天津一汽轎車車身

1、3.2課題主要研究技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢，課題主要研究技術國內外專利 授權情況3.2.1課題主要研究技術的國內外發(fā)展現(xiàn)狀與趨勢中國汽車工業(yè)自20世紀80年代中期以來得到迅猛發(fā)展，特別是20世紀90 年代以來，國外汽車工業(yè)公司紛紛在中國開展生產銷售業(yè)務，極大地提升了國內 汽車行業(yè)的生產率和競爭力。與此同時，中國的汽車產量也迅速增加，2006年 中國汽車產量已達728萬輛，成為僅次于美國和日本的世界第三大汽車生產國。 轎車車身的自主研發(fā)能力是轎車自主創(chuàng)新及實現(xiàn)自主品牌戰(zhàn)略的標志，具有非常 重要的戰(zhàn)略意義。隨著車身設計的復雜性和技術含量不斷提高以及用戶對車身的 個性化需求愈來愈強烈，車身的開發(fā)將

2、趨于模塊化、標準化。1)車身設計技術汽車車身不僅組成零件繁多，而且結構復雜。在現(xiàn)代轎車的設計開發(fā)過程中， 轎車車身大多數采用全承載式結構。以普通轎車白車身為例，是由鋼板沖壓件焊 接而成的空間板梁組合殼體，由400500多個沖壓件組成。車身設計復雜，設 計周期長，是汽車整車開發(fā)的瓶頸環(huán)節(jié)。傳統(tǒng)的車身設計方法1采用塑造汽車 外形的油泥模型，再根據油泥模型制造主樣板、主圖板、主模型進而完成汽車結 構設計。這種方式存在開發(fā)周期長、設計累計誤差大、開發(fā)成本高和產品的通用 化及系列化程度低等問題，已經逐漸被現(xiàn)代車身設計方法所取代。20世紀80年 代以來，計算機軟硬件技術取得了突破性的進步，高速圖形工作站和

3、功能強大的 CAD系統(tǒng)的出現(xiàn)，使得國內外各大汽車公司紛紛引進了 CAD/CAM等先進的設計方 法來進行車身設計，車身設計由此翻開了嶄新的一頁。隨著CAD/CAM技術的應用， 計算機數學模型被用來表達車身表面形狀，并貫穿于車身CAD、CAE、CAPP、CAM 等整個過程，從而使得設計觀念和方法得到了徹底的更新。由于車身數學模型在 開發(fā)各環(huán)節(jié)中直接傳遞，確保了設計速度和一致準確性，而且所發(fā)現(xiàn)的問題易于 修改，使車身設計的質量得到明顯提高，周期顯著縮短。計算機在車身設計工程應用方面，其發(fā)展過程大體上可分為五個階段，即： 電子二維繪圖(Electronic Drawing);三維設計(3D Desig

4、n);數字樣機 (Digital Mock-up);虛擬產品及工藝(Virtual Product & Process);智 能軟件(Knowledgeware)。計算機雖然已經廣泛地運用在我國汽車企業(yè)的車身設 計中，但與世界先進汽車工業(yè)的計算機整體應用水平仍存在著巨大的差距。先進 國家汽車工業(yè)的計算機應用水平已發(fā)展到第四階段，但我國車身設計的計算機應 用剛剛進人第二階段和第三階段。目前，我國汽車行業(yè)在采用信息化技術改造傳統(tǒng)設計手段方面有了長足的進 步。盡管一些中外合資的大型汽車公司主要的設計與制造技術以及一些產品是以 引進為主的，但是，多數企業(yè)已經部分或全面地采用CAD/CAE/CAM 一體

5、化技術進 行新產品的開發(fā)和模具產品的設計制造。而并行工程、虛擬制造等技術尚處于研 究階段，通過不斷的探索正在向實用階段過渡，目前國內僅有極少數的企業(yè)真正 達到這一水平。因此，開展基于虛擬制造技術的車身開發(fā)設計，對于發(fā)展我國民 族汽車工業(yè)具有重要的價值。2)車身創(chuàng)新設計使能技術(1)數字化產品定義及數字化產品開發(fā)產品數字化定義2(Digital Product Definition,DPD)技術是在產品信息 建模技術上發(fā)展起來的、面向產品數據管理層的應用技術，其主要目標是以面向 產品管理層的信息建模為目的，以設計、制造等過程中應用層建模為基礎，以數 字化過程的多種規(guī)范為約束條件，以產品結構樹為紐

6、帶，最終實現(xiàn)產品的數字化 定義及其產品數據管理的過程。數字樣機3(Digital mock-up，DMU)概念的建立是基于傳統(tǒng)制造系統(tǒng)中的 物理樣機(physical mock-up，PMU)，通過用反映一定物理樣機功能的數字模型 來表示物理樣機的各實物部分，達到減少物理樣機制造的目的。按照復雜產品研 制的不同階段，數字樣機的定義可以劃分為3級4： 一級數字樣機，是面向方 案設計的樣機，主要由主尺寸表面模型、產品模型的包絡空間以及主要的空間位 置分布等組成；二級數字樣機，是面向產品的初步設計，它定義了產品的初步結 構形式，并完成了產品模型之間連接界面的干涉檢查；三級數字樣機，是對產品 模型的精

7、確定義，包括產品模型應遵循的各種標準所形成的產品尺寸模型。復雜產品的開發(fā)一般是一個龐大而復雜的系統(tǒng)工程，因此建立統(tǒng)一的產品數 字化定義規(guī)范，對于異地協(xié)同設計是至關重要的。目前為止數字化設計技術的發(fā) 展歷程可以大體上劃分為以下三個階段5：CAx工具的廣泛應用。自20世紀 50年代開始，各種CAD / CAM工具開始出現(xiàn)并逐步應用到制造業(yè)中。這些工具的 應用表明制造業(yè)已經開始將利用現(xiàn)代信息技術來改進傳統(tǒng)的產品設計過程，標志 著數字化設計的開始。并行工程(Concurrent Engineering, CE)思想的提出與 推行。20世紀80年代后期提出的并行工程是一種新的指導產品開發(fā)的哲理，是 在現(xiàn)

8、代信息技術的支持下對傳統(tǒng)的產品開發(fā)方式的一種根本性改進PDM(產品數 據管理)技術及DFx(如DFM、DFA等)技術是并行工程思想在產品設計階段的具體 體現(xiàn)。虛擬樣機(Virtual Prototyping, VP)技術。隨著技術的不斷進步，仿 真在產品設計過程中的應用變得越來越廣泛而深刻，由原先的局部應用(單領域、 單點)逐步擴展到系統(tǒng)應用(多領域、全生命周期)。虛擬樣機技術正是這一發(fā)展 趨勢的典型代表。產品設計的數字化是企業(yè)信息化的重要內容。近年來，隨著產品復雜性的不 斷增長，以及企業(yè)問競爭的日趨激烈，傳統(tǒng)的產品設計方法已經很難滿足企業(yè)當 前生存和發(fā)展的需要。為了能在競爭中處于有利位置，實

9、現(xiàn)產品設計數字化勢在 必行。目前，數字樣機技術在汽車行業(yè)主要用于裝配、布局及干涉檢查6-7。 Antonino8提出一種可用于驗證裝配及維護過程的虛擬現(xiàn)實工具，并探討了虛 擬現(xiàn)實技術與信息系統(tǒng)集成技術。(2)虛擬樣機技術虛擬樣機技術(Virtual Prototyping, VP)起源于上個世紀九十年代，以機 械系統(tǒng)運動學、動力學和控制理論為核心，加上成熟的三維計算機圖形技術和基 于圖形的用戶界面技術，以及廣泛應用的網絡技術、計算機技術、信息技術、集 成技術等，將分散的產品設計開發(fā)和分析過程集成在一起，將虛擬技術與仿真技 術相結合，使CAD/CAE/CAM技術提升到更高層次，從而使得復雜產品的

10、數字化開 發(fā)稱為可能9。Fan Dai等10將虛擬樣機技術定義為一種快速評價不同物理 產品設計的方法。Rajit Gadh等11認為虛擬樣機就是不制造產品的物理樣機 而進行產品的分析，虛擬樣機不必具有最終產品的所有特征，只需具有檢驗產品 設計是否滿足要求的關鍵特征。KerttulaM等12提出的虛擬顯示樣機技術中， 將虛擬樣機技定義為一個產品的數字模型。Antonino Gomes De Sa等8認為虛 擬樣機是虛擬現(xiàn)實與產品設計和仿真的集成。Tseng M M等13將虛擬樣機定義 為取代實際產品模型的一種數字模型，通過它可以對實際的物理產品進行幾何、 功能和可制造性方面的建模和分析。Bloo

11、r M S等14則認為虛擬樣機是將目前 CAD/CAE等CAx技術結合在一起的一種集成技術，虛擬樣機技術貫穿于產品生命 周期的全過程。目前，國外虛擬樣機相關的軟件化過程已經成熟，較有影響的是美國機械動 力公司(Mechanical Dynamics Inc, MDI)的 ADAMAS, CADSI 的 DADS,德國航天 局的 SLMPACK，其他還有 Working Model、FlOW3D、IDEAS、Phoenics、ANSYS、 Pamcrash等等。在應用研究方面，國外以Boeing公司為代表，在飛機設計中率 先實現(xiàn)了 100%的數字化定義。汽車工業(yè)的通用、福特、奔馳等都是虛擬樣機的

12、 最早實踐者，也是最大的受益者。此外，工程機械制造商Caterpillar公司、 JohnDeere公司、美國通用汽車公司電動機車部門、美國航空航天局(NASA)的噴 氣推進試驗室(JPL)等在新產品開發(fā)研制中都大量使用了基于全數字化的虛擬樣 機技術，雷諾、三菱發(fā)動機和大眾(Wolkswagen)汽車公司各自應用不同的數字化 解決方案實施數字化車輛設計15。VP技術豐富和深化了產品數字化開發(fā)技術，在復雜產品的開發(fā)中，對于啟 迪設計創(chuàng)新、提高設計質量、減少設計錯誤、加快產品開發(fā)周期具有重要意義， 同時非常適合異地網絡化制造模式。國內虛擬樣機技術的應用研究剛剛起步，目 前在航空發(fā)動機、武器裝備、機

13、械系統(tǒng)等方面有初步應用，但整體上與國外相比 還有很大差距。（3）模塊化和平臺設計模塊化設計（Modular Design）以產品功能-結構模塊為基本單元，根據產品 功能需求，通過模塊組合，進行產品系列派生，滿足用戶個性化需求，縮短設計 周期，降低設計、制造成本，是一種組合創(chuàng)新設計方法。模塊化設計包括模塊劃 分、產品規(guī)劃、模塊組合、模塊編碼、模塊創(chuàng)建、計算機輔助模塊化設計等。天 津大學在傳統(tǒng)模塊化設計的基礎上，發(fā)展了基于參數化建模、變量化分析和結構 優(yōu)化的廣義模塊化設計理論、方法和技術。模塊化設計是大規(guī)模定制和可適應設計的基礎。模塊化設計16的概念可追 溯到上世紀20年代，目前在機械、電子、船舶

14、、建筑、電力、武器裝備等行業(yè) 中得到廣泛應用17。模塊化設計是在對一定范圍內的不同功能或相同功能不同 性能、不同規(guī)格的產品進行功能分析的基礎上，劃分并設計出一系列功能模塊， 通過模塊的選擇和組合可以構成不同的產品，以滿足市場不同需求的設計方法。 它包括兩方面內容：一是根據設計要求進行功能分析，合理創(chuàng)建出一組模塊，即 模塊劃分（模塊識別）；二是根據設計要求將一組存在的特定模塊合理組合成模塊 化產品方案，即模塊綜合。模塊識別是模塊化設計的前提和基礎。模塊劃分是否合理，直接影響模塊化 系統(tǒng)的功能、性能和成本。模塊劃分可以有不同的方法和層次，但一般主要從功 能的角度進行分析和討論模塊的劃分問題。在功能

15、分析的基礎上，進行合理的功 能分解，實現(xiàn)合理的模塊劃分，創(chuàng)建出滿足特定功能的模塊。G. Erixon18等 提出了子功能為獨立模塊的11個條件，作為模塊劃分的通用原則，并建立模塊 識別矩陣（MIM），據此對各功能載體進行聚類。P.GU19等提出了 一種面向產品 生命周期工程多目標（易于回收性、可升級、可重復用、重構等）的模塊劃分方法， 在進行功能結構分析時使用模糊數學中權重的概念，為模塊識別從定性轉向定量 提供了依據。Robert B Stone20提出一種用于產品架構開發(fā)的功能模型定量化 建模方法，將模型中各個子功能與能量流、物流和信號流相關聯(lián)，并以客戶需求 程度為衡量尺度，建立需求、功能數

16、據庫，并將功能與需求的關系定量化，由此 作為模塊識別與模塊發(fā)展的主要依據。模塊綜合就是選擇合適的模塊進行組合，以得到滿足用戶需求的產品。OGrady21-22研究了分布協(xié)同的網絡設計環(huán)境下模塊的綜合方法，通過一個面 向對象的模塊化產品設計環(huán)境，可以將不同地區(qū)、不同模塊制造商提供的模塊快 速綜合，以構建滿足用戶需求的模塊化產品。對于單個產品，常常采用有向圖來 表達模塊構型和布局結構23，用圖的頂點表示模塊，頂點之間的邊連接表示模 塊之間的裝配關系；文獻24利用圖論研究了基于web產品平臺開發(fā)技術。有向 圖可以有效地表示單個產品模塊的布局，但對于產品族中多個產品及其公共模塊 的表示卻不方便和直觀。

17、超圖25的每一條邊可以同兩個以上的頂點相關，因此， 它可以表示更一般的關系類型，而不僅僅是二元關系。由于超圖與組合矩陣之間 的對應關系，使其非常便于數學實現(xiàn)。本課題組26提出了基于矩陣的模塊化產品系列表達方法。在此基礎上對模 塊矩陣的深層機理進行了分析，建立了基于模塊矩陣的模塊規(guī)劃模型，通過引入 概念模塊、輔助功能集等概念，闡明了模塊橫、縱系列化的本質，并以之為基礎， 提出了 一套廣義模塊化設計方法27。產品平臺設計是通過一組產品共享的子系統(tǒng)或產品平臺（包含一組零件或模 塊）及接口，可高效地派生系列新產品。產品平臺設計是模塊化設計技術的拓展 和進一步提升。智能車身結構設計方法智能CAD是指通過

18、專家系統(tǒng)、人工神經網絡等人工智能技術等在設計過程中 的應用，使其具有某種程度人工智能的CAD系統(tǒng)。專家系統(tǒng)28是一個能在某個 特定領域內，用人類專家的知識、經驗和能力去解決領域中復雜問題的計算機程 序系統(tǒng)。它不同于通常的問題求解系統(tǒng)，其基本思想是使計算機的工作過程能盡 量模擬領域專家解決實際問題的過程。專家系統(tǒng)在CAD中適時給出智能化提示， 告訴設計人員下一步該做什么以及當前設計存在的問題，建議解決問題的途徑； 或模擬人的智慧，根據出現(xiàn)的問題提出合理的解決方案。專家系統(tǒng)是基于知識的 系統(tǒng)，專家系統(tǒng)技術是知識獲取、處理和運用的技術。知識工程是專家系統(tǒng)技術 的基礎。專家系統(tǒng)通常由知識庫、推理機、知

19、識獲取系統(tǒng)、解釋機構和一些界面 組成。人工神經網絡29具有下列特征：它包含大量的人工神經元，提供了大 量可供調節(jié)的變量；信息是分布式存儲的，從而提供了聯(lián)想與全息記憶的能力； 具有高度的自適應能力，高度的容錯能力，很強的計算能力以及自組織能力。 人工神經網絡已在語音識別、模式分類、自動控制等領域取得了比較成功的應用， 在工程設計中的應用正在不斷地研究發(fā)展，如基于人工神經網絡的機械設計領域 知識表達方法的研究，智能系統(tǒng)的知識自動獲取、基因遺傳算法的原理在機械工 程中的應用等。目前，神經網絡和專家系統(tǒng)有聯(lián)合起來的趨勢，神經網絡也可設 計成某種專家系統(tǒng)，實現(xiàn)專家系統(tǒng)的功能。基于神經網絡的專家系統(tǒng)在知識

20、獲取、并行推理、適應性學習、聯(lián)想推理、容錯能力方面明顯優(yōu)于傳統(tǒng)的專家系統(tǒng)30。汽車車身的產品開發(fā)設計與制造是極其復雜的系統(tǒng)工程，在車身的開發(fā)過程 中，具有豐富專業(yè)知識和經驗的設計人員具有舉足輕重的作用。以計算機技術作 為設計的工具，利用參數化建模設計方法和理論，基于知識工程等開發(fā)參數化、 智能化的車身設計CAD模塊，可以支持具有初級專業(yè)知識的設計人員順利完成由 知識驅動的專業(yè)自動化設計，并可達到提高設計效率和設計質量的目的。我國汽車行業(yè)經過十多年努力和發(fā)展，CAD技術、專家系統(tǒng)、知識庫技術等 新興技術在我國汽車行業(yè)的應用已取得很大的進步，而且一些大學和科研機構也 在獨立地或與汽車公司合作開發(fā)一

21、些在通用的CAD軟件基礎上的汽車設計專業(yè) 模塊。例如：吉林大學的福特一中國研究與發(fā)展基金項目組率先探索KBE在汽車 行業(yè)中的應用，在通用CAD軟件的基礎上開發(fā)專用的汽車專業(yè)設計模塊31-32； 同濟大學在UG平臺上開發(fā)汽車總體設計專家系統(tǒng)33等等。但是由于我國CAD技術起步較晚，加上現(xiàn)有通用CAD軟件的專用性較差，CAD 技術的應用與國外汽車公司相比還有很大的差距，國內各汽車公司普遍存在CAD 軟件利用率低，設計效率低下的問題。加大CAD軟件在汽車開發(fā)中的應用力度， 并且結合汽車設計的專業(yè)經驗開發(fā)一些通用CAD軟件平臺上的面向汽車設計的 專業(yè)模塊以幫助設計人員提高產品的開發(fā)效率和質量，是縮短我

22、國與國外汽車設 計水平的差距，早日實現(xiàn)我國轎車自主開發(fā)能力的有效措施之一。(5) (5)車身結構分析和優(yōu)化技術研究隨著高性能計算機技術的不斷發(fā)展和數值計算方法的深入研究，結構分析和 優(yōu)化技術日趨成熟，并逐漸應用到車身各個設計階段。以有限元方法為主體的車 身結構分析，避免了設計的盲目性、減少了設計成本以及縮短了車身結構的開發(fā) 周期。以有限元法為基礎的車身結構分析已成為一種面向車身結構設計全過程的 分析方法，車身結構設計的過程也成為一種設計、分析和優(yōu)化并行的過程，優(yōu)化 的思想在設計的各個階段被引入。有限元法在汽車結構分析上的使用可以追溯到20世紀60年代中期34，并 在20世紀80年代得到普及。但

23、是早期的有限元分析多用于車身模態(tài)或靜剛度等 線彈性分析，而汽車耐撞性計算機模擬技術直至1985年之后才開始迅猛發(fā)展并 得到大量應用35。在這之前，限于當時的理論水平，人們還不可能對汽車碰撞 這種復雜的力學問題有深入全面的了解，當時主要依靠多剛體系統(tǒng)動力學方法和 機械振動學方法來進行汽車碰撞響應分析36。1985年之后，顯式有限元方法 研究獲得突破，標志著汽車碰撞仿真研究新時期的開始。動態(tài)非線性顯式有限元 方法采用中心差分法，可以用來計算具有大位移、大變形、復雜接觸和高速沖擊 等特性的復雜力學問題，常用的動態(tài)顯式有限元軟件有LS-DYNA、PAMCRASH、 RADIOSS等。動態(tài)顯式有限元方法

24、的發(fā)展，為汽車整車碰撞安全性及部件的抗碰 撞特性的研究提供了一個有力的工具，許多學者展開對汽車碰撞安全性的深入研 究和分析，主要包括整車的碰撞安全性分析37-39、關鍵零部件的吸能模式和 機理研究40-42等。有限元分析僅僅可以告訴給定的設計方案是否滿足設計目標，而并不能指導 如何改進，進而找到最優(yōu)的設計。傳統(tǒng)的結構設計方法是設計人員依靠經驗和直 覺提出改進方案，然后重新分析和校核，直到找到一個滿意的設計。這種設計過 程不僅耗時費力而且容易出錯，并且得到的結果僅僅是一個可行方案，多數不是 最優(yōu)設計。隨著計算機技術的發(fā)展和有限元分析方法在車身設計中的應用日益廣 泛，計算機輔助優(yōu)化技術(CAO)開

25、始在車身開發(fā)中得到應用。早期的結構優(yōu)化的基本思想是，將數學規(guī)劃理論與有限元方法相結合，構建 車身結構優(yōu)化設計模型，基于數學規(guī)劃算法在計算機上進行多次迭代計算，直到 找到最優(yōu)解。隨著結構分析能力和手段的不斷完善，以及現(xiàn)代優(yōu)化理論的不斷發(fā) 展，車身結構優(yōu)化的研究范圍也從基于剛度及模態(tài)等單一準則優(yōu)化43-45發(fā)展 到考慮結構耐撞性優(yōu)化在內的多學科優(yōu)化設計。首先，車身結構耐撞性優(yōu)化研究得到廣泛研究并取得重要進展。由于顯式有 限元分析需要非常小的積分時間步長，使得借助顯式有限元方法進行汽車碰撞仿 真分析的計算時間相當昂貴。而優(yōu)化設計通常需要經過幾次反復迭代計算才可以 完成，這樣使得完全集成有限元分析進行

26、優(yōu)化迭代變得不太可能。此外，由于碰 撞分析的響應函數的導數大多不是連續(xù)函數，使得直接應用序列二次規(guī)劃等基于 梯度的優(yōu)化算法進行求解變得困難。鑒于此，近十多年來研究人員展開廣泛的針 對薄壁構件、車身部件直至整車結構的耐撞性優(yōu)化設計技術研究。Yamazaki和Han46直接把顯式有限元程序集成到優(yōu)化過程中，采用正交試 驗設計方法安排試驗點，采用二階響應面模型構建碰撞響應和設計變量的映射關 系，優(yōu)化簡單形狀的直管件結構尺寸以使碰撞能量吸收能力達到最大，并在此基 礎上對比分析了圓柱管和方形管的碰撞能量吸收能力。隨后他們又利用此方法研 究了類似汽車前縱梁的S形方管的抗撞性優(yōu)化問題47。Lust48在優(yōu)化

27、過程中 通過構建碰撞約束方程的非線性近似模型從而減少計算量，提出一種兩階段碰撞 分析技術，基于非線性數學規(guī)劃理論，求解包含線彈性和碰撞兩類約束的優(yōu)化設 計問題o Marklund和Nilsson49通過比較分析局部和全局近似方法在汽車側面 碰撞優(yōu)化中的應用效果，指出汽車碰撞這類瞬態(tài)問題應該使用全局近似方法來構 建近似模型，并在此基礎上對B柱基于碰撞安全性進行優(yōu)化，使得B柱的質量減 輕25%。Avalle等50基于響應面方法使用多點優(yōu)化步驟，以最大碰撞力與平 均碰撞力的比值為優(yōu)化目標，優(yōu)化設計波紋圓管、錐形圓管以及錐形方管三種薄 壁構件。王海亮等51,52使用中心組合法在設計空間中選擇少量樣本獲

28、得設計的響 應特性，然后用二階響應面模型構建近似模型，并應用Pareto遺傳算法對方形 薄壁構建以及汽車前縱梁進行耐撞性優(yōu)化設計。Ebisugi等53提出一種解決薄板構件在非線性動態(tài)載荷下的結構優(yōu)化方 法，這種方法的基本思路是在優(yōu)化過程中使得所有殼單元的塑性應變值盡可能的 相等。Andersson和Redhe54采用中心組合方法構造樣本空間，利用二階響應 面方法構建近似模型，同時考慮駕駛艙侵入距離和碰撞加速度兩個目標，采用遺 傳算法進行汽車正面耐碰撞優(yōu)化設計。Redhe等55對比分析了響應面方法和基 于蒙特卡羅仿真的隨機優(yōu)化方法(stochastic optimization)在汽車耐撞性優(yōu)化

29、 設計的性能，結果表明響應面方法更適合在設計變量小于1015個的情況，而 隨著設計變量的增多，隨機優(yōu)化方法的收斂特性得到提高，如果結合兩個方法， 可以使得優(yōu)化效率大大提高?，F(xiàn)代承載式車身結構幾乎承受轎車在使用過程中的所有載荷，主要包括扭轉 和彎曲載荷，因此轎車車身的剛度特性具有非常重要的作用。此外，車身結構低 階彈性模態(tài)不僅是控制汽車常規(guī)振動的關鍵指標，而且反映了汽車車身的整體剛 度性能56。因此，車身結構設計不僅要考慮汽車的耐撞性，而且需要同時分析 車身的剛度以及動態(tài)特性。隨著結構優(yōu)化技術在汽車設計中的應用不斷深入，一 些學者開始關注考慮車身剛度、NVH以及結構耐撞性等性能在內的多學科優(yōu)化設

30、 計。Sobieszczanski-Sobieski等57同時考慮靜態(tài)彎曲剛度、扭轉剛度、低階 扭轉和彎曲模態(tài)以及車身頂蓋抗壓強度，按不同領域及不同工況建立響應的近似 模型，構造和選擇合適的近似模型代替有限元計算，利用帶有254個并行處理器 的高性能計算機在一天得到優(yōu)化結果，優(yōu)化后車身減輕15kg并且車身結構性能 得到顯著提高。Kodiyalam和Yang58,59等利用高性能計算機群對汽車NVH、車身頂蓋抗 壓、100%正面碰撞、50%偏置碰撞、側面碰撞等多個學科優(yōu)化設計。采用基于 靈敏度的近似方法構建NVH響應的近似模型，利用在拉丁超立方構建碰撞分析的 樣本空間，并采用Kriging近似方

31、法構建碰撞響應的近似模型，最后用序列二次 規(guī)劃法進行優(yōu)化求解。Craig60等采用基于D-最優(yōu)設計來對設計空間進行布點，首先采用線性響 應面模型對設計變量進行篩選，剔除掉對碰撞響應影響不大的設計變量，然后構 建近似模型，對包含正面碰撞和扭轉模態(tài)等多個學科的優(yōu)化問題迭代求解，使汽 車質量減輕4.7%。綜上所述，車身結構優(yōu)化技術已經取得顯著進步并且日趨深入。車身設計過 程中，已從解析法和經驗設計法發(fā)展到采用有限元方法分析車身結構性能，已從 傳統(tǒng)優(yōu)化設計中僅限于基于剛度、強度或模態(tài)單一準則優(yōu)化發(fā)展到考慮結構耐撞 性優(yōu)化在內的多學科優(yōu)化設計，已從對車身單一零部件的分析和優(yōu)化發(fā)展到對白 車身乃至整車進行

32、結構優(yōu)化。參考文獻1蘇文慧，于學兵.逆向工程一一汽車車身設計中的新型開發(fā)方式.機械研究與應用，2005,18 (1): 63-642熊光楞，王克明.郭斌.數字化設計與虛擬樣機技術.CAD/CAM與制造業(yè)信息化，2004, (1): 33-343 Guoping Sun. A digital mock-up visualization system capable of processing giga-scale.Computer-Aided Design, 2007, 39 (2):133-1414黃雙喜，范玉順，徐志勇等.集成化產品生命周期模型研究.航空制造技術，2003, (8): 26-

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56、ry Optimization, 2004, 26(3-4): 256 -2633.3課題主要研究內容、擬解決的技術難點和主要創(chuàng)新點，現(xiàn)有研究基礎3.3.1主要研究內容提出一種新的轎車車身產品創(chuàng)新設計技術流程，該流程基于分階段的車身結構性 能優(yōu)化分析策略，實現(xiàn)多學科、多目標的車身結構性能優(yōu)化設計；開發(fā)車身智能設計 CAD平臺、優(yōu)化設計及試驗平臺集成的創(chuàng)新設計系統(tǒng)，實現(xiàn)車身總布置設計、概念設計、 結構設計的集成及CAD/CAE/PDM集成，滿足車身快速創(chuàng)新設計要求。車身創(chuàng)新系統(tǒng)的 技術構架如圖1所示，主要研究內容如下：車身設計平臺車身仿真平臺車身試驗平臺集成管理平臺車身總布置設計結構仿真分析剛度

57、試驗數字化管理工具車身概念設計空氣動力學分析強度試驗數字化規(guī)范工具車身結構概念設計動力學分析風洞試驗試驗知識管理車身總成設計碰撞分析動力學試驗設計知識管理車門設計NVH仿真分析路面譜試驗權限管理頂蓋設計成形性分析NVH試驗設計流程管理$88CAD/CAE/PDM，規(guī)范庫、設計知識庫、可重用知識庫、功能模塊庫、模板庫、試驗知識庫圖1車身創(chuàng)新設計系統(tǒng)1)基于多領域車身虛擬樣機技術研究(1)研究數字化產品定義的關鍵技術，包括：產品核心模型、分析模型及應 用模型的創(chuàng)建方法；建立多領域車身產品的數字化模型，包括核心模型、分析 模型、應用模型。(2)建立車身總布置設計產品核心模型；建立車身總布置設計階段的

58、仿真分 析模型，包括人機工程學校驗、簡化的車身強度剛度計算及碰撞模擬仿真分析 等的仿真分析模型，以及各分析模型對應的優(yōu)化模型、仿真過程模型及仿真結 果模型；建立車身總布置設計階段的設計性能初步預測、評價及優(yōu)化方法及體 系；(3)建立車身概念設計(車身工業(yè)造型設計)產品核心模型；建立概念車身的 空氣動力學分析、車身成形性初步分析、裝焊可行性初步分析及可裝配性初步 分析等的分析模型，各分析模型的優(yōu)化模型、仿真過程模型及仿真結果模型； 建立車身概念設計階段的性能優(yōu)化及可制造性評價體系及工具；(4)建立車身結構概念設計及詳細設計的產品核心模型；建立車身結構分析、 空氣動力學分析、碰撞分析、車身成形性分

59、析、裝焊可行性分析及可裝配性分 析等的分析模型，各分析模型的優(yōu)化模型、仿真過程模型及仿真結果模型；建 立整車車身結構設計性能預測、評價及優(yōu)化方法及工具。2)車身產品數字化定義規(guī)范及軟件使能方法研究(1)針對企業(yè)現(xiàn)狀，建立適用車身設計的車身產品數字化定義規(guī)范，包括三 維數字化建模規(guī)范、模型質量檢測規(guī)范、仿真分析規(guī)范；(2)針對車身產品，研究數字化車身產品層次結構模型、相關的產品數據管 理(PDM)及支撐技術；(3)研究車身產品數字化規(guī)范的軟件使能方法，包括車身數字化定義的工具 技術、信息集成技術。3)車身產品表達、融合與重用技術(1)在車身產品規(guī)范化定義基礎上，建立車身各設計階段基于核心設計模型

60、的 產品結構，并創(chuàng)建其參數化的關聯(lián)設計模板；(2)研究典型車身設計過程，包括：車身總布置設計、概念設計、結構設計， 建立典型車身設計過程模型；研究面向過程的車身智能CAD方法；(3)建立可重用的車身設計知識模型，包括：面向設計的參數化功能模塊庫、 車身附件庫，研究關聯(lián)接口特征的自動創(chuàng)建方法及關聯(lián)設計方法；典型車身、 斷面結構、零件的參數化模型庫。(4)研究設計經驗及知識在設計過程及模型中的融入技術，實現(xiàn)設計知識、模 型及設計過程的重用；4)車身物理仿真試驗及產品仿真模型的縮放技術。(1)建立車身物理試驗平臺，包括各類通用(強度、剛度、動力學等)和車身 專用物理及物理仿真試驗臺(路面譜物理仿真及