靜態(tài)性能驅(qū)動的車身框架關(guān)鍵截面設(shè)計研究論文
1 前言
車身框架結(jié)構(gòu)是由形狀復(fù)雜的薄板件通過焊接、螺栓連接等方式連接在一起形成復(fù)雜的空間結(jié)構(gòu)，梁特性、梁空間位置以及車身接頭特性決定著車身結(jié)構(gòu)的靜動態(tài)性能，而梁截面的屬性主要由截面形狀和厚度兩個因素決定。傳統(tǒng)的車身開發(fā)中關(guān)鍵梁截面形狀的設(shè)計往往是根據(jù)設(shè)計經(jīng)驗及試驗分析逐步修改形狀，達(dá)到可行的形狀結(jié)構(gòu)。以上的設(shè)計方法可理解為尋找可行解的過程，可能并不是截面形狀結(jié)構(gòu)的最優(yōu)解，而且該設(shè)計方法容易導(dǎo)致設(shè)計開發(fā)前期出現(xiàn)缺陷而后期修改空間不足的情況，大大影響產(chǎn)品開發(fā)周期和成本。車身全參數(shù)正向設(shè)計作為未來車身開發(fā)的趨勢，是基于多目標(biāo)性能在車身前期確定參數(shù)化模型最優(yōu)結(jié)構(gòu)的全新設(shè)計方法。
在車身正向開發(fā)過程中，研究人員將截面形狀特性作為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的變量之一，進(jìn)行截面形狀級別的輕量化研究。其中，邢子敬等利用NX 建立全參數(shù)化的概念車身模型，通過改變梁截面的方向和厚度來研究截面特性對車身剛度的影響；任山截取現(xiàn)有車型的白車身主斷面圖并計算相關(guān)主斷面的力學(xué)特性數(shù)據(jù)，通過簡化模型靜態(tài)性能的驗證探討該方法的可行性；李龍基于梁截面參數(shù)的靈敏度，運用向量優(yōu)化法對某些截面的截面特征參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而實現(xiàn)車身的輕量化。
2 車身關(guān)鍵截面設(shè)計方法研究
車身形狀結(jié)構(gòu)和關(guān)鍵截面形狀是車身框架幾何結(jié)構(gòu)設(shè)計的兩大主要內(nèi)容，由于截面的形狀受車身形狀結(jié)構(gòu)的約束，因此在車身形狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計后才進(jìn)行關(guān)鍵截面形狀的設(shè)計。車身關(guān)鍵截面的正向開發(fā)設(shè)計主要運用隱式參數(shù)化建模技術(shù)以及自動優(yōu)化循環(huán)平臺，在可行域內(nèi)搜索最優(yōu)解。本文以門檻梁截面設(shè)計為例，根據(jù)截面的尺寸約束確定截面的邊界條件，運用離散可行域的方法進(jìn)行截面控制點的劃分，再根據(jù)截面形狀約束進(jìn)行控制點之間的約束。以截面關(guān)鍵特性為約束條件，根據(jù)特定的性能評價進(jìn)行門檻梁截面的最優(yōu)形狀結(jié)構(gòu)設(shè)計。
3 車身關(guān)鍵截面約束條件
截面的約束條件包括形狀約束條件和幾何約束條件，前者是關(guān)于制造可行性的約束，后者則是關(guān)于總布置、車身造型及車身內(nèi)部空間的約束。截面的約束條件決定了設(shè)計變量、取值范圍及變量之間的約束。
3.1 形狀約束條件
車身的薄壁件大多數(shù)通過鈑金沖壓而成，通過焊接、螺栓連接構(gòu)造成封閉截面的梁部件，因此在進(jìn)行車身關(guān)鍵截面開發(fā)時要滿足一定的制造工藝約束，并確認(rèn)是否具有可行性。對于定向沖壓的板件，設(shè)計中不能出現(xiàn)缺拔模角及負(fù)沖壓角的情況，由兩件以上板件組成的梁截面不能出現(xiàn)板件相交的.情況。
3.2 尺寸約束條件
截面的尺寸約束決定了不可變化的形狀節(jié)點及部分可變控制點的取值邊界，主要受車身布置、造型要求以及車身內(nèi)部空間所影響。以某車型門檻梁截面為例，門框邊界和最下離地間隙約束決定了門檻梁截面上下翻邊的節(jié)點屬于形狀固定點；地板與門檻連接的地方是截面的內(nèi)部空間約束，確定了內(nèi)板與地板連接處的節(jié)點屬于形狀固定點；門密封面和側(cè)門包邊確定了外板與側(cè)門位置相互影響的節(jié)點屬于形狀固定點；車身外造型設(shè)計制約門檻梁外板的外廓形狀，使其成為形狀固定點；而內(nèi)部空間約束和外部造型約束使得非形狀固定點具有取值范圍的邊界，內(nèi)板的可控制點y值要小于內(nèi)部空間固定點的y值，外板的可控制點y值不能小于外部造型固定點的y值。
4 性能驅(qū)動截面形狀正向設(shè)計
截面形狀影響梁部件的結(jié)構(gòu)性能，而梁作為車身框架的關(guān)鍵部件，對車身整體性能有著決定性的影響。性能驅(qū)動截面形狀的正向設(shè)計就是基于梁部件的關(guān)鍵性能對截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，在截面約束條件下的可行域內(nèi)尋找各控制點的最佳坐標(biāo)位置。
4.1 截面離散化
根據(jù)截面尺寸約束條件確定的截面可行域是截面節(jié)點可能存在的空間位置，而截面形狀約束制約著不同節(jié)點之間的位置關(guān)系。為了保證滿足形狀約束的要求，提出離散截面可行域的方法。在截面局部坐標(biāo)下，將可行域沿z方向平行于y軸劃分 M 個區(qū)域，這些平行線與截面的外板、中間板、內(nèi)板相交，分別形成（M-1）個節(jié)點，為了便于截面優(yōu)化設(shè)計，選取平行線通過截面上由于尺寸約束而固定的邊界點，相鄰線之間的距離盡量相等，以使節(jié)點均勻分布于板上。劃分的區(qū)域細(xì)化則使優(yōu)化截面形狀結(jié)果更接近最優(yōu)結(jié)構(gòu)值，但運算量較大，且對于鈑金件的生產(chǎn)加工增加一定難度；而劃分的區(qū)域較少則會造成截面形狀與最優(yōu)結(jié)果相差較大。因此，要根據(jù)實際截面可行域的大小適當(dāng)?shù)剡x擇劃分的區(qū)域數(shù)量。
4.2 截面形狀約束的參數(shù)化
以車身框架形狀優(yōu)化設(shè)計得到的隱式參數(shù)化模型為基礎(chǔ)，對門檻梁截面的控制點進(jìn)行變量取值范圍的錄制，變量錄制的過程采取歸一化方法。門檻截面控制點作為變量的錄制過程，控制點從初始“0”位置沿y方向移動達(dá)到某一位置作為“1”狀態(tài)。為了確保組成截面的板件不相交，因此要定義區(qū)域離散線上點之間的約束關(guān)系。引入中間變量并推導(dǎo)其取值范圍，保證在尋優(yōu)過程中各變量組合滿足形狀約束條件。
4.3 設(shè)計優(yōu)化過程的集成
該截面形狀優(yōu)化設(shè)計通過在軟件iSIGHT中搭建基于靜態(tài)性能的優(yōu)化集成系統(tǒng)平臺，后臺自動調(diào)用隱式參數(shù)化建模軟件 SFE CONCEPT、數(shù)據(jù)處理軟件Matlab及求解器NASTRAN，提取性能參數(shù)儲存于數(shù)據(jù)庫中。
4.4 優(yōu)化結(jié)果
通過自動尋優(yōu)得到截面控制點位置與板厚的最佳組合，初始狀態(tài)與優(yōu)化后的截面形狀對比，其中，外板的厚度為0.8 mm，中間板厚度為2.2 mm，內(nèi)板厚度為 2.0 mm。優(yōu)化前后門檻梁的性能對比，可看出在一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度這三個性能不降低的前提下，實現(xiàn)了門檻梁質(zhì)量減輕7.8%的輕量化目標(biāo)。
5 結(jié)束語
在車身框架形狀結(jié)構(gòu)優(yōu)化后的模型基礎(chǔ)上，對車身關(guān)鍵截面設(shè)計可行域采用離散化的方法，將截面形狀的設(shè)計轉(zhuǎn)化為截面控制點的最佳位置搜索。搭建靜態(tài)性能驅(qū)動截面形狀設(shè)計的優(yōu)化集成系統(tǒng)平臺，以部分控制點的坐標(biāo)值、中間變量值、板厚作為優(yōu)化變量，以一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度為性能約束，質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo)，整個過程實現(xiàn)無人干預(yù)。該截面正向開發(fā)方法在不降低車身框架形狀優(yōu)化設(shè)計后模型的靜態(tài)性能下，實現(xiàn)了車身輕量化的目標(biāo)。
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