CN111324980B - 一种汽车结构轻量化分级优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，先搭建整车有限元模型，再基于整车有限元模型展开第一层级优化和第二层级优化；第一层级优化先构造软约束模型，然后进行拓扑优化分析，对研究对象的材料分布进行优化，然后优化研究对象的结构形状，再查找出软约束模型中应变能集中的区域，并对应变能集中的区域进行优化；第二层级优化先以整车有限元模型为分析对象，执行仿真分析，然后建立控制因子与输出性能的传递函数，再基于传递函数，完成控制因子的优化，得到最优解。本发明提出的一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，通过适度轻量化，能够减轻设计冗余或性能不足问题；能够充分关联和提升整车性能，结构优化效果更明显。
Description
技术领域
本发明涉及汽车轻量化技术领域，具体涉及一种汽车结构轻量化分级优化设计方法。
背景技术
汽车轻量化，即在保证相关性能的前提下，使质量最轻，从而降低整车质量和燃料消耗。实现轻量化，主要有三种途径：1、结构轻量化，即采用更合理的结构设计，也是较经济实用的途径；2、材料轻量化，即采用强度高、密度低的轻质金属或非金属材料；3、工艺轻量化，即通过更先进的工艺技术。
现有的汽车结构轻量化技术均以研究对象单体（闭合件、白车身）“硬约束状态”（边界自由度完全锁定或完全放开）下模态、刚度等性能为约束条件，质量最小为优化目标实现轻量化。这样带来的问题是显而易见的，由于未能有效体现研究对象的真实约束边界，其性能与整车性能关联性不高，即使研究对象单体硬约束状态下性能控制合格，但在整车状态下的性能还是会发生各种各样的性能不达标问题，会导致设计冗余或性能不足问题。
发明内容
本发明针对现有汽车结构轻量化技术不能有效关联和反映整车性能而导致设计冗余或性能不足的问题，提出一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，能够实现汽车结构轻量化正向开发，并且能够兼顾整车性能和质量。
本发明所述的一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，
先搭建整车有限元模型，再基于整车有限元模型展开第一层级优化和第二层级优化；
所述第一层级优化包括如下步骤：
步骤一、在整车有限元模型上截取研究对象，构造软约束模型；
步骤二、基于步骤一中的软约束模型，以研究对象的系统级性能指标为约束条件、质量最小为优化目标，进行拓扑优化分析，对研究对象的材料分布进行优化；
步骤三、对经过步骤二优化后的软约束模型进行形状优化，优化研究对象的结构形状；
步骤四、对经过步骤三优化后的软约束模型进行应变能分析，查找出软约束模型中应变能集中的区域，并对应变能集中的区域进行优化；
所述第二层级优化包括如下步骤：
步骤1、完成第一层级优化后，将设计变更的零件或区域更新至整车有限元模型中，以更新后的整车有限元模型为基础，以研究对象的料厚参数为控制因子，以研究对象的整车级相关性能为输出性能，采用哈默斯雷采样实验设计方法制定实验计划，并执行仿真分析；
步骤2、根据步骤1中的仿真分析结果，建立控制因子与输出性能的传递函数；
步骤3、基于步骤2中的传递函数，以“输出性能≤设计目标值”为约束条件，以“质量最小”为优化目标，采用模拟退火算法完成控制因子的优化，得到最优解，调用整车有限元模型对最优解进行验证。
进一步，所述步骤二具体为：基于步骤一中的软约束模型，建立拓扑优化设计空间，以研究对象的系统级性能指标为约束条件、质量最小为优化目标，进行拓扑优化分析，在设计空间内找到最优的材料分布，保留关键部位的材料，去除不关键部位的材料。
进一步，所述步骤三具体为：经过步骤二优化后，研究对象上不关键部位的材料被去除以形成孔洞，通过将有限元网格节点移动或变形到新的位置，经过网格和节点变形，确定具有最佳性能的孔洞形状。
进一步，在步骤四中，对应变能集中的区域进行优化的方法包括在应变能集中的区域增设加强件。
进一步，所述步骤2具体为：根据步骤1中的仿真分析结果，基于多项式响应面方法，建立控制因子与输出性能的传递函数，并利用误差分析法对传递函数进行精度验证。
进一步，研究对象为背门结构，软约束模型包括背门、车身背门框以及背门与车身连接件，研究对象的性能指标包括背门的弯曲模态和扭转模态，研究对象的料厚参数包括背门内板料厚、背门外板料厚和加强件料厚；研究对象的整车级相关性能包括整车下背门振动性能。
本发明公开的一种汽车结构分级优化设计方法分为两个层级，第一层级优化是：基于软约束状态下研究对象的性能指标，采用拓扑优化技术，找到最佳的材料分布，采用形状优化技术对研究对象进行形状优化，再采用应变能分析技术，识别研究对象的薄弱部位并进行优化；第二层级优化是：基于相关的整车性能指标，采用参数优化技术，确定研究对象的最佳零件料厚。第一层级优化实现研究对象系统级性能与整车性能的强关联，通过进行分层级优化，实现汽车结构轻量化同时，能够兼顾整车性能。本发明提出的一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，通过适度轻量化，能够减轻设计冗余或性能不足问题；本发明相较于基于“硬约束状态”下性能的结构优化，能够充分关联和提升整车性能，结构优化效果更明显。本发明充分考虑整车性能指标，达到一次性设计对的效果，规避整车性能问题，降低了后期设计变更带来的研发周期加长、研发费用增加的风险。
附图说明
图1为一种汽车结构轻量化分级优化设计方法的流程示意图；
图2为背门结构软约束模型截取方法示意图；
图3为背门结构形状优化结果示意图；
图4为整车下背门振动性能分析工况集成示意图；
图5为表1。
具体实施方式
下面通过以背门结构为研究对象的设计实例，结合附图对本发明做进一步说明。
如图1所示，本发明所述的一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，首先搭建整车有限元模型，并通过整车模态分析检验建模质量，再基于整车有限元模型展开第一层级优化和第二层级优化；第一层级优化是基于软约束状态下研究对象性能指标的结构优化，第二层级优化是基于整车性能指标的参数优化；
第一层级优化包括步骤一、步骤二、步骤三和步骤四，具体如下：
步骤一、在整车有限元模型上截取研究对象，构造软约束模型；
软约束模型的截取方法为：如图2所示，以背门铰链和锁扣中心形成的平面为基准，向车头方向截取200mm，图2中1为模型截取平面。其中软约束模型的截取界面处约束1至6自由度。软约束模型包括三个部分：背门（包含内饰、配重等结构，模型与整车状态一致）、车身背门框、背门与车身连接件。经过截取，背门边界自由度采用真实参数约束，即采用背门与车身连接件约束，分别为铰链、锁扣、密封条、缓冲块和支撑杆，均赋值真实测量参数。软约束是指研究对象的边界自由度赋值真实参数进行约束。
步骤二、基于步骤一中的软约束模型，建立拓扑优化设计空间，以研究对象的性能指标为约束条件、质量最小为优化目标，进行拓扑优化分析，在设计空间内找到最优的材料分布，保留关键部位的材料，去除不关键部位的材料；本实施例中拓扑优化材料模式采用OptiStruct软件提供的密度法（SIMP，Solid Isotroic Material with PenalizationModel），即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度”作为设计变量。该单元密度在0至1之间连续取值，优化求解后，单元密度为1（或靠近1）表示该单元位置处的材料很重要，需要保留。单元密度为0（或靠近0）表示该单元位置处的材料不重要，可以去除，从而达到材料高效利用，实现轻量化。
针对背门结构而言，步骤二的具体实施方案为，基于步骤一中的软约束模型，建立拓扑优化设计空间，以背门内板可设计变更区域作为拓扑优化设计空间（背门外板是造型面，不可变更）；设计变量：设计空间的单元密度；约束条件：背门的弯曲模态≤目标值，背门的扭转模态≤目标值；优化目标为：软约束模型总质量最小。进行拓扑优化分析，读取优化求解结果。在设计空间内找到最优的材料分布，保留单元密度靠近1的单元位置（关键部位）处的材料，去除单元密度靠近0的单元位置（不关键部位）处的材料，得到背门内板设计区域的材料分布情况，识别出设计空间内传力路径。基于拓扑优化结果，对背门内板重新进行工程化建模，即基于拓扑优化结果更新背门内板的设计数据。
步骤三、对经过步骤二优化后的软约束模型进行形状优化，优化研究对象的结构形状；
经过步骤二优化后，背门内板上不关键部位的材料被去除，形成孔洞，形状优化通过将有限元网格节点移动或变形到新的位置，相当于改变结构的CAD设计，经过网格和节点变形，确定具有最佳性能的孔洞形状。
具体的，基于OptiStruct软件自由形状优化设置如下：
设计变量：为孔洞边缘的所有节点；约束条件：背门的弯曲模态≤目标值，背门的扭转模态≤目标值；优化目标：软约束模型总质量最小。执行优化求解，经过网格和节点变形，得到优化结构，应用优化结构，确定具有最佳性能的孔洞形状，结果如图3所示，2为优化后的孔洞。
步骤四、对经过步骤三优化后的软约束模型进行应变能分析，设置分析频率范围或模态阶次，求解完成后输出应变能分析结果。查找出软约束模型中应变能集中的区域，并对应变能集中的区域进行结构优化；具体的，对经过步骤三优化后的软约束模型进行应变能分析，设置模态分析频率范围为0-80Hz，设置输出应变能结果（参数设置为ESE=ALL，Element Strain Energy）。参数设置完成后，执行应变能分析，查看应变能分析结果，确定模型中应变能集中的区域，应变能集中的区域即为结构薄弱部位，然后对应变能集中的区域进行优化。
在本实施例中，应变能集中区域为背门内板中部区域和锁扣下方型面过渡区域，改善应变能集中采用的方法包括：（1）、通过在背门内板中部区域增加加强件的方式增加局部抗变形能力；（2）、针对应变能集中发生在型面过渡区域，则调整过渡区域为平缓过渡。经过应变能分析，改善结构设计中存在的明显薄弱部位。
第二层级优化包括步骤1、步骤2和步骤3，具体如下：
步骤1、完成第一层级优化后，将设计变更的零件或区域更新至整车有限元模型中，以更新后的整车有限元模型为基础，以研究对象的料厚参数为控制因子（设计变量），以研究对象的整车级相关性能为输出性能，采用哈默斯雷采样实验设计方法制定实验计划，并执行仿真分析；具体操作时，可以先建立整车级仿真工况，然后在Optimus软件平台下集成整车级仿真工况，再制定控制因子的设计空间，然后便可执行仿真分析。具体的，以整车有限元模型为分析对象，轮心Z向单位激励为输入，以整车下背门振动性能为输出性能，执行整车下背门振动工况的仿真分析。如图4所示，在Optimus软件平台下，将此仿真分析进行集成，设定背门内板、背门外板、加强板等背门结构的零部件的料厚参数为控制因子，制定控制因子的设计空间，采用哈默斯雷实验设计方法制定实验计划，实验样本量为50；集成工作流按照制定的实验计划，自动执行50次仿真分析。
步骤2、根据步骤1中的仿真分析结果，基于多项式响应面方法，建立控制因子与输出性能的传递函数，并利用误差分析法对传递函数进行精度验证。若精度不满足要求则返回步骤1，增加样本量，继续进行仿真分析,直至精度满足要求。具体的，传递函数为背门结构零部件的料厚参数与整车下背门振动性能的函数关系，本实例中传递函数精度 QUOTE
=99%（满足精度 QUOTE 
＞90%的判定条件），确定所构造的传递函数精度满足优化要求。
步骤3、基于步骤2中的传递函数，以“输出性能≤设计目标值”为约束条件，以“质量最小”为优化目标，采用模拟退火算法完成控制因子的优化，得到最优解，调用整车有限元模型对最优解进行验证。若有限元模型仿真分析结果满足设计目标值，说明优化有效；否则，说明设计空间内不存在满足性能要求的解，需要适当增大步骤1中控制因子的设计空间，返回步骤1，重新进行优化设计。本实例中，基于步骤2的传递函数得到最优解，进行有限元模型仿真验证，发现优化解验证结果满足设计目标值（背门外板最大振动值135 mm/s2，低于目标值140mm/s2），优化有效，同时背门质量减重2Kg，实现背门结构轻量化的目的。具体数值如下图5中的表1所示。
Claims (5)
1.一种汽车结构轻量化分级优化设计方法，其特征在于，
先搭建整车有限元模型，再基于整车有限元模型展开第一层级优化和第二层级优化；
所述第一层级优化包括如下步骤：
步骤一、在整车有限元模型上截取研究对象，构造软约束模型；
步骤二、基于步骤一中的软约束模型，以研究对象的系统级性能指标为约束条件、质量最小为优化目标，进行拓扑优化分析，对研究对象的材料分布进行优化；
步骤三、对经过步骤二优化后的软约束模型进行形状优化，优化研究对象的结构形状；
步骤四、对经过步骤三优化后的软约束模型进行应变能分析，查找出软约束模型中应变能集中的区域，并对应变能集中的区域进行优化；
所述第二层级优化包括如下步骤：
步骤1、完成第一层级优化后，将设计变更的零件或区域更新至整车有限元模型中，以更新后的整车有限元模型为基础，以研究对象的料厚参数为控制因子，以研究对象的整车级相关性能为输出性能，采用哈默斯雷采样实验设计方法制定实验计划，并执行仿真分析；
步骤2、根据步骤1中的仿真分析结果，建立控制因子与输出性能的传递函数；
步骤3、基于步骤2中的传递函数，以“输出性能≤设计目标值”为约束条件，以“质量最小”为优化目标，采用模拟退火算法完成控制因子的优化，得到最优解，调用整车有限元模型对最优解进行验证；
研究对象为背门结构，软约束模型包括背门、车身背门框以及背门与车身连接件，研究对象的性能指标包括背门的弯曲模态和扭转模态，研究对象的料厚参数包括背门内板料厚、背门外板料厚和加强件料厚；研究对象的整车级相关性能包括整车下背门振动性能；
经过截取，背门边界自由度采用真实参数约束，即采用背门与车身连接件约束，背门与车身连接件分别为铰链、锁扣、密封条、缓冲块和支撑杆，背门与车身连接件均赋值真实测量参数；软约束是指研究对象的边界自由度赋值真实参数进行约束。
2.根据权利要求1所述的汽车结构轻量化分级优化设计方法，其特征在于，所述步骤二具体为：基于步骤一中的软约束模型，建立拓扑优化设计空间，以研究对象的系统级性能指标为约束条件、质量最小为优化目标，进行拓扑优化分析，在设计空间内找到最优的材料分布，保留关键部位的材料，去除不关键部位的材料。
3.根据权利要求2所述的汽车结构轻量化分级优化设计方法，其特征在于，所述步骤三具体为：经过步骤二优化后，研究对象上不关键部位的材料被去除以形成孔洞，通过将有限元网格节点移动或变形到新的位置，经过网格和节点变形，确定具有最佳性能的孔洞形状。
4.根据权利要求1所述的汽车结构轻量化分级优化设计方法，其特征在于，在步骤四中，对应变能集中的区域进行优化的方法包括在应变能集中的区域增设加强件。
5.根据权利要求1所述的汽车结构轻量化分级优化设计方法，其特征在于，所述步骤2具体为：根据步骤1中的仿真分析结果，基于多项式响应面方法，建立控制因子与输出性能的传递函数，并利用误差分析法对传递函数进行精度验证。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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