基于CATIA知识工程优化的车身轻量化设计

1基于CATIA知识工程优化的车身轻量化设计【摘要】本文提出一种基于CATIA知识工程优化模块，对车身钣金件进行轻量化的设计方法，并以某车的顶棚拉手支架为例，来说明此设计方法的应用过程，采用此方法最终可以得到满足模型总质量最小，符合拉手支架刚度要求的零件，它们的材料利用率将达到最优，同时达到轻量化车身的目的。此方法具有科学高效，易于掌握，利于经验积累等优点，并且可以广泛拓展到白车身总成的轻量化设计，底盘件的轻量化计算，以及发动机的优化计算等领域。【关键词】知识工程优化，钣金件，轻量化，有限元ALightweightDesignMethodofAutoBodyBasedonCATIAKEOAbstract:ThepresentpapermainlyintroducesalightweightdesignmethodofautobodybasedonCATIAknowledgeengineeringoptimization,andtheapplicationexampleinbracketofgripofheadliningisgiven.Thusyoucangainthelightandstrongbracketandtheefficiencyofmaterialofthebracketishigh.Thismethodisprovedtobeefficacious,convenientandeasytoaccumulateexperience;itcanbeusedonlightweightdesignofBIWassembly,chassis,engineandsoon.Keywords:KEO,sheetpanel,lightweight,FEM1.前言在能源日趋紧张的今天，汽车节油新技术不断涌现，而采用车身轻量化技术来提高汽车燃油经济性的传统方法一直得到人们的推崇。车身轻量化技术的很重要的一个方面就是对钣金件材料厚度的科学地合理地确定和采用合理的加强结构，然而这一工作的完成需要设计师具有多年的经验积累和计算机辅助分析手段的大量应用，以及与国内外同级别车进行广泛地对标。这些要求对于工作时间不长的新员工来说都是很难实现的。鉴于此，本文提出一种基于CATIA知识工程优化模块，对车身钣金件进行轻量化的设计方法，该方法对于新员工快速开展工作具有很好的指导意义，对于老员工可以进一步丰富设计经验，增加知识积累。本文将以某车的顶棚拉手支架为例，来说明此设计方法的应用过程。首先，对拉手支架及周边零部件（包括侧围及顶盖总成的一部分）进行有限元分析；然后进入CATIA知识工程优化模块，进行优化计算，并根据优化结果尝试着通过改进零件的结构进一步减小材料厚度的可行性，之后再进行有限元校核，如果有必要的话可以再进行优化分析，如此进行若干次循环之后，最终就可以得到满足模型总质量最小，符合拉手支架刚度要求的零件，它们的材料利用率将达到最优，同时达到轻量化车身的目的，实现节油的目标。2.CATIA知识工程优化优化设计的实质，可以简单地概括为：在一定限制（约束）条件下，寻求一组设计参数（变量），使设计对象的某项或多项设计指标（目标）达到最优，它包含有设计变量、目标函数和状态变量三个基本要素[1，2]。基于知识的工程（KnowledgeBasedEngineering,KBE）实际上是通过知识的驱动和繁衍向工程问题和任务提供最佳解决方案的计算机集成处理技术，即在产品设计时充分考虑企业已有的知识，以及企业标准或国际法规。美国Ford汽车公司的J.A.Penoye等人认为：KBE是运用特意积累和存储的2知识完成工程任务的计算机系统[3]。汽车车身设计过程是一个建立在工程师丰富的开发经验以及集合专业性知识基础上的创造性思维过程，同时也是在现有经验知识基础上的进一步积累创新,即是一个包含了对知识的继承、集成、创新和管理的过程。知识工程是CATIAV5软件的重要组成部分。知识工程优化是指通过捕捉优化设计意图，如质量、面积、体积等，使用户可以按目标（最大化、最小化、目标值等）进行优化设计的一种优化方法[4]。3.CATIA有限元分析有限元法实质上是一种在力学模型上进行近似的数值计算方法[5]。CATIAV5软件是一个CAD/CAE/CAM集成软件，它提供了功能强大且使用方便的工程分析模块——Analysis&Simulation。利用该模块，可以快速实现基本的有限元分析；常用的功能包括单个零件的有限元分析GPS和装配件的有限元分析GAS；可以分析的基本类型包括静态分析，屈曲分析，频率分析和自由频率分析等。对于装配件的有限元分析还需要建立各零部件之间的连接特性（包括相互位置关系，力的传递关系等），从而保证载荷和应力应变在零部件之间通过连接特性进行有效传递，实现装配件的一体化分析。CATIA工程分析模块根据工程需要共提供13种连接特性，其中在白车身总成上比较常用的有螺栓紧定连接特性，刚性连接特性，点焊连接特性和缝焊连接特性等。然而连接特性的创建必须以一定的连接关系为基础，零件之间的连接关系通常可分为两种，装配件设计模块中指定的约束和在分析模块中定义的连接关系。分析模块中的点连接关系（线连接关系）经常用于模拟两个零件之间或一个零件内的焊点连接（焊缝连接）[6，7]。4.车身钣金件轻量化设计方法据统计，汽车每减轻其总质量的10%，燃油消耗量可降低6%~8%[8]。由于轿车车身钣金件的总质量占轿车总质量的30%~40%，因此轿车车身钣金件的轻量化对于整车的轻量化具有重要的意义。4.1车身钣金件轻量化设计方法将轿车车身钣金件的设计与轻量化技术结合起来，可开发出具有刚度性能良好、受力分布均匀合理，并且材料利用率高的车身结构。车身钣金件设计需要满足车身刚度、模态、NVH特性、碰撞安全性和疲劳寿命等诸多方面的性能要求和相关的法律、法规及标准，进行轻量化设计同样也要满足上述性能的要求。而且，车身钣金件的可制造性和生产成本也是不可忽视的重要因素。4.1.1车身钣金件轻量化设计流程车身钣金件的轻量化设计是应用优化设计的方法，在保证车身结构性能要求的前提下，仅以车身钣金件材料厚度作为变量，根据预先设定的轻量化目标，设定优化的目标函数，进行优化设计，提高材料的利用率，减少冗余的材料，从而达到车身结构轻量化的目的。由于涉及车身结构各项性能的约束优化设计过程复杂，因此将该优化设计分成若干阶段进行，并使计算时间控制在可接受的范围内。以车身结构的刚度和模态性能为约束条件的优化过程，作为优化设计的第1阶段，也是轻量化设计最基本的阶段，由于车身结构零件主要由钢材构成，所以各零件的材料密度、弹性模量和泊松比的取值基本一致，只是塑性性能有差别，但是该阶段是弹性范围内的计算，可暂时不涉及材料的塑性性能；车身结构的NVH特性主要涉及乘坐舒适性，可将NVH特性为约束条件的优化过程作为优化设计的第2阶段；车身结构的碰撞安全性和疲劳寿命则主要涉及材料的强度和塑性变形，以此为约束条件的优化过程作为优化设计的第3阶段。优化计算得到的零件厚度并不能直接用于实际生产，需要根据主机厂的钢板供应商提供的板材规格对优化计算后的零件厚度进行圆整和微调。微调过程中，应遵守以下原则：一是减薄质量大且对车身结构性能要求不敏感的零件；二是增厚质量小且对车身结构性能要求敏感的零件。采用微调后的零件厚度再次验算车身结构性能要求，并且计算轻量化后的车身结构质量，完成轻量化设计。在车身结构优化计算的基础上，还需要从可制造性和成本等方面来考虑调整优化计算的结果，3使其适合实际生产的需要。例如对于一些厚度减薄的零件，可通过换用高强度钢板来保证其碰撞安全性和疲劳寿命等方面的要求；再比如对于一些因厚度变化而导致成型性受到影响的零件，也可通过换用其它材料的办法使得零件能够冲压成形。但是，由此带来的车身结构各项性能的变化需要再次进行验证。在经过调整—验证—再调整—再验证这样一个反复过程之后，直至满足各个方面的设计要求，最后形成可用于实际生产的轻量化方案。4.1.2车身钣金件轻量化的优化设计模型基于车身钣金件性能的约束优化问题可表述为：目标函数：minW(X)约束条件：gj(X)≤0j=1,2,…,mUiiLittti=1,2,…,n式中X=[t1,t2,…,tn]T为由参与优化计算的n个车身钣金件的材料厚度组成的向量；Lit和Uit分别为设计变量的下限值与上限值；W(X)为车身钣金件质量函数，由零件厚度、零件中面的面积和材料密度构成，优化计算的目标函数设定为车身钣金件质量最小化；gj(X)为约束函数[9]。按照轻量化设计的要求，对于以刚度和模态为约束条件，在以有限元模型为基础的优化计算中，通过设定相应位移测量点的最大变形量，来确保不降低车身结构的弯曲和扭转刚度，并设定1阶扭转模态和1阶弯曲模态的频率值不低于相应要求值。在确定优化设计变量的过程中，通过对车身钣金件的灵敏度分析，结合实际经验和实际生产中的一些限制，选择部分对目标函数影响较大的车身钣金件参与优化计算，不仅可以减少设计变量的数目从而缩小问题的规模，而且可以指示设计变量的最优修改方向。5.车身钣金件轻量化设计方法举例上一节主要介绍的是针对白车身总成的轻量化设计方法，实际上对于白车身上的每个分总成及零件同样也可以采用类似的方法，不同点主要有以下两个方面：一是在进行有限元分析时，如何根据整个白车身的受力特点，对所要分析的分总成或零件施加约束和载荷；二是优化过程不能以车身结构的刚度和模态性能等整车性能参数为约束条件，而应该参照法规或材料特性参数等考虑分总成或零件的约束条件。这两点对于白车身各分总成及零件的轻量化设计来说，都是十分重要和必须事先明确的。由于对整个白车身总成进行轻量化设计，工作量非常大，优化分析时的有限元反复计算求解对计算机硬件的要求十分高，因此在本节中，仅以某车型的顶棚前拉手支架为例，讲述车身钣金件轻量化设计方法的应用过程，这一过程对于整个白车身总成的轻量化设计来说都是一样的。根据顶棚拉手的试验要求，在拉手的中心位置分别施加竖直向下（-Z方向）1000N（定义为F1工况）或沿拉手支架安装面的法向方向上施加500N（定义为F2工况）的载荷，拉手的刚度在F1工况下应大于1000N/mm，在F2工况下应大于2000N/mm。5.1有限元模型的建立及分析求解有限元分析使用CATIA的工程分析模块，这样的好处是CAD和CAE都在CATIA统一的平台下进行，来回修改起来更新方便；另外由于车身设计师对CATIA的CAD模块已经很熟悉，对CAE分析模块的界面和命令能很快掌握。为了使得到的拉手刚度分析结果与实际相吻合，需要在分析时尽可能地保留其周边零部件，例如侧围，顶盖等总成零件；但同时又必须考虑模型的精简化，以便后期进行优化计算。根据以上原则，由于顶盖总成具有沿Y0平面的对称性，因此仅保留一半顶盖总成进行有限元分析；对于侧围总成，仅保留对其影响较大的A、B、C柱的上半部分。经过简化处理，最终参与分析的零件共包括23个，其中17个零件属于侧围总成，顶盖总成包括6个零件。零件间的连接方式主要有点焊，激光拼焊和粘结三种。这23个零件共划分成26383个单元，主要是板壳单元，对于粘结方式，由于考虑到在车顶使用过程中一般不会发生联接方式失效,且粘接的联接强度相对于所受的载荷来说也够，因此，在4模型中只采用刚性模拟[10]，涂胶点均模拟成点焊连接方式。点焊（激光拼焊）的模拟方法为首先在焊点（焊缝）处建立点（线）连接关系，然后根据点（线）连接关系建立点（缝）焊连接特性即可，如此共建立342个焊点（30个模拟涂胶点），2个缝焊模拟侧围总成上的激光拼焊板。约束的施加：对于简化的分析模型，约束顶盖及A、B、C柱的边界部位的所有钣金件的所有自由度（即123456约束），如图5-1所示。载荷的施加：首先找到拉手的中心作为载荷的作用点，然后在每个拉手支架的安装面和拉手中心之间建立一个刚性虚拟零件，系统自动从安装面的每个网格节点处生成一个铰支梁单元连接到指定点上（选定的拉手中心），采用这种方法建立拉手中心与安装面之间的联系