宋　凱　王　超　成艾國　段利斌

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

面向正向概念設計的車身T型接頭快速優(yōu)化

宋凱王超成艾國段利斌

湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室,長沙,410082

在車身概念設計階段，提出了面向正向概念設計的T型接頭的快速優(yōu)化方法。該方法不依賴CAD模型，直接利用接頭截面信息，快速建立由隱式參數(shù)驅(qū)動T型接頭更新的全參數(shù)化模型，并建立了自動的T型接頭多目標優(yōu)化流程。以某車型B柱下接頭為例，在滿足強度、剛度要求的約束條件下，快速設計出以側(cè)面碰撞性能和質(zhì)量較優(yōu)為目標的T型接頭結(jié)構。優(yōu)化結(jié)果根據(jù)沖壓工藝和造型要求進行適當調(diào)整后，應用到實車中。

正向概念設計;T型接頭;快速優(yōu)化;多目標優(yōu)化;工程實用性

0　引言

近幾年，隨著國內(nèi)汽車行業(yè)的迅猛發(fā)展,如何設計開發(fā)出更適合客戶所需的產(chǎn)品,縮短新車型開發(fā)周期，降低開發(fā)成本，提高開發(fā)質(zhì)量是每個汽車企業(yè)需要解決的新問題。通過優(yōu)化手段實現(xiàn)整車架構開發(fā)是國外各大汽車廠家解決上述問題的一個重要手段[1]。在汽車的概念設計階段，車身整體布置和外形尺寸往往受到車型定位和造型的限制，改動余地較小[2],而車身關鍵截面和接頭結(jié)構的設計余地較大,且接頭的設計優(yōu)劣很大程度決定了車身乃至整車性能的好壞,所以在概念設計階段盡早對接頭結(jié)構進行快速優(yōu)化設計,對于提高整個車身結(jié)構設計質(zhì)量和效率有著重要意義。

目前,一些學者已對接頭做了深入研究。黃金陵等[3]用接頭單元在車身結(jié)構概念模型中模擬接頭;Fredrieson等[4]研究了帶有柔性接頭的框架結(jié)構的技術優(yōu)化；Cameron等[5]分析了接頭剛度對梁單元截面參數(shù)的靈敏度;翁然[6]利用有限元分析技術，通過PATRAN軟件進行了接頭的參數(shù)化建模，并對接頭有限元模型的各項參數(shù)進行了分析和設計。上述研究大多是對現(xiàn)有接頭幾何形狀等參數(shù)進行的傳統(tǒng)優(yōu)化設計，較少從汽車正向概念設計的角度出發(fā)，由接頭基本截面驅(qū)動生成接頭結(jié)構并進行優(yōu)化設計。在汽車設計的概念階段，接頭的傳統(tǒng)優(yōu)化設計需要詳細的CAD模型，否則無法建立接頭分析模型，也就不能進行結(jié)構的優(yōu)化設計。傳統(tǒng)概念設計一般針對接頭的分支剛度進行優(yōu)化分析，沒有考慮接頭在整車工況中的復雜變形。所以應該建立一種相對簡化、便于修改，工況貼近實際的參數(shù)化模型。由此，筆者提出了基于正向概念設計的T型接頭快速優(yōu)化方法，建立截面驅(qū)動的分析模型，利用子模型得到符合實際的工況，實現(xiàn)模型更新的自動化,從而在概念設計階段快速完成接頭優(yōu)化工作。

本文以某款車概念設計階段中的B柱下接頭為例,介紹了T型接頭的快速優(yōu)化方法。在概念設計初期階段，根據(jù)T型接頭的結(jié)構特點，按照正向概念設計思路，直接由接頭截面及其位置信息建立T型接頭分析模型，建立關鍵截面驅(qū)動的T型接頭，然后進行多目標優(yōu)化。在滿足接頭強度、剛度的前提下，獲得了側(cè)面碰撞性能和質(zhì)量較優(yōu)的T型接頭架構。

1　車身T型接頭快速優(yōu)化設計流程

傳統(tǒng)概念設計的設計流程屬于半逆向設計流程，如圖1所示。有限元工程師需要在結(jié)構工程師提供的CAD模型的基礎上建立CAE模型來優(yōu)化接頭結(jié)構，然后為造型工程師提供修改建議，因此CAE模型的建立與分析過程屬于逆向的設計。此設計流程有以下弊端：

圖1　傳統(tǒng)概念設計流程

(1)結(jié)構工程師和有限元工程師之間是串行的工作方式。有限元工程師無法自行建立CAE模型，導致在一人工作的同時，另一人等待對方結(jié)果，等待的時間得不到利用。

(2)傳統(tǒng)的優(yōu)化設計一般利用Morphing技術對截面尺寸變量進行優(yōu)化分析。截面尺寸變化較大時，模型不能重新劃分，網(wǎng)格質(zhì)量變差，會導致優(yōu)化結(jié)果精度低，所以模型在優(yōu)化過程中不能大范圍地搜尋最佳尺寸。

(3)每一次優(yōu)化結(jié)束,結(jié)構工程師會以自身經(jīng)驗理解有限元工程師提供的建議來建立CAD模型，建立的模型存在誤差，導致多次重復建模。

鑒于傳統(tǒng)接頭優(yōu)化設計的種種弊端,本文提出了面向正向概念設計的車身T型接頭快速優(yōu)化設計流程，如圖2所示，利用CAD/CAE一體化工具SFE_CONCEPT軟件，建立截面驅(qū)動的接頭CAD模型。然后由Isight軟件集成所需軟件及程序，通過Isight中的非支配排序遺傳算法(non-dominated sorting genetic algorithm,NSGA-Ⅱ)控制變量的變動。SFE軟件實現(xiàn)CAD模型的更新及網(wǎng)格模型的自動生成。模型通過Nastran計算器進行計算，通過MATLAB程序控制從計算結(jié)果中提取需要的數(shù)據(jù),在計算器進行相關換算后輸出最終的結(jié)果。

圖2　車身T型接頭快速優(yōu)化設計流程

相比傳統(tǒng)的概念設計，本文的設計流程更符合概念設計階段快速、高效的要求，體現(xiàn)在以下幾點：

(1)可以在不依賴結(jié)構工程師提供CAD模型的前提下，由有限元工程師根據(jù)截面信息自行建立CAE模型，擺脫了由CAD模型建立CAE模型再進行優(yōu)化設計的逆向流程。

(2)運算過程中,優(yōu)化結(jié)果如果不符合要求,變量會自動更改并會自動更新到模型中，重新生成有限元模型。再次計算模型能確保模型的質(zhì)量與精度，可實現(xiàn)建立模型與分析模型的自動化，節(jié)約了時間。

(3)充分考慮外造型約束和零件裝配等多方面因素來定義截面尺寸變量，可以在盡可能大的范圍內(nèi)得到厚度與截面尺寸的最佳組合，并確保優(yōu)化結(jié)果可用。

(4)優(yōu)化結(jié)果具有工程實用性，不需要重復多次建立CAD、CAE模型。

2　T型接頭模型

2.1接頭模型的建立

A柱上接頭、B柱上接頭、B柱下接頭和C柱上接頭由3個分支交匯而成,具有2個明顯的圓角過渡區(qū)，其中的2個分支近似處于一條直線上，被稱為T型接頭[7]。根據(jù)T型接頭的結(jié)構特點，將接頭劃分為分支A、B、C和本體D,每個分支包含2個截面。

在某車型研發(fā)的概念設計階段，通過對基型車和競品車的研究，企業(yè)的車身、總布置、造型等部門會擬定整車的總布置參數(shù)、初步造型數(shù)據(jù)、關鍵截面形狀、截面位置和截面尺寸等信息庫。本文利用隱式參數(shù)化建模技術建立由截面驅(qū)動的T型接頭，接頭由點的位置、線的曲率和截面形狀等參數(shù)來控制幾何形狀，接頭模型變動后能夠在運算過程中直接進行網(wǎng)格劃分，生成滿足網(wǎng)格質(zhì)量要求的有限元模型。T型接頭建立步驟如下：①根據(jù)數(shù)模庫中的截面及其位置信息，建立基準線、控制點和分支截面，分支截面沿基準線生成分支體，根據(jù)接頭的控制點追蹤到其依附的基準線；②基準線追蹤到所依附的分支，分支向本體提供需要的端部截面；③通過端部截面計算得到本體區(qū)域的形狀，根據(jù)新車造型的T型接頭調(diào)整端部截面位置來調(diào)節(jié)過渡區(qū)的曲率；④建立由截面驅(qū)動的T型接頭，接頭外形隨截面參數(shù)變化而變化。T型接頭的建立過程如圖3所示。

圖3　T型接頭建立示意圖

2.2坐標系的選取

在T型接頭的每個分支建立一個局部坐標系:局部坐標系原點為各分支截面的形心,以絕對坐標系的Y軸為基準,并將其投影到分析截面上得到新的Y軸,然后以截面的法線方向為Z軸建立局部坐標系，整個接頭處于整車坐標系下。

2.3接頭子模型

子模型方法又稱為切割邊界位移法或特定邊界位移法。切割邊界是將模型從整個模型分隔開的邊界，把整體模型切割邊界的計算位移移植作為子模型的邊界條件。這種方法不僅能真實反映接頭實際的受載情況，而且提高了優(yōu)化計算的效率。本文利用子模型的方法從參考車型的整車分析模型中計算出接頭的邊界載荷，并將其作為接頭模型邊界條件。

接頭通常是車身整體剛度和疲勞壽命的薄弱部件，且B柱下接頭是保證汽車側(cè)碰撞性能的重要結(jié)構，因此本文選定如下三種分析工況。

(1)整車扭轉(zhuǎn)剛度分析工況。汽車行駛的過程中，車輪受到顛簸路面沖擊，會導致車身發(fā)生扭曲變形。車身抵抗扭曲變形的能力直接影響車身的疲勞壽命和舒適性。車身抵抗扭曲變形的能力由車身扭轉(zhuǎn)剛度K反映。在白車身左右前懸中心點施加一對方向相反的Z方向的力F,約束左右前懸連線中點的平動自由度和車身后懸支點區(qū)域的平動自由度，K值的計算公式為

K=10-3πFy2/(180δz)

(1)

式中,δz為右前懸中心點Z向線位移,mm;F為每個前懸中心點的加載載荷,N;y為右前懸中心點Y坐標,mm。

(2)準靜態(tài)強度分析工況。本文選取車輛行駛過程中的過坑扭曲工況。根據(jù)車輛道路行使過程中車身的加速度，計算出車輛4個輪心處所受的路面載荷，將輪胎處的載荷通過車輛懸架的Adams模型轉(zhuǎn)化為車身硬點處的載荷，然后將車身硬點處的載荷加載到車身有限元模型，計算車身在該工況下的應力情況。以準靜態(tài)強度分析工況為例，從整車的準靜態(tài)強度分析模型中提取出接頭的邊界載荷，然后將邊界載荷施加到接頭模型邊界對應的每一個節(jié)點上,利用NASTRAN的慣性釋放方法進行計算。

(3)接頭側(cè)面碰撞簡化工況。T型接頭有多個剛度且多剛度出現(xiàn)了明顯的耦合，求取的接頭剛度對實際工程應用的貢獻不大[8]。汽車受到側(cè)面碰撞時，側(cè)面碰撞的理想特性是側(cè)面下部結(jié)構有足夠大的剛性，確保車門和立柱不發(fā)生大的變形，因此接頭分支A的側(cè)向剛度KA對車輛的側(cè)面碰撞性能十分重要。側(cè)面碰撞簡化的工況為：約束分支B和分支C端部的全部自由度，在分支A中心施加局部坐標系下Y向的單位力，通過有限元計算求得該局部坐標系下分支A中心點相應的線位移S(mm)。分支A在局部坐標系下的剛度KA為

KA=F/S

(2)

加載方式如圖4所示。

圖4　側(cè)面碰撞簡化工況示意圖

3　優(yōu)化設計

3.1優(yōu)化問題定義

一般汽車設計優(yōu)化問題可以簡單表示為

maxP

s.t.bL i≤xi≤bU ii=1,2,…,n

(3)

式中,xi為第i個設計變量;bL i、bU i分別為xi的設計下限和上限;n為設計變量個數(shù);P為一組在優(yōu)化中需要平衡的輸出響應，比如T接頭質(zhì)量和扭轉(zhuǎn)剛度等。

當有部分P已經(jīng)有確定的目標值時,這部分響應就可以定義為優(yōu)化過程中的約束條件，即有

maxP

(4)

s.t.bL i≤xi≤bU ii=1,2,…,n

BL j≤gj(x)≤BUjj=1,2,…,n

式(4)表達的問題是有約束優(yōu)化的問題,gj(x)為可以作為約束條件的部分響應,BLj、BUj分別為gj(x)的設計下限和上限。所有優(yōu)化問題都是在整個設計空間內(nèi)尋找最佳設計方案。本文接頭優(yōu)化設計的最終目標是在滿足強度、剛度的前提下，獲得側(cè)面碰撞性能較優(yōu)和質(zhì)量較小的接頭。

3.2約束處理

本文將B柱下接頭3個分支中心點在整車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度工況下的位移量dA、dB、dC作為約束函數(shù),將過坑扭曲工況中接頭中的最大單元應力σmax作為約束函數(shù),將接頭的總質(zhì)量m和接頭分支A的剛度KA作為目標函數(shù)。

設計變量:T={t1,t2,t3,s1，s2，…，s8}

目標函數(shù):minmmaxKA

約束函數(shù):dA<0.044 mm

dB<0.038 mm

dC<0.042 mm

σmax<153 MPa

其中,ti為板厚,i=1,2,3;sj為截面尺寸變量,j=1,2,…,8。

3.3接頭變量的定義

由于接頭外板受到車身外型的約束,優(yōu)化中,接頭截面外板不變，優(yōu)化區(qū)域在內(nèi)板和加強板上。共定義11個變量：B柱下接頭的側(cè)圍外板厚度、側(cè)圍內(nèi)板厚度、加強板厚度和3個分支區(qū)域截面的8個尺寸，8個尺寸如圖5所示。sj的大小決定截面形狀變化的幅度,各個變量的初始值及取值范圍見表1。

(a)節(jié)點變動方式(b)A分支截面

(c)B分支截面(d)C分支截面圖5　接頭截面尺寸變量示意圖

設計變量初始值下限上限優(yōu)化值側(cè)圍外板厚度t1(mm)1.00.81.21.0側(cè)圍內(nèi)板厚度t2(mm)1.00.81.20.9加強板厚度t3(mm)1.00.81.21.1B柱加強板高度s10-110.15B柱加強板寬度s2002-0.78B柱內(nèi)板高度s30-11-0.03B柱內(nèi)板寬度s40-110.17門檻梁加強板高度s50-11-0.14門檻梁加強板寬度s60-110.83門檻梁內(nèi)板高度s70-11-0.1門檻梁內(nèi)板寬度s80-11-0.73

4　優(yōu)化結(jié)果

4.1優(yōu)化結(jié)果分析

本文利用基于NSGA-Ⅱ遺傳算法來求解多目標優(yōu)化問題,NSGA-Ⅱ是一種基于快速分類、采用精英策略的多目標遺傳算法[9]。求解多目標優(yōu)化問題是為了求得Pareto最優(yōu)集,由決策人根據(jù)工程需求確定一個折衷解。針對B柱下接頭,本文利用NSGA-Ⅱ?qū)?shù)化接頭模型進行尋優(yōu),初始種群規(guī)模為20，進化代數(shù)為100，交叉概率為0.8,交叉分布指數(shù)為15,變異分布指數(shù)為20,優(yōu)化過程的種群分布如圖6所示。

圖6　Pareto前沿解分布圖

由圖6可知,優(yōu)化過程中的種群個體收斂于Pareto前沿。本次優(yōu)化問題的2個目標函數(shù)是相互矛盾的,一個目標的改善必然會犧牲另一目標的性能。本文在接頭質(zhì)量有所下降的前提下,接頭Y向剛度能有較明顯的提升，因此將Pareto最優(yōu)解集中相對設計初始狀態(tài)接頭質(zhì)量有所下降、側(cè)向剛度有較大提升的一組解作為本次多目標優(yōu)化問題的滿意解。優(yōu)化后的結(jié)果見表2。

表2　各優(yōu)化結(jié)果

從表2可以看出,本文通過對B柱下接頭各分支截面尺寸及板厚的優(yōu)化，在整車扭轉(zhuǎn)剛度工況中的接頭剛度和Y向剛度有較大提升，整車過坑扭曲工況下的最大應力有所減小，并且整個接頭的質(zhì)量減小了2.2%左右。各分支截面優(yōu)化前后及最終設計的截面如圖7所示，截面尺寸符合工程要求，優(yōu)化結(jié)果可直接指導后續(xù)的接頭結(jié)構設計。

(a)A分支截面

(b)B分支截面

(c)C分支截面圖7　接頭優(yōu)化前后及最終設計截面的對比

設計人員采用本文的優(yōu)化結(jié)果,根據(jù)沖壓工藝要求、外造型等對優(yōu)化結(jié)果進行適當調(diào)整,建立最終接頭CAE模型并應用到實車當中,如圖8所示。

圖8　最終接頭CAE模型及實車接頭照片

5　優(yōu)化效率分析

本文以T型接頭優(yōu)化為例，就傳統(tǒng)概念設計與本文的正向概念設計進行了效率分析，如表3所示。由表3分析可知，車身接頭的正向概念設計相對傳統(tǒng)概念設計節(jié)省時間近3/4,明顯縮短了設計時間，可以指導接頭的概念設計。

表3　優(yōu)化效率對比

6　結(jié)論

(1)在汽車概念設計初期，提出了基于正向概念設計的T型接頭優(yōu)化設計方法。在不依賴CAD模型的前提下，建立了T型接頭的分析模型，利用子模型法得到了參數(shù)化模型的邊界條件，定義了設計變量和約束條件，建立了多目標優(yōu)化計算流程，對T型接頭進行了優(yōu)化設計，并將得到的優(yōu)化結(jié)果適當調(diào)整后應用到實車，證明了該方法具有工程實用性。

(2)基于T型接頭性能的優(yōu)化實例,在滿足剛度和強度要求的前提下,T型接頭優(yōu)化后的質(zhì)量減小了2.2%,剛度提高了7.8%。從而證明了該方法指導概念車身接頭結(jié)構設計的可行性。

(3)正向概念設計方法使得概念接頭的開發(fā)周期相對于傳統(tǒng)概念設計縮短了近3/4,大大節(jié)約了時間。

[1]姜欣,陳勇,史國宏,等.前期白車身架構優(yōu)化設計[J].汽車工程,2010,32(8):682-685.

Jiang Xin,Chen Yong,Shi Guohong,et al.Body-in-white Structure Optimization in Early Phase of Development[J].Automotive Engineering,2010,32(8):682-685.

[2]李佳.基于簡化模型的車身接頭耐久性研究[D]. 長沙：湖南大學，2011.

[3]黃金陵，婁永強，龔禮洲.轎車車身結(jié)構概念模型中接頭的模擬[J]. 機械工程學報，2000，36(3)：78-81.

Huang Jinling，Lou Yongqiang，Gong Lizhou.Joint Modeling Method in The Concept Model of Car Body Structure[J].Chinese Journal of Mechanical Engineering，2000，36(3):78-81.

[4]Fredrieson H,Johansen T,Klarbring A,et al.Topology Optimization of Frame Structures with Flexible Joints[J].Structural and Multidisciplinary Optimization,2003,25(3):199-214.

[5]Cameron T M,Jordon L,EI-Sayed M E M.Sensitivity of Structural Joint Stiffness with Respect to Beam Properties ：A Hybrid Approach[J]. Computers & Structures，1997，63(6)：1037-1041.

[6]翁然. 車身接頭參數(shù)化建模研究[D]. 長春：吉林大學，2005.

[7]宋凱，成艾國，鐘志華.基于響應面法的汽車車身T型接頭優(yōu)化[J].汽車工程，2011，33(4)：284.

Song Kai,Cheng Aiguo，Zhong Zhihua.The Optimization of T-joint in Vehicle Body Based on Response Surface Method[J]. Automotive Engineering，2011，33(4):284.

[8]宋凱.汽車車身結(jié)構概念設計關鍵技術研究[D]. 長沙：湖南大學，2010.

[9]DebK,Pratap A,Agarwal S,et al.A Fast and Elitist Multi-objective Genetic Algorithm:NSGA-Ⅱ[J].IEEE Transactions on Evolutionary Computation,2002,6(2):182-197．

(編輯張洋)

Rapid Optimization of T-Joint in Vehicle Body Oriented Forward Conceptual Design

Song KaiWang ChaoCheng AiguoDuan Libin

State Key Laboratory of Advanced Design and Manufacture for Vehicle Body,Hunan University,Changsha,410082

In the conceptual design phase of a vehicle body,the rapid optimization idea oriented forward conceptual design for T-joint was proposed.The full parametric model of T-joint driven by implicit parameters was directly established using joint cross-section information quickly,rather than using the CAD model,and the automatic multi-objective optimization design process of T-joint was created. With the constraints of meeting the strength and stiffness requirements, took below joint of B pillar of a certain car for example, the T-joint structure with better side impact performance and quality targets was designed quickly. Optimization results were applied to the actual vehicle after appropriate adjustments according to the requirements of stamping process and the outer shape.

forward conceptual design;T-type joint;rapid optimization;multi-objective optimization;engineering practicability

2013-09-10

國家國際合作計劃資助項目(2014DFG71590)；中國博士后科學基金資助項目(2014M552132)；廣西科技計劃重大專項(桂科重1348003-5);國汽(北京)開放基金資助項目(20130303);湖南大學青年教師成長計劃資助項目

U463.82DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2015.02.026

宋凱,男,1981年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室研究員。主要研究方向為汽車車身簡化模型及結(jié)構疲勞耐久性分析。發(fā)表論文10余篇。王超,男,1989年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室碩士研究生。成艾國,男,1972年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室教授、博士。段利斌,男,1987年生。湖南大學汽車車身先進設計制造國家重點實驗室博士研究生。