基于CATIA知識工程優(yōu)化的車身輕量化設(shè)計

1、基于CATIA知識工程優(yōu)化的車身輕量化設(shè)計蔡世民(中國第一汽車集團公司技術(shù)中心【摘要】提出一種基于CATIA知識工程優(yōu)化模塊對車身鈑金件進行減重的設(shè)計方法,并以某車型的頂棚拉手支架為例,說明了此設(shè)計方法的應(yīng)用過程,采用此方法最終可以得到滿足模型總質(zhì)量最小、符合拉手支架剛度要求的零件,它們的材料利用率將達到最優(yōu),同時達到車身輕量化的目的。此方法可以廣泛拓展到白車身總成的輕量化設(shè)計、底盤件的減重計算以及發(fā)動機的優(yōu)化計算等領(lǐng)域。主題詞:知識工程優(yōu)化車身輕量化中圖分類號:U463.82文獻標識碼:A文章編號:1000-3703(201007-0047-04A Lightweight Design Me

2、thod of Auto Body based on CATIA KEOCai Shimin(China FAW Group Corporation R&D Center【Abstract】The paper presents a lightweight design method of auto body based on CATIA knowledge engineering optimization module,and takes the bracket of grip of headlining as an example to illustrate the application

3、process of this design method.With this method,you can obtain the component which meets the requirement of minimum gross mass,and the requirement of grip bracket stiffness,in which the application rate of material in those components is the optimal and the objective of body lightweight is also achie

4、ved.This method can be used in lightweight design of BIW assembly,weight reduction calculation of chassis parts as well as engine optimization calculation,etc.Key words:KEO,Auto body,Lightweight1前言以某車型的頂棚拉手支架為例,說明基于CATIA知識工程優(yōu)化模塊對車身鈑金件進行輕量化設(shè)計方法的應(yīng)用過程。首先,對拉手支架及周邊零部件(包括側(cè)圍及頂蓋總成的一部分進行有限元分析;然后,進入CATIA知識工程優(yōu)

5、化模塊進行優(yōu)化計算,并根據(jù)優(yōu)化結(jié)果嘗試通過改進零件結(jié)構(gòu)進一步減小材料厚度的可行性;之后再進行有限元校核,如果有必要可以再進行優(yōu)化分析,進行若干次循環(huán)之后,可以得到滿足模型總質(zhì)量最輕、符合拉手支架剛度要求的零件,它們的材料利用率將達到最優(yōu),同時達到車身輕量化的目的,實現(xiàn)節(jié)油目標。2CATIA知識工程優(yōu)化優(yōu)化設(shè)計的實質(zhì)可以簡單概括為:在一定限制(約束條件下,尋求一組設(shè)計參數(shù)(變量,使設(shè)計對象的某項或多項設(shè)計指標(目標達到最優(yōu),它包含設(shè)計變量、目標函數(shù)和狀態(tài)變量3個基本要素1,2。知識工程(Knowledge Based Engineering,KBE實際上是通過知識的驅(qū)動和繁衍向工程問題和任務(wù)提供

6、最佳解決方案的計算機集成處理技術(shù),即在產(chǎn)品設(shè)計時充分考慮企業(yè)已有的知識以及企業(yè)標準或國際法規(guī)。美國福特汽車公司的J.A.Penoye等人認為,KBE是運用特意積累和存儲的知識完成工程任務(wù)的計算機系統(tǒng)3。知識工程是CATIA V5軟件的重要組成部分。知識工程優(yōu)化是指通過捕捉優(yōu)化設(shè)計意圖,如質(zhì)量、面積、體積等,使用戶可以按目標(最大化、最小化、目標值等進行優(yōu)化設(shè)計的一種優(yōu)化方法4。3CATIA有限元分析CATIA V5軟件是一個CAD/CAE/CAM集成軟件,它提供了功能強大且使用方便的工程分析模塊Analysis&Simulation。利用該模塊,可以快速實現(xiàn)基本的有限元分析。常用功能包括單個零

7、件的有限元分析GPS和裝配件的有限元分析GAS。可以分析的基本類型包括靜態(tài)分析、屈曲分析、頻率分析和自由頻率分析等。對于裝配件的有限元分析,還需要建立各零部件之間的連接特性(包括相互位置關(guān)系、力的傳遞關(guān)系等,從而保證載荷和應(yīng)力、應(yīng)變在零部件之間通過連接特性進行有效傳遞,實現(xiàn)裝配件的一體化分析。CATIA工程分析模塊根據(jù)工程需要共提供13種連接特性,其中在白車身總成上比較常用的有螺栓緊定連接特性、剛性連接特性、點焊連接特性和縫焊連接特性等。然而連接特性的創(chuàng)建必須以一定的連接關(guān)系為基礎(chǔ),零件之間的連接關(guān)系通?？煞譃檠b配件設(shè)計模塊中指定的約束和分析模塊中定義的連接關(guān)系兩種。分析模塊中的點連接關(guān)系(線

8、連接關(guān)系經(jīng)常用于模擬兩個零件之間或一個零件內(nèi)的焊點連接(焊縫連接5,6。4車身鈑金件輕量化設(shè)計方法據(jù)統(tǒng)計,汽車總質(zhì)量每減輕10%,燃油消耗量可降低6%8%7。由于轎車車身鈑金件的總質(zhì)量占轎車總質(zhì)量的30%40%,因此轎車車身鈑金件的輕量化對整車輕量化具有重要意義。將轎車車身鈑金件的設(shè)計與輕量化技術(shù)結(jié)合起來,可開發(fā)出剛度性能良好、受力分布均勻合理、材料利用率高的車身結(jié)構(gòu)。車身鈑金件設(shè)計需要滿足車身剛度、模態(tài)、NVH特性、碰撞安全性和疲勞壽命等諸多方面的性能要求和相關(guān)法律、法規(guī)及標準,進行輕量化設(shè)計同樣也要滿足上述性能要求。4.1車身鈑金件輕量化設(shè)計流程車身鈑金件的輕量化設(shè)計是應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計方法,在

9、保證車身結(jié)構(gòu)性能要求前提下,僅以車身鈑金件材料厚度作為變量,根據(jù)預(yù)先設(shè)定的輕量化目標設(shè)定優(yōu)化的目標函數(shù),進行優(yōu)化設(shè)計,提高材料利用率、減少材料冗余,從而達到車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的。以車身結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)性能為約束條件的優(yōu)化過程作為優(yōu)化設(shè)計的第1階段,也是輕量化設(shè)計最基本的階段。由于車身結(jié)構(gòu)零件主要由鋼材構(gòu)成,所以各零件的材料密度、彈性模量和泊松比取值基本一致,只是塑性性能有差別,但是該階段是彈性范圍內(nèi)的計算,可暫時不涉及材料的塑性性能。車身結(jié)構(gòu)的NVH特性主要涉及乘坐舒適性,可將NVH 特性為約束條件的優(yōu)化過程作為優(yōu)化設(shè)計的第2階段。車身結(jié)構(gòu)的碰撞安全性和疲勞壽命則主要涉及材料的強度和塑性變形,以

10、此為約束條件的優(yōu)化過程作為優(yōu)化設(shè)計的第3階段。優(yōu)化計算得到的零件厚度并不能直接用于實際生產(chǎn),需要根據(jù)板材規(guī)格對優(yōu)化計算后的零件厚度進行圓整和微調(diào)。微調(diào)過程中應(yīng)遵守以下原則:一是減小質(zhì)量大且對車身結(jié)構(gòu)性能要求不敏感的零件的厚度;二是增加質(zhì)量小且對車身結(jié)構(gòu)性能要求敏感的零件的厚度。采用微調(diào)后的零件厚度再次驗算車身結(jié)構(gòu)性能要求,并計算輕量化后的車身結(jié)構(gòu)質(zhì)量,完成輕量化設(shè)計。在車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化計算的基礎(chǔ)上,還需要從可制造性和成本等方面來考慮調(diào)整優(yōu)化計算結(jié)果,使其適合實際生產(chǎn)需要。例如對于一些厚度減小的零件,可通過換用高強度鋼板來保證其碰撞安全性和疲勞壽命等方面的要求;對于一些因厚度變化而導(dǎo)致成型性受到影響

11、的零件,也可通過換用其它材料使零件能夠沖壓成形。但是,由此帶來的車身結(jié)構(gòu)各項性能的變化需要再次進行驗證。經(jīng)過調(diào)整驗證再調(diào)整再驗證的反復(fù)過程,直至滿足各個方面的設(shè)計要求,最后形成可用于實際生產(chǎn)的輕量化方案。4.2車身鈑金件輕量化的優(yōu)化設(shè)計模型目標函數(shù):min W(X約束條件:g j(X0j=1,2,mt i Lt it i U i=1,2,n式中,X=t1,t2,t nT,為由參與優(yōu)化計算的n個車身鈑金件的材料厚度組成的向量;t i L和t i U分別為設(shè)計變量的下限值與上限值;W(X為車身鈑金件質(zhì)量函數(shù),由零件厚度、零件中面面積和材料密度構(gòu)成,優(yōu)化計算的目標函數(shù)設(shè)定為車身鈑金件質(zhì)量最小化;g

12、j(X為約束函數(shù)8。按照輕量化設(shè)計要求,在以剛度和模態(tài)為約束條件、以有限元模型為基礎(chǔ)的優(yōu)化計算中,通過設(shè)定相應(yīng)位移測量點的最大變形量,來確保車身結(jié)構(gòu)的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度不降低,并設(shè)定1階扭轉(zhuǎn)模態(tài)和1階彎曲模態(tài)的頻率值不低于相應(yīng)要求值。在確定優(yōu)化設(shè)計變量的過程中,通過對車身鈑金件的靈敏度分析,結(jié)合實際經(jīng)驗和生產(chǎn)中的限制,選擇部分對目標函數(shù)影響較大的車身鈑金件參與優(yōu)化計算,不僅可以減少設(shè)計變量的數(shù)目從而縮小問題規(guī)模,而且可以指示設(shè)計變量的最優(yōu)修改方向。5車身鈑金件輕量化設(shè)計方法舉例白車身上的每個分總成及零件輕量化設(shè)計與白車身總成輕量化設(shè)計不同點主要有以下兩個方面:一是在進行有限元分析時,如何根據(jù)整個白

13、車身的受力特點,對所要分析的分總成或零件施加約束和載荷;二是優(yōu)化過程不能以車身結(jié)構(gòu)的剛度和模態(tài)等整車性能參數(shù)為約束條件,而應(yīng)該參照法規(guī)或材料特性參數(shù)等考慮分總成或零件的約束條件。以某車型的頂棚前拉手支架為例,講述車身鈑金件輕量化設(shè)計方法的應(yīng)用過程,這一過程對白車身總成的輕量化設(shè)計同樣適用。根據(jù)頂棚拉手的試驗要求,在拉手的中心位置分別施加豎直向下(-Z方向1kN(定義為F1工況或沿拉手支架安裝面的法向方向施加500N(定義為F2工況的載荷,拉手的剛度在F1工況下應(yīng)大于1kN/mm,在F2工況下應(yīng)大于2kN/mm。5.1有限元模型的建立及分析求解有限元分析使用CATIA的工程分析模塊,優(yōu)點是CAD

14、和CAE都在CATIA統(tǒng)一平臺下進行,修改更新方便,另外,由于車身設(shè)計師對CATIA的CAD 模塊已經(jīng)很熟悉,對CAE分析模塊的界面和命令也能很快掌握。為了使得到的拉手剛度分析結(jié)果與實際相吻合,需要在分析時盡可能地保留其周邊零部件,如側(cè)圍、頂蓋等總成零件,但同時又必須考慮模型的精簡,以便后期進行優(yōu)化計算。根據(jù)以上原則,由于頂蓋總成具有沿Y=0平面的對稱性,因此僅保留一半頂蓋總成進行有限元分析;側(cè)圍總成僅保留對其影響較大的A、B、C柱的上半部分。經(jīng)過簡化處理,最終參與分析的零件共有23個,其中17個零件屬于側(cè)圍總成,頂蓋總成有6個零件。零件間的連接方式主要有點焊、激光拼焊和粘接3種。這23個零件

15、共劃分成26383個單元,主要是板殼單元。考慮到車頂使用過程中一般不會發(fā)生連接方式失效,且粘接強度相對于所受的載荷來說也足夠,因此,在模型中只采用剛性模擬9,涂膠點均模擬成點焊連接方式。點焊(激光拼焊的模擬方法為首先在焊點(焊縫處建立點(線連接關(guān)系,然后根據(jù)點(線連接關(guān)系建立點(縫焊連接特性即可。如此共建立342個焊點(30個模擬涂膠點,2個縫焊模擬側(cè)圍總成上的激光拼焊板。對于簡化的分析模型,約束頂蓋及A、B、C柱邊界部位所有鈑金件的自由度(即123456約束,如圖1所示。以拉手中心作為載荷的作用點,在每個拉手支架的安裝面和拉手中心之間建立一個剛性虛擬零件,系統(tǒng)自動從安裝面的每個網(wǎng)格節(jié)點處生成

16、一個梁單元連接到指定點上(選定的拉手中心,采用這種方法建立拉手中心與安裝面之間的聯(lián)系,可以較真實地模擬實際工況。用來評價的載荷分兩種:一是施加豎直向下(-Z方向1kN的載荷來測試豎直剛度;二是沿拉手支架安裝面的法向方向施加500 N的載荷來測試拉手的拉伸剛度,如圖2所示。圖1有限元模型約束施加示意圖2有限元模型載荷施加示意經(jīng)過有限元求解,得到了拉手支架的分析結(jié)果,具體見圖3和表1。表1拉手支架剛度計算結(jié)果通過表1可以看出,前拉手支架在F1工況下不滿足剛度要求,而在F2 工況下滿足,因此下一步只需考慮F1工況進行優(yōu)化分析,分析結(jié)果需要對F2工況進行復(fù)核,兩種工況均滿足剛度要求后,完成優(yōu)化計算分析

17、。圖3有限元模型位移分析圖5.2優(yōu)化計算及結(jié)果分析目標函數(shù):定義整個模型質(zhì)量最輕。設(shè)計變量:兩個拉手支架的材料厚度。狀態(tài)變量:要使拉手支架剛度(F1工況滿足要求,只需保證其Z向位移-1.0mm即可,因此選定拉手中心點處的Z向位移為狀態(tài)變量,作為優(yōu)化的F1=1kNF2=500N工況位移/mm剛度/Nmm-1目標剛度/Nmm-1結(jié)論F1-1.0311969.81000不滿足F2-0.21423362000滿足1.261.141.010.8840.7580.6320.5050.3790.2530.126位移/mm約束。經(jīng)過16次迭代計算,優(yōu)化計算過程自動收斂結(jié)束。優(yōu)化計算過程中,首先通過計算目標函數(shù)

18、和狀態(tài)變量對各個優(yōu)化設(shè)計變量的靈敏度,確定各設(shè)計變量的迭代變化方向和變化量,然后再進行優(yōu)化計算。優(yōu)化結(jié)果見表2,目標函數(shù)及狀態(tài)變量變化曲線見圖4,設(shè)計變量值變化曲線見圖5。表2拉手支架剛度優(yōu)化結(jié)果圖4目標函數(shù)及狀態(tài)變量變化曲線圖5設(shè)計變量值變化曲線通過優(yōu)化分析得到的拉手支架材料厚度分別為1.2641mm和1.2639mm,這些材料厚度并不能直接使用,需要按照鋼板材料厚度序列來調(diào)整,比如序列中有1.25mm和1.3mm兩種規(guī)格,為了滿足拉手支架的剛度要求,可以有兩種做法,一是選用1.3 mm規(guī)格,但這會增加車身質(zhì)量,造成材料冗余;另外一種比較好的做法是選用1.25mm規(guī)格,然后根據(jù)有限元分析結(jié)果

19、修改零件設(shè)計,之后進行剛度校核,若不滿足則再進行修改再校核。方法二的好處是充分挖掘每一個零件的輕量化潛力,使每個零件在滿足性能要求的前提下,材料利用率達到最大化。根據(jù)有限元分析結(jié)果,拉手支架上半部分所受應(yīng)力較大,因此對此處結(jié)構(gòu)進行了改進,將此處原來一道筋改為兩道筋,取消焊接面處的筋結(jié)構(gòu),改進前、后的結(jié)構(gòu)對比見圖6,然后對新結(jié)構(gòu)的拉手支架進行了有限元求解,分析及對比結(jié)果如表3所列。圖6拉手支架結(jié)構(gòu)改進前、后對比表3不同結(jié)構(gòu)和料厚的拉手支架剛度對比結(jié)果通過表3的對比分析可以看出,拉手支架在采用方案一、材料厚度1.3mm和方案二、材料厚度1.25mm的情況下,均滿足剛度要求,但從輕量化設(shè)計方面考慮,

20、采用方案二、材料厚度1.25mm的設(shè)計方案最佳。6結(jié)束語運用CATIA的產(chǎn)品知識工程優(yōu)化模塊,可以比較高效地進行優(yōu)化計算,為設(shè)計經(jīng)驗較少的車身設(shè)計師提供了一個車身輕量化設(shè)計的捷徑,而且有助于他們快速地進行經(jīng)驗積累。下一步的主要工作是:a.對整個白車身總成進行輕量化設(shè)計,以車身結(jié)構(gòu)的彎曲剛度、扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)的有限元計算為基礎(chǔ),經(jīng)靈敏度分析后,對車身結(jié)構(gòu)部分零件的材料厚度進行優(yōu)化計算,實現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計。b.可以考慮對已有車型進行輕量化改進,此時需要考慮到改型設(shè)計的實際可操作性和由此帶來的加工制造成本的增加,要盡量不修改模具。參考文獻1郭仁生,蘇君,盧洪勝.優(yōu)化設(shè)計應(yīng)用.北京:電子工業(yè)出版社

21、,2003,103105.2陳東平.轎車參數(shù)化分析模型的構(gòu)造研究及應(yīng)用:學(xué)位論文.長春:吉林大學(xué).2002,4243.參數(shù)及變量初值下限值上限值優(yōu)化結(jié)果變化量目標函數(shù)模型質(zhì)量/kg20.410520.41290.0024狀態(tài)變量拉手中心點Z向位移/mm-1.0311-1.0-0.9990.0321設(shè)計變量拉手支架1厚度/mm1.20.8 1.6 1.26410.0641拉手支架2厚度/mm1.20.8 1.6 1.26390.0639方案方案一(改進前方案二(改進后F1工況F2工況F1工況F2工況1.20位移/mm-1.0311-0.214-1.015剛度/Nmm-1969.823369851

22、.25位移/mm-1.006-0.211-0.994-0.21剛度/Nmm-19942370100623811.30位移/mm-0.983-0.207剛度/Nmm-110172415材料厚度/mm參數(shù)改進部位12345678910111213141516迭代步數(shù)20.42820.42620.42420.42220.42020.41820.41620.41420.41220.410質(zhì)量/kg拉手中心點Z向位移質(zhì)量拉手中心點Z向位移/mm-0.80-0.85-0.90-0.95-1.00-1.05-1.10123456789101112131415161.81.61.41.21.00.8拉手支架材

23、料厚度/mm拉手支架1迭代步數(shù)拉手支架23Unigraphics Solutions Inc編著,董正衛(wèi)等編譯.UG/OPEN API編程基礎(chǔ).北京:清華大學(xué)出版社,2002.4王忠,樸英花,盧金火,等.CATIA-V5的知識工程優(yōu)化功能在汽車產(chǎn)品開發(fā)上的應(yīng)用.汽車技術(shù),2004,3.5王登峰.北京:CATIA V5機械(汽車產(chǎn)品CAD/CAE/CAM 全精通教程.北京:人民交通出版社,2007,352382.6盛選禹.CATIA有限元分析命令詳解與實例.北京:機械工業(yè)出版社,2005,2546.7Benedyk J.LightMetals in Automotive Applications

24、.LightMe-talAge,2000,58(10:3435.8韓旭,朱平.基于剛度和模態(tài)性能的轎車車身輕量化研究.汽車工程,2007,29(7.9蘭鳳崇,陳吉清.轎卡貨廂車頂蓋疲勞失效分析及改進設(shè)計.機械研究與應(yīng)用,2005,18(3.(責任編輯簾青修改稿收到日期為2010年5月17日。汽車偏置碰撞中的前橫梁改進王志濤門永新湯志鴻王則龍趙福全(浙江吉利汽車研究院有限公司【摘要】通過有限元分析方法,針對“汽車前橫梁改進”項目的要求,建立了整車碰撞有限元模型,并采用CAE技術(shù)手段,分析得出了該車身結(jié)構(gòu)存在的問題,提出了有效的改進方案,從而可有效地保障車輛安全性能,指導(dǎo)車身設(shè)計,避免在新車開發(fā)中

25、出現(xiàn)結(jié)構(gòu)缺陷。主題詞:前橫梁碰撞CAE改進方案中圖分類號:U461.91文獻標識碼:A文章編號:1000-3703(201000-0000-00The Improvement of Front Cross Member in Vehicle Offset Impact Wang Zhitao,Men Yongxin,Tang Zhihong,Wang Zelong,Zhao Fuquan(Zhejiang Geely Automobile Institute Co.Ltd【Abstract】In view of the requirements of the projectImprovement Development of Front Cross Member,vehicle impact FE model is established in th