CN106934117A - 汽车仪表板总成优化方法 - Google Patents

Abstract

一种汽车仪表板总成优化方法，包括步骤：根据多学科分解理论对汽车仪表板总成分解为4个子学科，并确定每个所述子学科的考察目标；分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解；当4个所述子学科的考察目标的求解结果均符合标准时，确定所述汽车仪表板总成的设计变量、优化目标和约束条件，并通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。本发明在满足多个学科的考察目标的基础上优化汽车仪表板总成的结构，力求在各性能之间找到最优方案。

Description

汽车仪表板总成优化方法

技术领域

本发明涉及汽车领域，特别是涉及汽车仪表板总成优化方法。

背景技术

仪表板总成是汽车内饰中的关键部件，也是汽车车厢内最引人注目的部件。仪表板总成除了要满足功能性要求，还要满足许多安全法规的要求，包括乘员安全要求(头部碰撞，膝部碰撞)，人机工程要求，外观要求等。计算机辅助设计技术(CAE)可以快速对仪表板总成的模态性能、刚度性能、头部碰撞性能指标进行评价，指导结构设计，从而降低开发成本。

汽车仪表板总成的各性能指标交互作用、相互关联，而现有CAE技术中，对汽车仪表板总成在优化实施时，仅仅只考虑到了一门学科，没有将汽车仪表板总成的强度、NVH、安全、冲压等多学科全面考虑。然而，各个学科之间相互联系、相互影响的，用单一的学科对汽车仪表板总成进行分析是不全面的，即无法在满足多学科、多个目标基础上在各性能之间找到最优方案，以提高前仪表板总成的设计精度和性能。

发明内容

鉴于上述状况，本发明的目的在于提供一种全面优化的汽车仪表板总成优化方法。

一种汽车仪表板总成优化方法，包括步骤：

根据多学科分解理论将汽车仪表板总成分解为4个子学科，分别为强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，并确定所述强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的考察目标分别为抗凹变形、NVH第一阶模态值、安全碰撞加速度和冲压Z向变形；

分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解；

当4个所述子学科的考察目标的求解结果均符合标准时，确定所述汽车仪表板总成的设计变量、优化目标和约束条件，并通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集的步骤包括：

在Isight参数化集成软件中分别导入4个所述子学科的有限元模型；

分别设定4个所述子学科的有限元模型的设计变量和优化目标；

设定优化的约束条件，所述约束条件根据每个所述子学科的考察目标的标准确定；

通过Isight参数化集成软件中的NCGA算法对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述分别建立4个所述子学科的有限元模型的步骤包括：

对汽车仪表板总成进行几何建模，并对所述汽车仪表板总成的几何模型进行网格划分；

创建所述汽车仪表板总成的几何模型的焊点连接及所述汽车仪表板总成的几何模型各组成结构之间的约束；

输入与所述汽车仪表板总成相适应的材料类型与参数，得到所述汽车仪表板总成的有限元模型；

基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型的步骤包括：

通过Nastran软件确定所述汽车仪表板总成的有限元模型是否正确；

若是，基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解的步骤之后还包括：

当任意一个所述考察目标的求解结果不符合标准时重新建立每个所述子学科的有限元模型。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解的步骤包括：

通过abaqus软件对所述强度子学科的抗凹变形进行求解；

通过Nastran软件对所述NVH子学科的NVH第一阶模态值进行求解；

通过LS-dyna软件对所述安全子学科的安全碰撞加速度进行求解；

通过moldflow软件对所述冲压子学科的冲压Z向变形进行求解。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，

所述通过abaqus软件对所述强度子学科的抗凹变形进行求解的步骤之前还包括：设置所述强度子学科的分析类型为abaqus中的静态分析；

所述通过Nastran软件对所述NVH子学科的NVH第一阶模态值进行求解的步骤之前还包括：设置所述NVH子学科的分析类型为NASTRAN自由模态分析；

所述通过LS-dyna软件对所述安全子学科的安全碰撞加速度进行求解的步骤之前还包括：设置所述安全子学科的安全碰撞加速度的输出文件类型为dyna的key文件；

通过moldflow软件对所述冲压子学科的冲压Z向变形进行求解的步骤之前还包括：设置材料的模具温度范围、熔体温度范围以及材料的流变能力曲线以及体积比容相对对于温度变化的曲线。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对4个所述子学科的考察目标进行求解的步骤包括：

建立当前子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件对当前子学科的考察目标进行求解；

将当前子学科的有限元模型的格式转换为另一个子学科对应的有限元模型的格式，得到所述另一个子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件对所述另一个子学科的考察目标进行求解。

上述汽车仪表板总成优化方法，其中，所述约束条件为：

抗凹变形小于0.5mm；NVH第一阶模态值大于32HZ；安全头碰碰撞点持续3ms最大加速度值小于64(g)；冲压Z向变形小于3mm。

本发明根据多学科理论将汽车仪表板总成分解为过多个子学科，通过CAE分析方法在各个子学科进行分析，以使各子学科的考察目标均满足标准，再通过集成优化方法在满足多个学科的考察目标的基础上优化汽车仪表板总成的结构，力求在各性能之间找到最优方案。

附图说明

图1为本发明第一实施例提供的汽车仪表板总成优化方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提供的汽车仪表板总成优化方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中强度子学科的分析示意图；

图4为本发明第二实施例中NVH子学科的分析示意图；

图5为本发明第二实施例中安全子学科的分析示意图；

图6为本发明第二实施例中冲压子学科的分析示意图；

图7为本发明第二实施例中Isight多学科优化原理图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

参照下面的描述和附图，将清楚本发明的实施例的这些和其他方面。在这些描述和附图中，具体公开了本发明的实施例中的一些特定实施方式，来表示实施本发明的实施例的原理的一些方式，但是应当理解，本发明的实施例的范围不受此限制。相反，本发明的实施例包括落入所附加权利要求书的精神和内涵范围内的所有变化、修改和等同物。

请参阅图1，为本发明第一实施例中的汽车仪表板总成优化方法，包括步骤S11～S13。

步骤S11，根据多学科分解理论将汽车仪表板总成分解为4个子学科，分别为强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，并确定所述强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的考察目标分别为抗凹变形、NVH第一阶模态值、安全碰撞加速度和冲压Z向变形。

多学科设计优化(MDO；Balling和Sobieszcznski-Sobieski在1996提出)，为工程中重要的一种设计优化方法。即根据多学科理论讲汽车仪表板总成分解为过多个子学科，即强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，并对每个子学科确定一个考察目标，每个考察目标用于判断该汽车前仪表内饰是否满足设计要求

其中，强度子学科主要考察前仪表板受外部载荷作用变形特征，表现为弹性和塑性两类。

NVH子学科主要考察考察仪表板模态，弯曲模态和扭转模态。在线性时不变条件下，实际连续的非线性物理结构可离散为一个具有N(N→∞)自由度的线弹性系统，描述系统运动的微分方程为：

式中，[M]、[C]、[K]分别为质量矩阵、阻尼矩阵、刚度矩阵；{x(t)}、{f(t)}为系统的位移响应向量和激励力向量。

安全子学科考察安全碰撞加速度，主要表现为乘员头部碰撞加速度。前仪表板内饰头碰分析的难点是头碰碰撞区的定义。本实施中头部碰撞区大可理解为头部可碰区域，在此区域内只要是165mm球头模型可接触到的表面都要求圆角能满足法规要求。

在进行汽车碰撞模拟时，按照求解平衡方程组的方法，非线性有限元方法可分为隐式非线性有限元方法和显式非线性有限元方法。本实施例中，采用显式非线性有限元方法。在显式方法中，非线性平衡方程组是相互解耦的，可以直接求解。而且在显式方法中还使用了很多技术，使求解高速变化的非线性问题的计算时间显著减少。

冲压子学科可通过模流分析考察moldflow的冲压Z向变形。对于模流分析而言，要想准确的模拟塑料件的注塑、保压、冷却以及翘曲等工艺过程，材料工艺参数的设置至关重要。此子学科的分析需要准确输入材料的熔融温度、模具温度等，以及材料的模具温度范围、熔体温度范围。

步骤S12，分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解。

无论强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，其有限元模型的网格及连接都是一致的。对各个子学科建立有限元模型并进行有限元求解时，首先建立当前子学科的有限元模型并对当前子学科的考察目标求解，当对另一子学科的考察目标进行有限元求解时，将当前子学科的有限元模型进行模型的格式转换为另一个子学科的有限元模型对应的格式，得到所述另一个子学科的有限元模型，并对其考察目标进行求解。例如，首先分析强度子学科，建立强度子学科的有限元模型并保存，对其考察目标进行求解。当再进行NVH子学科分析时，将强度子学科的有限元模型的abaqus格式转换为NVH子学科的有限元模型的Nastran格式，得到NVH子学科的有限元模型并保存，对其考察目标进行求解。同样从NVH子学科的分析切换至对安全子学科的分析时，将NVH子学科的有限元模型的Nastran格式转换dyna格式得到安全子学科的有限元模型。有限元模型的格式转换可以通过hypermesh(一种CAE应用软件包)里的工具进行转换。

步骤S13，当4个所述子学科的考察目标的求解结果均符合标准时，确定所述汽车仪表板总成的设计变量、优化目标和约束条件，并通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

本发明实施例根据多学科理论将汽车仪表板总成分解为多个子学科，通过CAE分析方法在各个子学科进行分析，以使各子学科的考察目标均满足标准，再通过集成优化方法在满足多个学科的考察目标的基础上优化汽车仪表板总成的结构，力求在各性能之间找到最优方案。

请参阅图2，为本发明第二实施例中的汽车仪表板总成优化方法，包括步骤S21～S27。

步骤S21，根据多学科分解理论对汽车仪表板总成分解为4个子学科，分别为强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，并确定所述强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的考察目标分别为抗凹变形、NVH第一阶模态值、安全碰撞加速度和冲压Z向变形。

步骤S22，对汽车仪表板总成进行几何建模，并对所述汽车仪表板总成的几何模型进行网格划分。

本实施例中，可通过AutoCAD、Pro/ENGINEER、SolidWorks等三维建模软件对汽车仪表板总成进行几何建模。

对于有限元建模来说，网格划分是其中最关键的一个步骤，网格划分的好坏直接影响到解算的精度和速度。对于内饰注塑件而言，其结构比钣金件复杂，含有许多卡扣、凸台、筋板，外形具有不规则性，因此网格划分比钣金件相对难很多。本实施例中，对于可以抽取中面的零部件，采取抽取中面方式进行，其中可能中面中出现不连续的破面，可以通过网格进行修补；而对于无法抽取中面的零部件，可以不抽取中面，直接划分外表面网格后，再将网格平移至中面。

步骤S23，创建所述汽车仪表板总成的几何模型的焊点连接及所述汽车仪表板总成的几何模型各组成结构之间的约束。

创建汽车仪表板总成的几何模型的焊点连接，即按照实际汽车零件的装配，需要焊接的地方就模拟焊点连接，如螺栓连接就用rigid模拟。创建汽车仪表板总成的几何模型的各组成结构之间的约束，即约束主仪表内饰与车身、侧围以及CCB与地板车身连接处的6个自由度。

步骤S24，输入与汽车仪表板总成相适应的材料类型与参数，得到所述汽车仪表板总成的有限元模型。该步骤中，通过Nastran软件确定所述汽车仪表板总成的有限元模型是否正确，若是，则执行下一个步骤，否则返回步骤S22。

本实施例中，将汽车仪表板总成的有限元模型提交Nastran进行求解计算，计算完成后查看结果，初步决断结果是否异常，以及零部件之间的连接是否异常。如果结果没有异常说明汽车仪表板总成的有限元模型及零部件之间连接是正确的。

步骤S25，基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型。

强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的有限元模型其模型网格划分、焊点连接及材料类型和参数都是一致的，因此在汽车仪表板总成的有限元模型的基础上建立各个子学科的有限元模型。

步骤S26，通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解。当任意一个所述考察目标的求解结果不符合标准时，返回步骤S22。

通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解时需要预先对每个所述子学科的考察目标进行求解设置。本实施例中，通过abaqus软件对所述强度子学科进行分析，设置其分析类型为abaqus中的静态分析，之后对抗凹变形进行求解，看求解结果是否满足标准，即本体的抗凹变形是否小于0.5mm，强度子学科的分析如图3所示。采用Nastran软件对所述NVH子学科进行分析，设置所述NVH子学科的分析类型为NASTRAN自由模态分析后对NVH第一阶模态值进行求解，看其是否符合标准：NVH第一阶模态值大于32HZ，NVH子学科的分析如图4所示。采用LS-dyna软件对所述安全子学科进行分析，设置所述安全子学科的安全碰撞加速度的输出文件类型为dyna的key文件后对所述安全碰撞加速度进行求解，看其是否符合标准：安全碰撞加速度，即安全头碰碰撞点持续3ms最大加速度值小于64(g)，其分析结果如图5所示。如图6所示，采用moldflow软件对所述冲压子学科进行分析，在分析时设置材料的模具温度范围、熔体温度范围以及材料的流变能力曲线以及体积比容VS温度的曲线，之后对冲压Z向变形进行求解，看其是否符合标准，即moldflow的冲压Z向变形是否小于3mm。

将每个子学科分析计算的求解结果分别与设计规范进行比较，看其是否满足目标要求。当任意一个所述考察目标的求解结果不符合标准时，需要对内饰件进行结构优化，并重新进行几何建模，再得到各个子学科的新的有限元模型。例如在进行强度子学科的分析时，确定哪些点抗凹变形超过了目标值，在不合格的抗凹点后面加筋板或者改进结构，再进行建模分析，至到符合标准。

步骤S27，当4个所述子学科的考察目标的求解结果均符合标准时，确定所述汽车仪表板总成的设计变量、优化目标和约束条件，并通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

所述通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集的步骤包括：

在Isight参数化集成软件中分别导入4个所述子学科的有限元模型；

分别设定4个所述子学科的有限元模型的设计变量和优化目标；

设定优化的约束条件，所述约束条件根据每个所述子学科的考察目标的标准确定；

通过Isight参数化集成软件中的NCGA算法对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

多目标优化问题的数学表达式为：

f_m(x),m＝1,2,…,M

g_j(x)≤0，j＝1,2,…,J

h_k(x)＝0,k＝1,2,…,K

其中，f_m(x)为第m个子目标函数，m为子目标函数的总数；g_j(x)为第j个不等式约束条件，J为不等式约束的总数；h_k(x)为第k个等式约束条件，K为等式约束的总数；X_i为第i个设计变量，n为设计变量的总数；和为第i个设计变量取值的上限和下限。

如图7所示，在Isight软件界面中建立强度分析模块(strength)、NVH分析模块(NVH)、安全分析模块(safety)、模流分析模块(moldflow)，分别导入强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的有限元模型(FE_model)，并分别在各自界面里设置设计变量和优化目标。例如本实施例中将仪表板厚度设置成设计变量，将仪表板质量最小设置为优化目标。

导入各个子学科的有限元模型以及设置变量及目标后设置优化的约束条件：strength的抗凹变形小于0.5mm；NVH第一阶模态值大于32HZ；safety的安全头碰碰撞点持续3ms最大加速度值小于64(g)；moldflow的冲压Z向变形小于3mm等。

当设计变量、优化目标以及约束设置好后，选择求解算法，Isight参数化集成软件中包括很多种算法，选择其中的NCGA算法进行并行计算，之后得到仪表板系统级最优Pareto解集。

通过多学科理论将汽车仪表板总成分解为多个子学科，并基于Isight参数化集成软件对汽车仪表板总成进行多学科、多目标优化。得到汽车仪表板总成的Pareto最优解集，从而实现汽车仪表板结构轻量化以及强度性能、NVH性能、安全性能、冲压性能的综合最优，用于指导并实现前仪表板产品的高效开发和改进设计。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，包括步骤：

根据多学科分解理论将汽车仪表板总成分解为4个子学科，分别为强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科，并确定所述强度子学科、NVH子学科、安全子学科和冲压子学科的考察目标分别为抗凹变形、NVH第一阶模态值、安全碰撞加速度和冲压Z向变形；

分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解；

当4个所述子学科的考察目标的求解结果均符合标准时，确定所述汽车仪表板总成的设计变量、优化目标和约束条件，并通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

2.如权利要求1所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述通过Isight参数化集成软件对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集的步骤包括：

在Isight参数化集成软件中分别导入4个所述子学科的有限元模型；

分别设定4个所述子学科的有限元模型的设计变量和优化目标；

设定优化的约束条件，所述约束条件根据每个所述子学科的考察目标的标准确定；

通过Isight参数化集成软件中的NCGA算法对4个所述子学科的有限元模型进行并行计算，得到所述汽车仪表板总成的最优Pareto解集。

3.如权利要求1所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述分别建立4个所述子学科的有限元模型的步骤包括：

对汽车仪表板总成进行几何建模，并对所述汽车仪表板总成的几何模型进行网格划分；

创建所述汽车仪表板总成的几何模型的焊点连接及所述汽车仪表板总成的几何模型的各组成结构之间的约束；

输入与所述汽车仪表板总成相适应的材料类型与参数，得到所述汽车仪表板总成的有限元模型；

基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型。

4.如权利要求3所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型的步骤包括：

通过Nastran软件确定所述汽车仪表板总成的有限元模型是否正确；

若是，基于所述汽车仪表板总成的有限元模型建立每个所述子学科的有限元模型。

5.如权利要求1所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解的步骤之后还包括：

当任意一个所述考察目标的求解结果不符合标准时重新建立每个所述子学科的有限元模型。

6.如权利要求1所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述通过CAE分析软件分别对每个所述子学科的考察目标进行求解的步骤包括：

通过abaqus软件对所述强度子学科的抗凹变形进行求解；

通过Nastran软件对所述NVH子学科的NVH第一阶模态值进行求解；

通过LS-dyna软件对所述安全子学科的安全碰撞加速度进行求解；

通过moldflow软件对所述冲压子学科的冲压Z向变形进行求解。

7.如权利要求6所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，

所述通过abaqus软件对所述强度子学科的抗凹变形进行求解的步骤之前还包括：设置所述强度子学科的分析类型为abaqus中的静态分析；

所述通过Nastran软件对所述NVH子学科的NVH第一阶模态值进行求解的步骤之前还包括：设置所述NVH子学科的分析类型为NASTRAN自由模态分析；

所述通过LS-dyna软件对所述安全子学科的安全碰撞加速度进行求解的步骤之前还包括：设置所述安全子学科的安全碰撞加速度的输出文件类型为dyna的key文件；

通过moldflow软件对所述冲压子学科的冲压Z向变形进行求解的步骤之前还包括：设置材料的模具温度范围、熔体温度范围以及材料的流变能力曲线以及体积比容相对对于温度变化的曲线。

8.如权利要求1所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述分别建立4个所述子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件分别对4个所述子学科的考察目标进行求解的步骤包括：

建立当前子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件对当前子学科的考察目标进行求解；

将当前子学科的有限元模型的格式转换为另一个子学科对应的有限元模型的格式，得到所述另一个子学科的有限元模型，并通过CAE分析软件对所述另一个子学科的考察目标进行求解。

9.如权利要求2所述的汽车仪表板总成优化方法，其特征在于，所述约束条件为：

抗凹变形小于0.5mm；NVH第一阶模态值大于32HZ；安全头碰碰撞点持续3ms最大加速度值小于64(g)；冲压Z向变形小于3mm。