概念車身梁截面厚度優(yōu)化設計

1、設計計算研究····概念車身梁截面厚度優(yōu)化設計*胡平郭潤清侯文彬姜兆娟（大連理工大學工業(yè)裝備結(jié)構(gòu)分析國家重點實驗室）為了實現(xiàn)在概念設計階段優(yōu)化設計車身復雜梁截面厚度，建立了梁截面幾何屬性和PSO優(yōu)化算法，并【摘要】基于UG/OPEN平臺開發(fā)了梁截面設計和梁截面厚度優(yōu)化模塊，實現(xiàn)了多約束條件下車身梁截面厚度的優(yōu)化設計。針對某一具體車型進行了概念車身梁截面厚度優(yōu)化設計，使優(yōu)化目標車身質(zhì)量實現(xiàn)了輕量化，同時改善了模型彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度。主題詞：車身梁截面概念設計厚度優(yōu)化中圖分類號：U463.82文獻標識碼：A文章編號：10003703（2011）1000010

2、5OptimalDesignforBeamSectionThicknessofConceptVehicleBodyHuPing,GuoRunqing,HouWenbin,JiangZhaojuan（StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology）【Abstract】Foroptimizingthicknessofvehiclebodycomplicatedbeamsectionsinconceptdesignphase,algorithmsfordetermini

3、nggeometricpropertiesandPSOareestablished,andmodulesfordesigningsectionandoptimizingsectionthicknessaredevelopedbasedonUG/OPEN,throughwhichsectionthicknessoptimizationisimplementedundermulti-constraints.Beamsectionthicknessoftheconceptbodyisoptimizedforaspecificvehiclemodel,whichachieveslightweightf

4、urther,andimprovessimultaneouslymodelbendingandtorsionstiffness.Keywords：Body,Beamsection,Conceptdesign,Thicknessoptimization1前言梁截面厚度設計是車身概念設計的關鍵任務，常數(shù)和翹曲常數(shù)等是計算截面剛度的主要參數(shù)，是影響白車身剛度特性的重要因素2，3。假設梁截面有nc個最小腔，n條壁段，則第i壁段如圖1所示。i+11521lii19ti18y81091220因為截面決定了梁單元的實際性能，從而影響到整車車身性能。目前，該項工作主要依靠參照某具體車型和試驗模擬，容易造成截面

5、厚度盈余過多，從而使材料浪費和車身質(zhì)量增加14。因而，車身概念設計中需要一種更好的方法來設計梁截面厚度，提高車身概念模型的可靠性和合理性。本文建立了任意薄壁梁截面幾何屬性算法，成功開發(fā)了梁截面設計和厚度優(yōu)化的專用模塊，在車身概念設計系統(tǒng)VCD_ICAE5，63x4567i17121611中集成了上述專用模圖1截面第i壁段示意塊，并在UGNX5.0中成功實現(xiàn)商品化，在國內(nèi)汽車主機廠得到應用。基于上述專用模塊，實現(xiàn)了車身梁截面厚度的優(yōu)化設計和車身質(zhì)量的輕量化，提高了車身概念設計的效率和合理性。根據(jù)弗拉索夫薄壁桿件理論79，可推導計算薄壁截面屬性公式：nA=litii=1（1）2梁截面設計模塊車身梁

6、截面的幾何截面面積、截面慣性矩、扭轉(zhuǎn)1Ix=3（y+y2in2i+1+yiyi+1）liti（2）觹基金項目：國家863項目資助（No.2009AA04Z101）；國家自然科學基金重點項目資助（No.10932003）；國家973項目資助（No.2010CB832700）。2011年第10期1設計計算研究····1Iy=Ixy=6n（xi2+xi2+1+xixi+1）liti1iii+1i+1n（3）（4）（5）（6）式中，ti.low為厚度下限；ti.up為厚度上限；M為質(zhì)量；Sb為彎曲剛度；Sb_low為彎曲剛度下限；St為扭轉(zhuǎn)剛度；（2xy+2x1

7、y+xiyi+1+xi+1yi）litinc3St_low為扭轉(zhuǎn)剛度下限。3.2靈敏度分析為提高優(yōu)化效率，要分析梁截面板厚度對車身質(zhì)量的靈敏度，選擇靈敏度足夠大的單元作為最終優(yōu)化對象。車身結(jié)構(gòu)的靈敏度分析是指分析車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)fi的變化對車身結(jié)構(gòu)設計參數(shù)xj的變化敏感性，定義為：·（）（）=墜xjxj1It=1I=3乙t（s）ds+2A01sii（+2ii1ni+1+2i+1）liti式中，Ai為第i腔截面面積；為主廣義扇形坐標；i為第i腔的扭轉(zhuǎn)函數(shù)9；ti為梁截面厚度；li為薄壁梁長度。公式（1）計算梁截面面積，公式（2）公式（4）計算梁截面的慣性矩、慣性積，公式（5）計算梁截面

8、扭轉(zhuǎn)常數(shù)，公式（6）計算翹曲常數(shù)。可以看出厚度直接影響梁截面屬性。基于上述薄壁桿件算法，在VCD_ICAE中開發(fā)了梁截面設計專用模塊，實現(xiàn)了截面屬性計算、截面管理和截面編輯功能，如新建、刪除截面及截面形狀編輯等，其主界面如圖2所示。Sen（fi，xj）=（7）式中，X為所有車身結(jié)構(gòu)設計參數(shù)組成的向量；xj為車身結(jié)構(gòu)設計參數(shù)的變化值；e為與X同維的向量，與xj對應的元素為1，其余為0。本文中優(yōu)化目標是M，截面設計參數(shù)是梁截面板厚度t，公式（7）變?yōu)椋篠en（M，t）=3.3墜tPSO優(yōu)化算法該模塊使用了PSO（particleswarmoptimization）優(yōu)化算法。因為PSO算法沒有很多參

9、數(shù)需要調(diào)整，不需要梯度信息，易于實現(xiàn)，已成為非線性優(yōu)化問題、組合優(yōu)化問題和混合整數(shù)非線性優(yōu)化問題的有效優(yōu)化工具10，11。PSO算法中，粒子i的信息可以用D維向量表示，位置向量Xi=（xi1，xi2，xid）T，速度向量Vi=（vi1，vi2，vid）T，速度和位置的更新公式為式（8）和式（9）。kkkkk+1kkk（pbid-xid）+c2r2（gbd-xid）vid=vid+c1r1kk+1k+1xid=xid+vid（8）（9）圖2梁截面設計模塊主界面式中，vid為粒子i在第k次迭代中第d維的速度；3梁截面厚度優(yōu)化模塊該模塊以車身質(zhì)量為優(yōu)化目標，彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)c1、c2為學習因子，用于調(diào)

10、節(jié)步長，通常取c1=c2=2；r1、r2為隨機數(shù)，取值范圍0，1；pbid為粒子i在第d維的個體極值點位置（狀態(tài)）；gbd為整個粒子群在第d維的全局極值點位置（狀態(tài)）。n剛度為約束，實現(xiàn)了梁截面厚度優(yōu)化和車身輕量化。3.1優(yōu)化數(shù)學模型根據(jù)設計變量、優(yōu)化目標和約束條件，建立優(yōu)化數(shù)學模型如下。當位置向量im|x=1k+1i-xik|<或迭代次數(shù)k達到n設計變量：厚度向量T=（t1，t2，tn）T優(yōu)化目標：MinM（t）=Ailij=1設定的最大值時迭代停止。本文中設計變量梁截面厚度向量T=（t1，t2，tn）T，所以粒子的維度D=n，即第i個粒子位置向量Xi=Ti=（ti1，ti2，tin）

11、T，速度向量Vi=（vi1，vi2，vin）T，PSO算法的適應度函數(shù)為質(zhì)量M（T），本文采用的停機準則汽車技術約束條件：SbSb_low；StSt_low；ti（ti.low，ti.up）2設計計算研究····為i=1NM（Tik+1）-M（Tik）<，其中N為初始粒子數(shù)。截面厚度的靈敏度計算結(jié)果。從表1中可以看出，門檻梁外板的厚度靈敏度最大，達到3.71，說明其對車身質(zhì)量的影響最大。選取靈敏度大于1.0的對象為最終優(yōu)化設計變量，確定本次優(yōu)化31個設計變量，詳細情況如表2所列。表1和表2中變量前的T代表該變量的厚度，_O表示外板，_I表示內(nèi)板，_

12、R1表示加強板1，_R2表示加強板2。表1靈敏度計算結(jié)果設計變量靈敏度值設計變量靈敏度值設計變量靈敏度值4優(yōu)化實例使用上述專用模塊，基于UG/OPENAPI二次開發(fā)平臺，實現(xiàn)了某車身概念模型的厚度優(yōu)化設計。4.1優(yōu)化模型針對國產(chǎn)某具體車型，在UGNX5.0中建立了其全參數(shù)化的概念車身模型，如圖3所示。該模型包含78根薄壁梁，每根梁被賦予對應的截面，這些截面通過簡化詳細模型的梁截面獲得，所以截面復雜且具有較高等效性，如圖4所示。對于截面變化較大的梁（如B柱），采用將梁分為多段，分別賦予不同截面的辦法進行等效。截面的簡化、屬性計算、截面編輯和截面賦予由第2節(jié)中的梁截面設計模塊完成，為車身有限元模型

13、的快速建立提供了保障。B21B20B12B3B2B39B4B1B15B14B13B16B18B43B24B17B22B23B25B35B34T_B1_O1.397157T_B15_R20.809573T_B23_O1.086884T_B2_O1.638060T_B16_O3.338737T_B23_I1.270583T_B2_I1.600858T_B16_I1.596871T_B24_O0.848128T_B3_O1.256778T_B17_O2.362258T_B24_I0.537244T_B4_O0.210949T_B17_I1.568663T_B24_R10.654656T_B12_O1

14、.938660T_B17_R12.362258T_B25_O1.228579T_B12_I1.798151T_B18_O1.033310T_B25_I1.321718T_B12_R12.407034T_B18_I0.748383T_B34_O1.159770T_B13_O1.327707T_B18_R10.833979T_B34_I0.916931T_B13_I0.772677T_B20_O0.952110T_B34_R10.979628T_B13_R11.229412T_B20_I0.620765T_B35_O1.566110T_B14_O3.710194T_B20_R10.709051T_

15、B35_I2.566877T_B14_I2.687138T_B21_O1.344817T_B39_O1.914763T_B14_R12.994478T_B21_I1.550489T_B39_I2.818047T_B15_O0.936687T_B22_O0.763941T_B39_R11.789357T_B15_I1.183492T_B22_I0.517845T_B43_O0.891680T_B15_R10.736392T_B22_R10.586506T_B43_I0.650120圖3概念車身CAD模型為了方便說明，本文選取21根梁（圖3）進行分析，分別為散熱器固定橫梁（B1）、前保險杠（B2）

16、、發(fā)動機罩前支撐梁（B3）、散熱器固定豎梁（B4）、前圍上蓋梁（B12）、前彈簧支座豎梁（B13）、門檻梁（B14）、前縱梁（B15）、前排座椅橫梁（B16）、地板凸包梁（B17）、后地板邊梁（B18）、A柱上部梁（B20）、頂蓋前橫梁（B21）、頂蓋前側(cè)邊梁（B22）、頂蓋中橫梁（B23）、頂蓋后側(cè)邊梁（B24）、頂蓋后橫梁（B25）、C柱上部梁（B34）、行李艙橫梁（B35）、后地板橫梁（B39）和C柱下部梁（B43）。4.3優(yōu)化結(jié)果本次優(yōu)化過程按照優(yōu)化數(shù)學模型進行。彎曲工況下，約束車身后懸架彈簧支座X、Y、Z3個方向的自由度和前懸架彈簧支座Y、Z方向的平動，6500N的載荷垂直加在座椅安

17、裝點左右對稱位置；扭轉(zhuǎn)工況下，約束后懸架彈簧支座6個自由度和前保梁中部Z向的平動自由度，大小相等、方向相反的2000N載荷垂直施加在左、右前懸架彈簧支座。彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度以截面屬性為已知參數(shù)，基于UG/OPENAPI實現(xiàn)計算。優(yōu)化中設定各梁截面厚度范圍為初始值上、下浮動2%，表2列出了本次優(yōu)化的詳細結(jié)果。從表2（a）詳細模型B柱截面圖4（b）概念模型B柱簡化截面可以看出，優(yōu)化后的模型有29個梁截面板厚度變小，只有門檻梁外板和內(nèi)板（T_B14_O，T_B14_I）變厚；車身質(zhì)量從初始的226.14kg減輕到208.24kg，減輕了8%，同時模型的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度都得到小幅改善。圖5為本次優(yōu)化

18、車身質(zhì)量的迭代過程，在3車身模型B柱截面4.2靈敏度計算為了提高優(yōu)化效率，首先計算各梁截面厚度對車身質(zhì)量的靈敏度，確定優(yōu)化單元。表1為21根梁2011年第10期設計計算研究····表2變量車身質(zhì)量/kg彎曲剛度/N·mm-1扭轉(zhuǎn)剛度/N··（°）-1m初始值優(yōu)化值梁截面詳細優(yōu)化結(jié)果取值變量初始值優(yōu)化值取值226901.201.800.800.800.800.750.701.000.701.200.701.801.00208.24624564390.750.981.440.640.640.6

19、40.600.680.830.711.440.561.440.80208.5624564390.751.001.450.650.650.650.600.700.850.701.450.601.450.80T_B16_I/mmT_B17_O/mmT_B17_I/mmT_B17_R1/mmT_B18_O/mmT_B21_O/mmT_B21_I/mmT_B23_O/mmT_B23_I/mmT_B25_O/mmT_B25_I/mmT_B34_O/mmT_B35_O/mmT_B35_I/mmT_B39_O/mmT_B39_I/mmT_B39_R1/mm0.601.000.601.500.700.750.

20、700.751.400.750.600.700.901.700.701.601.000.480.800.481.200.560.600.560.601.120.600.480.560.721.360.631.400.860.500.800.501.200.600.600.600.601.150.600.500.600.751.400.651.400.85T_B1_O/mmT_B2_O/mmT_B2_I/mmT_B3_O/mmT_B12_O/mmT_B12_I/mmT_B12_R1/mmT_B13_O/mmT_B13_R1/mmT_B14_O/mmT_B14_I/mmT_B14_R1/mmT_B

21、15_I/mmT_B16_O/mm第32次迭代中，所有粒子集中到全局最優(yōu)解，質(zhì)量得到明顯減輕。230.0227.5225.0222.5220.0217.5215.0212.5210.0207.5205.01023456789101314111215161718192021222324252627282930應力/kPa3.435×1053.122×1052.810×1052.498×1052.186×1051.873×10531ZcYcXc質(zhì)量/kg1.561×1051.249×1059.367×1043

22、26.245×1043.122×1040ZYX33,208,240246810121416182022242628303234迭代次數(shù)圖7優(yōu)化模型應力云圖圖5質(zhì)量優(yōu)化迭代為了驗證此次優(yōu)化結(jié)果，基于UGNX5中的5結(jié)束語a.在選定的31個梁截面板厚度中，29個板厚Nastran求解器，分析了優(yōu)化模型的位移云圖和應力云圖情況，分別如圖6和圖7所示?？梢钥闯?，優(yōu)化后模型的位移和應力均在安全范圍內(nèi)，即此次厚度優(yōu)化具有實用性。位移/mm2.516×10-2度減薄，只有門檻梁外板和內(nèi)板厚度增加，說明概念模型初步選定的梁截面厚度需要進行優(yōu)化。b.優(yōu)化目標車身質(zhì)量從初始值226.

23、14kg減輕到208.24kg，車身質(zhì)量減輕18kg，達到了車身輕量化目標。-6.946×10-2-1.641×10-1-2.597×10-1-3.533×10-1-4.480×10-1-5.426×10-1-6.372×10-1-7.318×10-1-8.265×10-1-9.211×10-1Z-1.016YXZcYcXcc.d.優(yōu)化約束彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度都得到了小幅提高，厚度優(yōu)化的同時改善了模型剛度。PSO優(yōu)化算法成功實現(xiàn)了概念車身厚度多參考文獻約束條件下的優(yōu)化。1優(yōu)化模型位移云圖蘭鳳崇，陳

24、吉清，林建國.轎車參數(shù)化分析模型的構(gòu)造及應用研究.計算機集成制造系統(tǒng)，2005，11（2）:183188.汽車技術圖64設計計算研究····某轎車保險杠橫梁結(jié)構(gòu)抗撞性優(yōu)化程秀生1劉維海1郝玉敏2馬志良3唐洪斌2（1.吉林大學；2.中國第一汽車股份有限公司技術中心；3.國家汽車質(zhì)量監(jiān)督檢驗中心）針對某轎車在進行車速為56km/h的正面40%偏置碰撞試驗中，前保險杠橫梁斷裂、乘員艙侵入過大問【摘要】題，主要從抗彎性能和材料等方面對前保險杠橫梁提出改進方案，并利用有限元仿真方法對保險杠橫梁改進方案進行仿真計算。試制改進方案樣件進行了車速為56km/h的正面40

25、%偏置碰撞試驗，試驗結(jié)果表明，改進方案解決了原保險杠橫梁斷裂問題，提高了保險杠橫梁的耐撞性能。主題詞：轎車保險杠橫梁結(jié)構(gòu)優(yōu)化中圖分類號：U463.32+6文獻標識碼：A文章編號：10003703（2011）10000505OptimizationofaPassengerCarsBumperBeamforCrashworthinessChengXiusheng1，LiuWeihai1，HaoYumin2，MaZhiliang3，TangHongbin2（1.JilinUniversity；2.ChinaFAWCo.,LtdR&DCenter；3.NationalAutomotiveQua

26、litySupervision&InspectionCenter）【Abstract】Inthefrontal56km/h40%offsetimpacttest,thefrontbumperbeamrupturesandtheextraimpactenergypassestothepassengercompartmentwhichmakethegreaterintrusiontothepassengercompartment.Tosolvesuchproblems,animprovementplanofthefrontbumperbeamisgivenaccordingtotheper

27、formanceofbending-resistanceandmaterial.ComputationofthefrontbumperbeamwasperformedwiththeFEsimulation,andthenthecompletevehicle56km/h40%offsetdeformablebarrierimpacttestwiththeimprovedstructureswascarriedout.Asaresult,theoptimizedbumperbeameliminatedthecauseofbumperbeamrupture,andobviouslyimprovedi

28、tscrashworthiness.Keywords：Passengercar,Bumperbeam,Structureoptimization及時將碰撞能量傳遞到左右吸能盒、前縱梁等主要吸能部件，使其充分吸收碰撞能量，減小乘員艙侵入變形；在汽車與行人發(fā)生碰撞時，保險杠可以最大限8AleksandarProkic.Computerprogramfordeterminationofgeometricalpropertiesofthin-walledbeamswithopen-closedsection.AdvancesinEngineeringSofware，2000，74:705715.910MurrayNW.IntroductiontotheTheoryofThin-walledStructures.Oxford:OxfordUniversityPress，1984.EberhartR.C.，ShiY.HParticleSwarmOptimization：De-velopments，applicationsandresources.Proc.CongressonEvolu-tionar