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[车身设计及集成] 基于多目标优化的车身性能与接头关联性探究

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发表于 2020-7-29 09:53:41 | 显示全部楼层 |阅读模式

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本帖最后由 zhaoxiang 于 2020-7-29 09:57 编辑


基于多目标优化的车身性能与接头关联性探究

祝振林,刘莹,乔鑫,夏天,杨旭

(华晨汽车工程研究院,辽宁 沈阳 110141)


摘 要:为探究车身性能与接头间的关联性规律,文章以某车身接头为研究对象,以该车身各接头材料为输入变量,车身性能为输出变量,应用最优拉丁超立方法生成试验样本,基于响应面法和邻域繁殖算法对车身进行多目标优化设计,车身扭转刚度和扭转模态频率均得到了提升。在此过程中提取数据并分析得到车身性能与接头间的作用规律,且车身优化结果完全符合该规律,间接证明了依据此作用关系对车身性能优化结果进行预判的有效性。为车身开发及节约研发时间提供了新的理论依据和思路。

关键词:车身接头;应变能;多目标优化;邻域繁殖;Pareto


前言

随着行业对车身性能要求的不断提高,车身优化理论和方法也有了长足发展。如:基于SFE Concept建立参数化模型的优化设计[1];应用修正可行方向优化算法的车身零件厚度优化设计[2];根据车身性能特点划分各优化区域,以此为基础进行的多学科优化设计[3];采用折衷规划法定义多目标优化函数的拓扑优化设计[4];基于网格变形技术的车身形状优化设计[5];基于SIMP理论进行的车身多目标拓扑优化设计[6];应用遗传优化算法对车身NVH、强度、总质量进行多目标优化设计[7];通过改变横梁接头形式提升车身刚度性能的性能优化[8];应用变密度法对接头进行拓扑优化并在所得拓扑结构上布置加强筋[9]。

车身性能优化方面的研究虽然已有很多,但其中关于各接头对车身性能影响程度及作用关系的研究尚未得到应有的重视,接头是车身结构的重要组成部分,车身性能在很大程度上受其影响。

明确各接头与车身性能间的作用关系对于车身开发具有重要意义。本文在车身性能与接头应变能的相关统计中发现车身性能与其接头存在明显的关联性,为进一步探究这种关联关系,本文在车身性能的多目标优化设计过程中提取样本数据并分析得到接头与车身性能间的作用规律,且优化结果符合该规律,间接验证了依据此作用关系预判车身性能变化结果的有效性,为新车开发、性能改进、提高优化效率提供了理论依据和新思路。

这种接头对车身性能的作用关系已应用在最新车型的开发中,得到了良好的工程效果,有效提高车身性能同时大幅提高了设计效率。


1 车身性能与接头应变能统计

根据对7种SUV车型的扭转刚度及该工况下其接头应变能的统计,发现二者存在一定的相关性。现以6号接头为例,其扭转刚度统计,如图1所示,应变能统计,如图2所示。


图1 车身扭转刚度统计



可见,车身扭转刚度数值的变化趋势与六号接头应变能大小变化趋势完全相反,由此推测,某些接头对车身整体性能可能存在较强的作用关系,本文后续会找出这种影响规律。


图2 车身6号接头应变能统计



2 车身初始有限元模型分析

建立某车身扭转刚度有限元分析模型,同时在输出中增加车身各主要接头在扭转工况下的应变能,该车身A、B、C柱共7对接头,如图3所示。


图3 车身接头分布图



提交计算得到车身扭转刚度位移云图,其中车身扭转刚度为22877.2Nm/degree,最大位移处位移为1.036mm,如图4所示。


图4 车身扭转刚度位移云图


以lanczos法对车身进模态计算,得车身扭转模态40.36HZ。


3 变量选择

本文以改变接头材料特性为切入点,探究接头与车身性能间的作用关系。根据对我们以往车型的数据统计,各接头在优化前后其材料特性等指标变化范围均在±10%以内,为避免过度设计,同时考虑到工程实际情况。

本文取车身不同位置接头材料杨氏弹性模量e1、e2、e3、e4、e5、e6、e7为输入变量,其取值区间设为初始值的±10%,同时关联各接头材料密度与其弹性模量在数值上等比例缩放,模拟接头板厚等因素与质量的关联关系。以车身扭转模态频率、扭转刚度、7对接头总质量为输出变量。


4 试验设计及数据分析

图5 Isight计算过程及流程图



在Isight中优化设计是通过构建近似模型,并在此基础上进行优化计算,而近似模型的精度取决于试验设计中样本点的选择,本文选用最优拉丁超立方法进行采样,其中采样数量设为50,生成试验样本并提交计算,Isight流程及计算过程如图5所示。

计算完成后,进行数据分析,发现并提取以下关系和规律:

1)车身扭转刚度与扭转模态频率间的相关度为71.7%,与接头总质量间的相关度为89.36%,如图6所示。


图6 车身扭转模态频率与扭转刚度相关性



2)刚度与柔度互为倒数,而应变能是柔度的量度,在考察某单一结构在给定工况下的受载情况和刚度性能时,常以应变能为指标。在本文扭转工况下,接头应变能是受各接头共同作用的结果,并非仅取决于该接头自身,现以接头7为例,如图7所示。


图7 各接头对7号接头应变能Pareto图



可见,7号接头对自身应变能的贡献度仅有28.1%,而其他接头对其贡献度分别为17.3%、17.2%、12.5%、7.1%、4.6%、4.3%。这揭示了,改善某一接头在给定工况下受载情况,不能只关注该接头自身,应根据各接头对其作用关系,综合考虑。

3)各接头对车身扭转刚度和扭转模态频率的贡献程度,分别如图8和图9所示。



图8 接头对车身扭转刚度Pareto图



可见,各接头对车身扭转刚度均有正向效应,其中1到7号接头贡献程度依次为5.8%、7.9%、15.6%、14.4%、18.4%、21.8%、7.7%,

对车身扭转模态频率的贡献度上,除A柱中间接头和C柱下接头起到负向效应外,其它接头均为正向效应,其中1到7号接头贡献程度依次为1.7%、-11.0%、12.6%、18.0%、21.4%、20.7%、-2.5%。


图9 接头对车身扭转模态频率Pareto图



以上接头贡献程度的比例关系即为接头与车身性能间的关联规律,为车身性能优化提供了新的思路和理论依据,使性能优化更有针对性。

4)接头与总质量间关系,如图10所示。


图10 接头特性对总质量Pareto图



可见,各接头在性能得到同等程度提高时,各自所需增加的质量不同,这对车身轻量化设计具有重要意义。


5 近似模型

响应面法利用多项式函数拟合设计空间,在多学科优化设计中应用较为广泛[10],该方法通过回归模型的选择,可拟合复杂的响应关系。


图11 扭转工况近似模型误差分析



本文采用响应面法,其中多项式函数选择二次多项式,构建扭转刚度和扭转模态工况近似模型。模型拟合完成后,对其进行模型误差分析,得到扭转刚度误差分析结果,如图11所示。扭转模态频率误差分析结果,如图12所示。

拟合后的模型精度通常用复相关系数(R2)衡量,R2通常当R2>0.9时,拟合模型的精度较高,本文R2值分别为0.993和0.999,均达到近似模型精度要求,可以用此近似模型进行优化分析。


图12 模态工况近似模型误差分析



6 优化结果及验证

本文涉及的设计方法属多目标优化问题,即在k(k≥2)个子目标中一个目标设计响应趋向其最优解的过程中引发另一目标设计响应发生远离其最优解的结果,此类问题在工程上通常根据某一原则在多个相对最优解中选择一个折衷解[11],多目标优化设计数学表达式为:



式中:xi为第i个设计变量;n为设计变量的总数;为第i个设计变量取值的上限和下限;fm(x)为第m个子目标函数,M为子目标函数的总数;gj(X)为第j个不等式约束条件,J为不等式约束的总数;hk(X)为第K个等式约束条件,K为等式约束的总数。

图13 Isight优化过程及流程图



图14 Pareto解2D显示



本文以各接头弹性模量为设计变量,车身接头总质量不大于原始值为约束条件,接头扭转模态频率和车身扭转刚度同时得到最大限度的提升为优化目标。应用邻域繁殖算法进行多目标优化设计,其中设置群体数量为90,进化代数为100,Isight流程及优化计算过程如图13所示。

求解得多个Pareto前沿优化解,在这些解中根据设计原则即模态频率和扭转刚度值均得到最大限度提升,选取优化设计的最优解,如图14所示。

图中蓝色散点为得到的一组Pareto前沿优化解,其中圆圈标出的点为本文多目标优化设计优化解,具体参数如表1所示。


表1 优化前后接头弹性模量对比



将优化结果带入原有限元模型计算,得到应用优化方案后车身扭转模态频率40.68HZ及扭转刚度位移云图,如图15所示。

图15 优化后车身扭转刚度位移云图


优化前后数据对比如表2所示。

表2 优化前后数据对比


可见,优化近似计算值与优化方案的有限元结果相近,均优于初始值,本文以接头为研究对象对车身进行的多目标优化,达到了预期效果。

在选用优化方案中,相较初始方案,第3、4、6接头弹性模量增加,第1、2、7接头弹性模量下降,扭转刚度提升了0.70%,车身最大位移处位移下降了0.96%,扭转模态频率提升了0.79%。

依据前文所得接头对车身性能作用关系,可知在扭转刚度方面,第3、4、6号接头总体贡献度远大于第1、2、7号接头,所以扭转刚度值应该得到提高。在扭转模态方面,第1号接头的对模态贡献程度远小于第2、3、4、6、7号接头,所以扭转模态频率值应该得到提升。

综上所述,优化结果与前文所述接头对车身性能的作用关系完全符合,证明了依据该作用关系对车身性能变化进行预判的有效性和正确性,此规律可有效应用在车身正向设计和性能优化中。


7 总结

本文以车身各接头为研究对象,应变能为参考,基于Isight平台计算得到各接头与车身扭转模态、扭转刚度的作用关系如下:各接头对车身扭转刚度均呈现正向效应,其中1到7号接头贡献程度比约为3:4:8:7:9:11:4。对于车身扭转模态频率,除第二和第七接头起到负向效应外,其它接头均为正向效应,其中1到7号接头贡献程度比约为4:-22:25:36:43:41:-5。

上述规律为车身开发提供了新思路和理论依据,提升了优化设计效率,使车身各项性能优化更具针对性,优化前就可对优化结果在全局层面有一个清晰的定量判断,避免了优化设计过程中因约束条件设置过于苛刻而不收敛,或优化结果未达预期需反复修改设置多次提交运算。

最后,本文通过对车身性能进行多目标优化设计,间接证明了该规律的有效性和正确性。其中,在输入变量取值变化范围小于±10%的前提下,优化后车身扭转刚度提升了0.70%,扭转模态频率提升了0.79%。





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