隨著汽車市場競爭越來越激烈，汽車企業(yè)在滿足用戶不斷提高的對可靠性、安全性、NVH等性能指標(biāo)要求的同時(shí)，還希望通過降低成本來創(chuàng)造利潤，同時(shí)縮短開發(fā)周期以便搶得市場先機(jī)。
相對于中后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，早期設(shè)計(jì)成本更低，設(shè)計(jì)自由度更高，CAE工程師一直在探索將CAE分析提前，改變對一個(gè)不理想模型狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的弊端，實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)。
CAE的早期介入，綜合考慮對產(chǎn)品有較大影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，通過科學(xué)的分析計(jì)算，建立較為理想的設(shè)計(jì)模型，減少設(shè)計(jì)中后期因?yàn)樾阅芴嵘M(jìn)行大量反復(fù)的修改，降低成本和縮短周期。
1 CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化模型
設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)和約束條件是優(yōu)化設(shè)計(jì)的三要素。目標(biāo)和約束條件屬于設(shè)計(jì)響應(yīng)，根據(jù)優(yōu)化目的的不同有些時(shí)候可以互換。
CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化技術(shù)的主要思路也是怎樣建立CAE的優(yōu)化模型，確定設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)目標(biāo)、約束條件。
根據(jù)優(yōu)化三要素，汽車設(shè)計(jì)響應(yīng)（約束條件和目標(biāo)值）可根據(jù)實(shí)際問題快速提取，如白車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)值、碰撞加速度峰值和等效加速、白車身質(zhì)量等都可以作為設(shè)計(jì)響應(yīng)，在CAE概念設(shè)計(jì)優(yōu)化模型中，以整體質(zhì)量為目標(biāo)值的優(yōu)化問題比較常見。CAE優(yōu)化技術(shù)關(guān)鍵點(diǎn)是設(shè)置及選取設(shè)計(jì)變量，本文將介紹兩種提取設(shè)計(jì)變量的方法，參數(shù)化建模法和網(wǎng)格變形過程錄制法。
2 概念設(shè)計(jì)階段優(yōu)化流程
傳統(tǒng)研發(fā)流程存在以下問題：
（1）概念設(shè)計(jì)方案主要依靠工程師的經(jīng)驗(yàn)來確定。
（2）設(shè)計(jì)早期階段缺少對產(chǎn)品性能有較大影響的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方面的考慮。
（3）設(shè)計(jì)中后期進(jìn)行大量反復(fù)的修改，帶來成本和周期的問題。
隨著研發(fā)的推進(jìn)，零部件逐步開始進(jìn)行開模、招標(biāo)，設(shè)計(jì)自由度越來越小，優(yōu)化更改方案的成本也越來越高，受到周期、成本、空間等限制，很多優(yōu)化方案不能實(shí)施。研發(fā)成本模型如圖1所示。
圖1 研發(fā)成本模型
由圖1可知，相對于中后期的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，早期設(shè)計(jì)成本更低，設(shè)計(jì)自由度更高，概念設(shè)計(jì)階段引入CAE性能評估優(yōu)化，將CAE分析提前，改變對一個(gè)不理想模型狀態(tài)進(jìn)行優(yōu)化的弊端，實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)。概念階段嵌入CAE優(yōu)化技術(shù)的汽車研發(fā)流程如圖2所示。
圖2 概念階段嵌入CAE優(yōu)化技術(shù)的汽車優(yōu)化流程
概念設(shè)計(jì)階段的CAE優(yōu)化分析主要從拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化[4]和料厚優(yōu)化角度進(jìn)行分析，如圖3所示。料厚優(yōu)化主要是對產(chǎn)品進(jìn)行減重，拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化提升產(chǎn)品性能，通過拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化和料厚優(yōu)化的聯(lián)合仿真，達(dá)到優(yōu)化性能和減重的雙重目的。
圖3 概念優(yōu)化分析流程
3 概念設(shè)計(jì)CAE優(yōu)化分析實(shí)例
3.1參數(shù)化建模技術(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)變量實(shí)例
利用參數(shù)化建模軟件SFE concept將有限元模型或者全新的車身主斷面結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成參數(shù)化模型，如圖4所示。
圖4 某車型的參數(shù)化模型
采用建模采取點(diǎn)—線—截面—接頭和梁—自由曲面—白車身的方法建立參數(shù)化模型。參數(shù)化模型隨參數(shù)變化而變化。白車身參數(shù)化模型由于線條簡單，每次新變化的參數(shù)化模型均可自動生成有限元模型。通過對不同參數(shù)組合的結(jié)構(gòu)優(yōu)化，選取最佳參數(shù)組合。
3.2網(wǎng)格變形技術(shù)設(shè)置設(shè)計(jì)變量實(shí)例
利用網(wǎng)格變形軟件DEP Morpher將參考車有限元模型的拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數(shù)。該參數(shù)由模塊控制，該模塊可控制不同分析類型的計(jì)算模型，也可控制不同規(guī)模（部件級、車身級、TB級、整車級）的分析模型的同一morphing部位，以此來實(shí)現(xiàn)多學(xué)科綜合優(yōu)化的功能。
圖5 某車型的網(wǎng)格變形參數(shù)化模型
3.3以網(wǎng)格變形參數(shù)為變量的優(yōu)化分析實(shí)例
3.3.1邊界條件
（1）根據(jù)技術(shù)要求將拉伸、投影和移位等morphing過程錄制為參數(shù)。
（2）基于老款車型白車身彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度為約束。
（3）以白車身質(zhì)量為目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化分析。
3.3.2優(yōu)化過程
（1）設(shè)置網(wǎng)格變形過程錄制參數(shù)、料厚優(yōu)化參數(shù)。
（2）根據(jù)靈敏度分析選擇參與優(yōu)化分析的參數(shù)。
（3）利用isight生成DOE矩陣，產(chǎn)生設(shè)計(jì)變量，利用DOE輸出矩陣控制基礎(chǔ)模型，得到優(yōu)化分析模型進(jìn)行計(jì)算，其分析結(jié)果在isight中通過分析響應(yīng)面，選出最優(yōu)結(jié)果。
3.4優(yōu)化分析結(jié)果
正面碰撞分析結(jié)果對比，加速度第一峰值降低0.5m/s2，有效加速度降低0.7m/s2。
表1 計(jì)算結(jié)果對比
4 結(jié)論
通過概念階段CAE優(yōu)化分析，快速驗(yàn)證參數(shù)化設(shè)計(jì)變量、料厚設(shè)計(jì)變量的綜合優(yōu)化作用，在彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度、模態(tài)基本不變，碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情況下，降低白車身質(zhì)量，為設(shè)計(jì)工程師提供了設(shè)計(jì)方向。
CAE優(yōu)化技術(shù)改變了工程師依靠經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，進(jìn)行建模和CAE分析，把CAE作為一種驗(yàn)算的工作模式，通過CAE分析，科學(xué)地尋找最優(yōu)化的設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)CAE驅(qū)動設(shè)計(jì)。
概念設(shè)計(jì)階段的CAE優(yōu)化分析確定的車身基本結(jié)構(gòu)綜合考慮了汽車可靠性、安全性、NVH等性能指標(biāo)，減少了中后期大量反復(fù)的修改。降低成本給企業(yè)創(chuàng)造了利潤，縮短開發(fā)周期為企業(yè)搶得市場先機(jī)。
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本文標(biāo)題：CAE優(yōu)化技術(shù)在汽車概念設(shè)計(jì)中的應(yīng)用
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