量都是非常有限的。

假设可以结合车身工程师与CAE工程师各自的优势,是否就可以满足“the results have to be obtained within this time span”呢?在工程验证阶段,由于OEM组织机构内部的利益原因及技术实施周期,CAE部门要满足车身设计部门对验证时间有效性的要求并不是一件易事;由于车身工程师在概念和工程开发阶段对设计本身的变化无常,CAE工程师主观没有意愿也根本不可能满足时间有效性要求。因此,决定了在概念和工程开发阶段,车身结构设计及其验证是不可分家的,均需要由车身工程师自身来完成。

VOLVOTOYOTA的“非CAE部门”为车身工程师开发的概念CAE分析工具或简单方法,表达了由车身工程师实现“设计与验证同步”的车身概念开发观点。

It has been shown that by providing design engineers with requirements according to their design area, and with corresponding analysis tools, it is possible for the design engineer to do preliminary analysis on their design in parallel with their normal design activity, leaving complete-vehicle a posteriori simulation to the analysis experts.Bylund N, Simulation Driven Product Development Applied to Car Body Design, VOLVO Advanced Body Department, 2004)”。

Because the development of proposals one and making them concrete is the job of an individual, it is of vital importance that in the personal environment, CAE for designers allows the designer to do the job by himself. That is to say, CAE for designers should be operated in operated in personal computers. We have proposed the first order analysis (FOA) as a form of CAE for design engineers.Yoshio Kojima, Mechanical CAE in Automotive Design, TOYOTA Structure Dynamics Lab, 2000)”。

因此,“如何让车身工程师对‘Effective Ideas’进行快速验证?”演变为“如何让车身工程师掌握和运用概念CAE分析工具服务其自身的设计验证?”众所周知,工程验证CAE分析是需要很强的理论和专业背景的,让车身工程师掌握CAE工程师的专业知识是不切实际的,因此,借助专业且易用的“tools”去完成相关的CAE处理流程是必然选择。

The software development should focus on a timely process from a design idea to its structural evaluation, rather than the precise simulation of a complex physical phenomenon.Ingo Raasch, Usage of Optimization Tools in the Design Process at BMW. 1998)”。

上述观点实际上已经涉及到了如何让车身工程师掌握和运用概念CAE分析的三个至关重要的问题。

1、转变思想观念。车身工程师不需要关注“the precise simulation of a complex physical phenomenon”,这是CAE工程师在工程验证阶段需要关注的问题。在概念设计和工程设计过程当中,车身工程师对其关注的设计区域,从成本、时间、工艺、性能等角度考虑,要提供一个最优的设计方案,往往是苦于从若干个方案中进行选择,概念CAE计算的目的是对设计方案进行排序,计算精度在设计过程当中并不是需要着重考虑的因素,只要能满足对设计方案进行正确的排序即可。因此,车身工程师可以采用高度简化的车身结构概念模型进行验证,从而避开了采用详细有限元模型需面对的专业CAE分析流程。

2、参数化概念模型。车身工程师采用车身结构参数化概念模型是满足“a timely process from a design idea to its structural evaluation”的基本条件之一,只有参数化概念模型,才是车身工程可以摆脱专业的CAE技能就能使用的CAE模型。此模型的特点是车身骨架采用任意截面的梁单元描述,覆盖件采用较大尺寸的壳单元描述;其优点是车身结构可以全参数化描述,模型计算效率极高,模型可以快捷的任意修改,且计算精度完全可以满足工程上的需要,比如BMW-壳单元车身概念模型,“Following the described rules and using the software tools, the concept model is usually within 5% for global stiffness values and within 2Hz for the lowest global normal modes.Ingo Raasch., Sizing in Conceptual Design at BMW, 2004)”。实际上,梁-壳单元的车身概念模型已经具有了很长的应用历史, 比如,BMW一直采用基于梁-壳单元的参数化概念模型进行车身结构设计轻量化开发,同时,也可以看到,FORDGM均由早期采用梁-壳单元概念模型转向了采用参数化建模软件SFE

Despite the many options, shape and topology optimization was so far almost not practicable for realistic simulation models. The detour via beam and beam/spring models, where cross-section optimization was just a sizing problem, enabled the limited handling of this problem class. However, the main problems of these models are reduced forecasting capability and the restriction to linear stiffness analysis. Optimization for certain disciplines, such as passive safety, was not possible with these models.Hans Zimmer, Implicitly parametric CRASH and NVH analysis models in the vehicle concept design phase, 2005)”。

 

从参数化建模软件SFE所需要推动的方向看,Hans Zimmer对基于梁单元概念模型的批判观点有其合理性,但是从实际工程背景和环状结构设计思想的角度,对其批判观点是持怀疑态度的。

第一,“cross-section optimization was just a sizing problem”。绝大部分车身截面的设计边界条件是确定的,比如A-PillarB-Pillarside sill等关键位置的截面,决定了其截面外形是确定的,截面内部的加强件截面布置存在一定的优化空间,因此,在截面内部布置一定的条件下,截面优化的本质就是放大缩小和厚度设计的问题。

第二,“these models are reduced forecasting capability”。工程验证需要考虑精度和效率之间的平衡,高精度本身不是工程追求的目标,只是达到目标的手段,“不管白猫还是黑猫,抓到老鼠的就是好猫”,能够有效且又快的实现目标的手段都是好手段。概念CAE分析的实质是通过让渡分析精度以换取效率,是一种Ingo Raasch提出的问题——“the results have to be obtained within this time span”的解决方案。

按照SFE的设计思想,如果概念设计全部基于详细有限元模型进行验证,必须要保证一个前提条件——车身拓扑结构已经是最优的。在非最优的车身拓扑结构下,对车身截面参数、材料定义进行工程验证与优化,即使可以达到100%的精度,得到的车身结构设计只是在特定拓扑结构下的最优解,而非最优拓扑结构下的最优解,对需要达到极致的车身工程开发而言,非最优车身拓扑结构下的车身设计参数最优化是没有意义的。因此,概念设计的首要目的是:车身工程师结合环状结构设计思想,通过梁单元概念模型快速的确定最优的车身拓扑结构,然后在此结构下,继续对车身截面参数、材料定义进行验证与优化,在这一过程中,精度是可以被牺牲掉的。

第三,“the restriction to linear stiffness analysis”。“环状路径车身设计理论”所依据的一个重要思想基础是:车身环状结构已经实现了对结构刚度、耐撞性和耐久性三种性能的在设计上的统一,即同时能够满足三种性能的设计要求,因此,在概念设计阶段,各种性能是不用“分家”的,将所有性能看成一个整体性能。这意味着从理论上讲,车身工程师只要关注设计本身而不需要关注各种性能,就可以实现车身结构设计开发,因此,退一步讲,在概念设计阶段,车身工程师只需借助一个能够评估车身环状结构设计的整体性能评价指标,即可实现对所有性能的评估。环状结构扭转刚度就是一个可以对整体性能实现评价的理想指标,包含了车身结构耐撞性、刚度性能及耐久性能,该值越高表示各种性能越好,因此,在工程上就可以采用简单的线性分析代替复杂的非线性分析,通过简化问题来提高开发效率。

因此,Hans Zimmer对梁单元概念模型的批判观点,使得SFE没具有Fast Concept ModellerFCM同样的功能——支持车身梁单元概念模型直接输出,为SFE的应用空间留下了一个巨大的遗憾。

武汉上善关于环状路径车身系统而全面的“knowledge”,解决了车身工程师对设计方案如何进行主动思考与主观判断的问题,而车身工程师如何充分而有效的应用梁-壳单元概念模型对设计方案进行半定量或定量的验证分析,则需要将“knowledge”转化为“methods”,因此,基于车身环状结构的“knowledge”,武汉上善为梁-壳单元概念模型从建模到分析及结果评价提出了一套完善的“methods”,比如车身性能结构概念建模流程、车身结构敏感性分析、车身结构性能提升与减重智能判断方法等,为车身工程师解决了如何应用概念模型进行验证分析的问题。

3、参数化建模工具。车身工程师采用可以对参数化概念模型进行参数化建模的工具,是满足“a timely process from a design idea to its structural evaluation”的另一个至关重要的条件。如果让车身工程师按照标准的CAE分析流程建立梁-壳单元组成的车身结构概念模型,将是一件非常痛苦而困难的工作,因此,在2007年,BMW对车身结构进行参数化建模工具——Fast Concept ModellerFCM提出了一系列要求,与武汉上善对参数化建模工具的基本要求不谋而合,其对参数化建模的关键点是:

Implement a software for concept development that is integrated into CATIA V5Provide a fast way to derive Beam-Shell FE-models from CAD geometry by a rule-based beam mesher and a high degree of automizationImplement functions to apply optimization results from CAE-world to CAD-models in order to minimize synchronization efforts”。

FCM已经向车身工程师展示了一幅极具诱惑力的图景:在熟悉的CATIA环境中,车身工程师使用FCM方便的建立车身结构参数化模型,然后自动输出梁-壳单元的参数化概念模型,并根据自身工程设计经验提出设计方案,提交CAE求解器进行快速计算,并将计算结果反馈给FCM,最后FCM直接更新车身结构参数化模型,实现CAE-CAD无缝集成与CAE-CAD同步工程。

However, it still requires sound understanding of the car body structural mechanics and the underlying theory of thin walled beams. Quality has to be of utmost importance to the modeling engineer, and ultimately, it depends on the experience and guidance of the engineer, because ‘the tools are only as good as the person using them’.Ingo Raasch., Sizing in Conceptual Design at BMW, SAE2004-01-1657)”。因此,FCM图景与“自由王国”图景还存在较大差距。

武汉上善描述的“自由王国”图景是:第一步:车身工程师定义车身尺寸布置参数、环状结构布置参数、车身材料定义及车身重量性能目标等数据;第二步:参数化建模工具根据定义数据自动调用数据库参数,并保证满足环状结构主观评估要求,直接得到初始的车身结构参数化几何模型-1;第三步:参数化建模工具根据几何模型-1自动输出梁-壳单元的参数化概念模型-2,并提交CAE求解器计算结构敏感性,且自动对分析结果进行判断哪里可以优化,哪里必须优化,哪里可以减重,哪里必须减重,并重新提交方案计算,得到一个接近重量目标与超过性能目标的车身结构参数化模型-3和参数化概念模型-4;第四步:参数化建模工具在模型-4基础上,自动将梁单元截面参数定义成设计变量(BMW多达1500个设计变量)并提交CAE求解器进行优化计算,得到一系列均满足重量目标与性能目标的车身结构参数化模型-6;第五步:车身工程师对车身结构参数化模型-6进行判断选择。

FCM图景与“自由王国”图景的区别在于:在FCM图景中,一个经验丰富的车身工程师与一个缺乏工程设计经验的车身工程师采用FCM得到的最终车身结构参数化模型在车身重量与性能目标上可能是很不一样的;“自由王国”图景则刚好相反,不同工程设计经验的车身工程师得到的最终车身结构参数化模型在车身重量与性能目标上差别基本不大。现实的情况将是介于FCM图景与“自由王国图景之间,即车身工程师对设计方案所想即所得,这不是梦,这已经是现实。

武汉上善关于如何应用梁-壳单元概念模型进行车身结构设计的“methods”,解决了车身工程师也可以同CAE工程师一样,在流程上可以保证概念工程分析的有效性问题,而车身工程师如何快速的应用梁-壳单元概念模型对设计方案进行半定量或定量的验证分析,则需要将“methods”进一步转化为“tools”。“自由王国”图景将显著依赖于“tools”的智能化,其实质上是将参数化前处理软件工具“tool”与环状结构设计思想“knowledge”及其工程方法“methods”进行高度融合,让“tools”不简单是“tools”,而是具有“自我思考与记忆功能”的车身工程开发“tools”。

最后,从国内自主开发的现状看,已经证明车身正向设计能力不够或车身部门自身不能主导设计,即使有世界一流的试验能力与CAE水平也将是“巧妇难为无米之炊”,但是车身正向设计能力非常强或者进行完全逆向开发,即使没有系统的试验能力与CAE能力照样可以造出满足性能与质量目标的车身。这生动的说明一个道理:CAETEST的重要性只是在一定程度上取决于自身水平,关键还得看设计水平,设计水平低则CAEtest相当重要,反之,则相反。同时,从车身开发质量控制方法可以更深刻的理解这一道理。

在整车开发流程当中,一个完整的“质量控制链”应当包括事前控制、事中控制和事后控制。TEST是一种事后控制方法,只能验证设计缺陷;CAE仿真是一种事中控制方法,可以发现设计缺陷;如果车身工程师可以在设计过程当中对自身的设计方案进行快速评估和计算,那么大量的设计缺陷将消失在设计过程当中,即事前控制,是防止设计缺陷的产生。如同CAE技术广泛应用于车身开发,大量减少了测试成本与测试周期一样,车身工程师掌握事前控制技术,同样将会大量减少CAE工程分析与测试需求,进一步降低开发成本并有效缩短开发周期。

由于当前阶段“design”自身存在的不完美性,为过分的依赖于外在的质量控制手段CAETEST,提供了可乘之机,耗费了大量的开发“cost”和“time”。然而,基于“车身环状结构设计思想”,一切外在的质量控制手段在理论上讲都是多余的,“design”自身可以解决一切设计问题,因此,还原“design”在整车开发流程中的核心地位或主导地位,并为车身工程师提供系统全面而有效的“data”、knowledge“methods”tools”支持,对满足OEM整车开发中日益严苛的“cost”、“time”、“lightweight”等要求,其重要性将是不言而喻的!同时,汽车车身结构设计轻量化开发由“必然王国”走向“自由王国”将是实现目标的必由之路,绝不仅仅是一个噱头而已!

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    • 引用 2014-11-3 23:57
      肖总的创新值得称道!

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