靜態(tài)性能驅動(dòng)的車(chē)身框架關(guān)鍵截面設計研究論文
1 前言
車(chē)身框架結構是由形狀復雜的薄板件通過(guò)焊接、螺栓連接等方式連接在一起形成復雜的空間結構，梁特性、梁空間位置以及車(chē)身接頭特性決定著(zhù)車(chē)身結構的靜動(dòng)態(tài)性能，而梁截面的屬性主要由截面形狀和厚度兩個(gè)因素決定。傳統的車(chē)身開(kāi)發(fā)中關(guān)鍵梁截面形狀的設計往往是根據設計經(jīng)驗及試驗分析逐步修改形狀，達到可行的形狀結構。以上的設計方法可理解為尋找可行解的過(guò)程，可能并不是截面形狀結構的最優(yōu)解，而且該設計方法容易導致設計開(kāi)發(fā)前期出現缺陷而后期修改空間不足的情況，大大影響產(chǎn)品開(kāi)發(fā)周期和成本。車(chē)身全參數正向設計作為未來(lái)車(chē)身開(kāi)發(fā)的趨勢，是基于多目標性能在車(chē)身前期確定參數化模型最優(yōu)結構的全新設計方法。
在車(chē)身正向開(kāi)發(fā)過(guò)程中，研究人員將截面形狀特性作為車(chē)身結構優(yōu)化的變量之一，進(jìn)行截面形狀級別的輕量化研究。其中，邢子敬等利用NX 建立全參數化的概念車(chē)身模型，通過(guò)改變梁截面的方向和厚度來(lái)研究截面特性對車(chē)身剛度的影響；任山截取現有車(chē)型的白車(chē)身主斷面圖并計算相關(guān)主斷面的力學(xué)特性數據，通過(guò)簡(jiǎn)化模型靜態(tài)性能的驗證探討該方法的可行性；李龍基于梁截面參數的靈敏度，運用向量?jì)?yōu)化法對某些截面的截面特征參數進(jìn)行優(yōu)化，從而實(shí)現車(chē)身的輕量化。
2 車(chē)身關(guān)鍵截面設計方法研究
車(chē)身形狀結構和關(guān)鍵截面形狀是車(chē)身框架幾何結構設計的兩大主要內容，由于截面的形狀受車(chē)身形狀結構的約束，因此在車(chē)身形狀結構優(yōu)化設計后才進(jìn)行關(guān)鍵截面形狀的設計。車(chē)身關(guān)鍵截面的正向開(kāi)發(fā)設計主要運用隱式參數化建模技術(shù)以及自動(dòng)優(yōu)化循環(huán)平臺，在可行域內搜索最優(yōu)解。本文以門(mén)檻梁截面設計為例，根據截面的尺寸約束確定截面的邊界條件，運用離散可行域的方法進(jìn)行截面控制點(diǎn)的劃分，再根據截面形狀約束進(jìn)行控制點(diǎn)之間的約束。以截面關(guān)鍵特性為約束條件，根據特定的性能評價(jià)進(jìn)行門(mén)檻梁截面的最優(yōu)形狀結構設計。
3 車(chē)身關(guān)鍵截面約束條件
截面的約束條件包括形狀約束條件和幾何約束條件，前者是關(guān)于制造可行性的約束，后者則是關(guān)于總布置、車(chē)身造型及車(chē)身內部空間的約束。截面的約束條件決定了設計變量、取值范圍及變量之間的約束。
3.1 形狀約束條件
車(chē)身的薄壁件大多數通過(guò)鈑金沖壓而成，通過(guò)焊接、螺栓連接構造成封閉截面的梁部件，因此在進(jìn)行車(chē)身關(guān)鍵截面開(kāi)發(fā)時(shí)要滿(mǎn)足一定的制造工藝約束，并確認是否具有可行性。對于定向沖壓的板件，設計中不能出現缺拔模角及負沖壓角的情況，由兩件以上板件組成的梁截面不能出現板件相交的.情況。
3.2 尺寸約束條件
截面的尺寸約束決定了不可變化的形狀節點(diǎn)及部分可變控制點(diǎn)的取值邊界，主要受車(chē)身布置、造型要求以及車(chē)身內部空間所影響。以某車(chē)型門(mén)檻梁截面為例，門(mén)框邊界和最下離地間隙約束決定了門(mén)檻梁截面上下翻邊的節點(diǎn)屬于形狀固定點(diǎn)；地板與門(mén)檻連接的地方是截面的內部空間約束，確定了內板與地板連接處的節點(diǎn)屬于形狀固定點(diǎn)；門(mén)密封面和側門(mén)包邊確定了外板與側門(mén)位置相互影響的節點(diǎn)屬于形狀固定點(diǎn)；車(chē)身外造型設計制約門(mén)檻梁外板的外廓形狀，使其成為形狀固定點(diǎn)；而內部空間約束和外部造型約束使得非形狀固定點(diǎn)具有取值范圍的邊界，內板的可控制點(diǎn)y值要小于內部空間固定點(diǎn)的y值，外板的可控制點(diǎn)y值不能小于外部造型固定點(diǎn)的y值。
4 性能驅動(dòng)截面形狀正向設計
截面形狀影響梁部件的結構性能，而梁作為車(chē)身框架的關(guān)鍵部件，對車(chē)身整體性能有著(zhù)決定性的影響。性能驅動(dòng)截面形狀的正向設計就是基于梁部件的關(guān)鍵性能對截面形狀進(jìn)行優(yōu)化設計，在截面約束條件下的可行域內尋找各控制點(diǎn)的最佳坐標位置。
4.1 截面離散化
根據截面尺寸約束條件確定的截面可行域是截面節點(diǎn)可能存在的空間位置，而截面形狀約束制約著(zhù)不同節點(diǎn)之間的位置關(guān)系。為了保證滿(mǎn)足形狀約束的要求，提出離散截面可行域的方法。在截面局部坐標下，將可行域沿z方向平行于y軸劃分 M 個(gè)區域，這些平行線(xiàn)與截面的外板、中間板、內板相交，分別形成（M-1）個(gè)節點(diǎn)，為了便于截面優(yōu)化設計，選取平行線(xiàn)通過(guò)截面上由于尺寸約束而固定的邊界點(diǎn)，相鄰線(xiàn)之間的距離盡量相等，以使節點(diǎn)均勻分布于板上。劃分的區域細化則使優(yōu)化截面形狀結果更接近最優(yōu)結構值，但運算量較大，且對于鈑金件的生產(chǎn)加工增加一定難度；而劃分的區域較少則會(huì )造成截面形狀與最優(yōu)結果相差較大。因此，要根據實(shí)際截面可行域的大小適當地選擇劃分的區域數量。
4.2 截面形狀約束的參數化
以車(chē)身框架形狀優(yōu)化設計得到的隱式參數化模型為基礎，對門(mén)檻梁截面的控制點(diǎn)進(jìn)行變量取值范圍的錄制，變量錄制的過(guò)程采取歸一化方法。門(mén)檻截面控制點(diǎn)作為變量的錄制過(guò)程，控制點(diǎn)從初始“0”位置沿y方向移動(dòng)達到某一位置作為“1”狀態(tài)。為了確保組成截面的板件不相交，因此要定義區域離散線(xiàn)上點(diǎn)之間的約束關(guān)系。引入中間變量并推導其取值范圍，保證在尋優(yōu)過(guò)程中各變量組合滿(mǎn)足形狀約束條件。
4.3 設計優(yōu)化過(guò)程的集成
該截面形狀優(yōu)化設計通過(guò)在軟件iSIGHT中搭建基于靜態(tài)性能的優(yōu)化集成系統平臺，后臺自動(dòng)調用隱式參數化建模軟件 SFE CONCEPT、數據處理軟件Matlab及求解器NASTRAN，提取性能參數儲存于數據庫中。
4.4 優(yōu)化結果
通過(guò)自動(dòng)尋優(yōu)得到截面控制點(diǎn)位置與板厚的最佳組合，初始狀態(tài)與優(yōu)化后的截面形狀對比，其中，外板的厚度為0.8 mm，中間板厚度為2.2 mm，內板厚度為 2.0 mm。優(yōu)化前后門(mén)檻梁的性能對比，可看出在一階扭轉模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉剛度這三個(gè)性能不降低的前提下，實(shí)現了門(mén)檻梁質(zhì)量減輕7.8%的輕量化目標。
5 結束語(yǔ)
在車(chē)身框架形狀結構優(yōu)化后的模型基礎上，對車(chē)身關(guān)鍵截面設計可行域采用離散化的方法，將截面形狀的設計轉化為截面控制點(diǎn)的最佳位置搜索。搭建靜態(tài)性能驅動(dòng)截面形狀設計的優(yōu)化集成系統平臺，以部分控制點(diǎn)的坐標值、中間變量值、板厚作為優(yōu)化變量，以一階扭轉模態(tài)頻率、彎曲剛度、扭轉剛度為性能約束，質(zhì)量最小為優(yōu)化目標，整個(gè)過(guò)程實(shí)現無(wú)人干預。該截面正向開(kāi)發(fā)方法在不降低車(chē)身框架形狀優(yōu)化設計后模型的靜態(tài)性能下，實(shí)現了車(chē)身輕量化的目標。
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