数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统设计与应用.pdf

2023 年 11 月第 19 卷 第 4 期系统仿真技术System Simulation TechnologyNov.，2023Vol.19，No.4数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统设计与应用张彬*，师利芳，金小红（上汽大通汽车有限公司，上海 200438）摘要：本研究主要构建数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统。以柔性化整车数模结构数据库为基础，搭配数字驱动的整车设计系统、自动仿真优化系统及整车轻量化结果分析预测系统，实现整车结构仿真优化过程几乎零人工投入、整车结构设计数字化输入、优化结果可视化。以某MPV车型整车结构优化设计为研究对象，以整车扭转刚度、弯曲刚度为约束条件，以整车质量为优化目标，最大可实现整车车身减重9.8kg。关键词:数字化仿真；轻量化；柔性化建模；多学科优化Design and Application of a Digital-Driven Simulation Optimization System for Lightweight Entire Vehicle StructureZHANG Bin*，SHI Lifang，JIN Xiaohong（SAIC MAXUS Automotive Co.，Ltd.，Shanghai 200438，China）Abstract：This project primarily establishes a digital-driven simulation optimization system for lightweight entire vehicle structure.Built upon a flexible digital model structure database，the system integrates a digital-driven vehicle design system，an automated simulation optimization system，and a comprehensive analysis and prediction system for the lightweighting results.The aim is to achieve nearly zero manual intervention in the entire vehicle structure simulation optimization process，with digitized input for vehicle structural design and visualization of optimization results.Taking a specific MPV model as the research subject，the study focuses on optimizing the entire vehicle structure design with constraints on torsional stiffness and bending stiffness，and the optimization objective of minimizing the overall vehicle mass.The maximum achievable reduction in the overall vehicle body weight is 9.8 kg.Key words：digital simulation；lightweight；flexible modeling；multidisciplinary optimization随着社会的高速发展和进步，人们对品质生活的要求越来越高。随着5G通信技术的变革，汽车作为现代出行代步的重要通行工具，也在经历新一轮的技术变革，并将迎来新一轮高速发展时期。因此，快速、高效地推出新型轻量化迭代产品成为汽车行业的关键技术1-3。在当前汽车行业的整车开发过程中，为了适应快速迭代的市场要求，只能不断压缩产品的开发周期。现有公认有效的压缩开发周期，是通过提高每次虚拟分析精度来减少开发前期虚拟分析轮次。而现有的解决方案存在以下4个问题。（1）整车数模结构数据库的建立不够完善，导致新项目架构基础薄弱，需要从零开始建模。（2）早期建立的数模结构不够智能，导致已有项目的车身数模结构无法被高效重复利用。（3）现有的数模结构建立工具和整车虚拟分析工具之间的数据格式不能通用共享，导致虚拟分析优化过程往往需要人为多轮数据转化和计算分析才能完成。（4）现有的汽车产品研发工作受结构设计开发工程师的经验影响较通信作者：张彬，E-mail：中图分类号:TP391.9 文献标志码:A DOI:10.16812/31-1945.2023.04.005张彬，等：数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统设计与应用大，加上虚拟验证分析过程太冗杂，导致“横向对比不同接头的架构性能”较难实现，给纵向设计开发增加了难度。为解决以上难题，本研究构建一套由数字驱动的、可实现自动化装配及整车性能多学科优化的仿真系统4。1 数字驱动的智能车身结构轻量化仿真优化系统 数字驱动的智能车身结构轻量化仿真优化系统包括4个组成部分，即整车结构数据库、数字化参数驱动设计系统、自动仿真优化系统、整车轻量化结果分析及预测系统。系统的业务流转如图1所示。整车结构数据库是系统的基础，系统采用柔性化参数方式构建结构模型数据，使数模结构具有可自动化组装功能，并将历史项目的关键接头数模结构存档，构建整车关键接头结构的数模数据库，为后续项目的借用、提取提供方便。数字化参数驱动设计系统具有关键性能录入、制定关键整车数模结构参数的功能，为数字化驱动整车结构设计奠定基础，具有参数驱动设计的功能。自动仿真优化系统具有驱动整车数模结构自动化组装、整车结构轻量化优化分析及结果寻优的功能，串联结构数模构建和性能优化分析功能模块。整车轻量化结果分析及预测系统具有抓取、整合分析整车轻量化参数的功能，并通过统计方法及行业经典经验预测轻量化模型。数字驱动的智能车身结构轻量化仿真优化系统具有自动化寻找并储存最优性能的整车轻量化结构模型及性能参数的功能，为快速选型、决策提供数据支持。2 数字驱动的智能车身结构轻量化仿真优化系统设计与应用 数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统最早于2022年在上汽大通技术中心投入使用，系统构建过程基于在研项目正向开发流程，首款应用此仿真优化系统的车型已上市。2.1搭建整车结构数据库采用仿真驱动型设计SFE工具，通过柔性化参数方式构建整车关键结构的数据模型5-6：选择整车结构的关键接头结构，在关键接头结构布置基点，建立特征曲率基线；并依据接头的几何特征和有限元模型截面形状，创建带参数的基础截面；并依据上述基础元素特征生成梁、接头、曲面，完成各关键接头结构的柔性化、参数化数模结构的创建。由该建模方法构建的数模结构，因由带参数的基点及基线构成，可实现数模结构与数字参数之间映射关系的建立；关键接头的结构数据通过体系化命名，可实现与系统设计参数信息绑定，使整车关键接头的结构数模具有联动筛选功能，最后完成参数化建模的数模结构数据库搭建，如图2所示。2.2构建数字化参数驱动系统采用网页设计，支持车型特征、整车尺寸、关键结构特征、关键接头结构种类、结构尺寸等参数的选择和参数输入，以及整车性能关键要求的期望目标设置值输入。该网页中的数字参数，通过多接口连接技术，与整车结构数据库中的柔性化结构构建一一数学映射关系，赋予网页数字系统驱动整车结构数据库的结构选型功能，如图3所示。2.3搭建自动仿真优化系统2.3.1自动仿真流程搭建自 动 仿 真 流 程 采 用 MDO（Multi-disciplinary design optimization）系统搭建而成，MDO系统与数字化参数驱动系统串联，接收车身设计参数后，按要求调用关键接头模块，自动组装生成参数化车身模型；启动有限元数字模型进行关键工况的物理仿真计算；以关键工况的物理仿真变化值，对目标值进行评价；根据评价结果及优化方向，更新车身参数化模型后，自动进行下一轮优化迭代；如此往复，直到完成所有模型的计算，最终将计算结果按照寻优规则推送至整车轻量化结果分析及预测系统。仿真业务流转流程如图 4所示。图1数字驱动的智能车身结构轻量化仿真优化系统Fig.1Digital-driven simulation optimization system for lightweighting intelligent vehicle structure 图2关键接头的数模结构数据库示例Fig.2Example of mathematical model structure database for key joints335系统仿真技术第 19 卷 第 4 期2.3.2邻域培养遗传算法由于本研究涵盖车身范围的关键结构优化，涉及接头结构种类及数量、整车架构尺寸、关键结构尺寸、截面尺寸、料厚等共计107个变量优化，优化目标包括扭转刚度、弯曲刚度、整车重量、模态等多种目标参数。综合考虑了计算周期、准确率及系统的鲁棒性，最终选择 了 邻 域 培 养 遗 传 算 法（Neighborhood cultivation genetic algorithm，NCGA）作为本项目的寻优方法。与传统的DOE计算方法相比，邻域培养遗传算法更适合目标多、变量多的计算工况，该算法的鲁棒性更强、可靠性更强，所获得的优化结果覆盖范围更广。NCGA与DOE算法比较如图5所示。本研究优化过程的数学表达模型如下所示：Find：x1，x2，x3，xn，y，cMin：F f 1（x），f 2（x），f 3（x），fm（x）根据设计经验和工程经验，车身参数化建模可以抽象为f（x1，x2，x3，xn）；众多的设计变量，如实型、整型、离散型可以表达车身参数化的数字模型。再根据工程设计经验给出参数的定义范围和参数离散类型。如：长度、宽度、Y向坐标等。学科专业的分析：根据物理仿真方程采用隐函数f 2（x1，x2，x3，xn）表示扭转刚度，并采用CAE求解器对专业的物理仿真求解。同理，根据物理仿真方程采用隐函数f 3（x1，x2，x3，xn）表示弯曲刚度，完成弯曲图3数字化参数驱动系统示例Fig.3Example of digital parameter driven system图4仿真业务流转流程示意图Fig.4Schematic diagram of simulated business flow process图5NCGA算法与DOE算法过程对比Fig.5Comparison of NCGA and DOE336张彬，等：数字驱动的整车结构轻量化仿真优化系统设计与应用刚度的专业分析。根据工程需要采用fm（x1，x2，x3，xn）表示非常重要的工程评价指标轻量化系数，这里既含专业分析后的物理量，也含全局变量。参数化模型：Function1=f 1（x1，x2，x3，xn）扭转刚度：Function2=f 2（x1，x2，x3，xn）弯曲刚度：Function3=f 3（x1，x2，x3，xn）模态：Function4=f 4（x1，x2，x3，xn）轻量化系数：Functionm=fm（x1，x2，x3，xn）参数化建模工程约束f（x）t0专业分析工程约束t1 f 2（x）t2；t11 f 3（x）tc12；工程评价指标边界fm（x）tz2.3.3优化结果分析本研究经过7轮迭代优化，共计进行了1 051次优化计算，获得的仿真优化分析结果如图6所示。其中散点图为优化结构的质量-扭转刚度结果和质量-弯曲刚度结果合集，支持可视化结构模型的快速选择。本项目还通过影响因子对目标的灵敏度进行分析，对整车弯曲刚度、扭转刚度及质量高敏感度的前16个影响因子进行识别，以及对目标结果影响最不敏感的前12个影响因子进行识别，为下一代整车结构设计积累经验。2.4搭建整车轻量化结果分析及预测系统为了方便决策者更快、更精准地从众多优化分析结果中快速识别最优方案，本项目将行业公认的轻量化计算方法嵌入至系统代码中，并在计算结果中按照既定顺序排序，再经过轻量化公式判断、筛选，获取排名前十的优化结果后在整车轻量化结果分析及预测系统中推送、展示。本项目综合选择了3 个最优方案，分别适合货车、普通乘用客车及高舒 适 性 客 车 系 列 产 品 的 开 发 工 况，结 果 如 图 7所示。图6仿真优化结果及分析Fig.6Simulation optimization results and analysis图7优化结果对比Fig.7Comparison of optimization results337系统仿真技术第 19 卷 第 4 期3 结 语 本研究搭建了数字驱动的智能车身结构轻量化仿真系统，该系统包括4个板块：整车结构数据库、数字化参数驱动设计系统、自动仿真优化系统、整车轻量化结果分析及预测系统。该自动化仿真系统，打破了初始车身结构设计完全依赖设计经验的传统，开启了向数字化科学技术指导转变；该系统采用柔性化、全参数化模块建模，集成仿真一体化技术，实现零人工整车结构优化；多学科仿真前处理模型全自动生成，仿真效率提升80%以上；智能结构数据库，实现整车结构快速决策、选配；依托智能化系统获得更准确的轻量化设计参数，科学地研究了结构设计参数对车身综合性能的影响，有效提升了车身设计的稳健性，为汽车行业整车架构智能化设计提供了新思路。参考文献：1刘莹，祝振林、王登峰.基于隐式全参数化技术的动力电池仓轻量化设计 J.汽车安全与节能学报，2020，11（2）：236-242.LIU Ying，ZHU Zhenlin，WANG Dengfeng.Light weight design of power battery compartments based on implicit full parameterization technology J.Journal of Automotive Safety and Energy，2020，11（2）：236-242.2关俊山，杨大鹏，张艳兵，等.基于折衷规划的客车电池箱结构多工况拓扑优化 J.武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2019，43（2）：363-367.GUAN Junshan，YANG Dapeng，ZHANG Yanbing，et al.Multi-condition topology optimization of bus battery box structure based on compromise programming J.Journal of Wuhan University of Technology（Transportation Science&Engineering），2019，43（2）：363-367.3袁林，赵清海，张洪信，等.考虑碰撞工况的电动汽车电池箱多目标拓扑优化设计 J.制造业自化，2019，41（5）：124-129.YUAN Lin，ZHAO Qinghai，ZHANG Hongxin，et al.Multi-objective topology optimization design of electric vehicle battery box considering collision conditions J.Manufacturing Automation，2019，41（5）：124-129.4史国宏，陈勇，杨雨泽，等.白车身多学科轻量化优化设计应用 J.机械工程学报，2012，48（8）：110-114.SHI Guohong，CHEN Yong，YANG Yuze，et al.BIW architecture multidisciplinary lightweight optimization designJ.Journal of Mechanical Engineering，2012，48（8）：110-114.5陈鑫，胡翠松，宁厚于，等.SUV白车身隐式参数化建模及多性能优化轻量化 J.吉林大学学报（工学版），2016，46（6）：1780-1785.CHEN Xin，HU Cuisong，NING Houyu，et al.Implicit parameterization modeling and multi-performance lightweight optimization for SUV body-in-whiteJ.Journal of Jilin University（Engineering and Technology Edition），2016，46（6）：1780-1785.6王震虎，周巧英，刘开勇，等.基于响应面模型的白车身多目标轻量化设计J.中国机械工程，2018，29（1）：75-81.WANG Zhenhu，ZHOU Qiaoying，LIU Kaiyong，et al.Multi-object lightweight design of BIWs based on response surface model J.China Mechanical Engineering，2018，29（1）：75-81.张 彬 男（1988-），上海人，工程师，主要研究方向为车身设计开发。师利芳 女（1989-），上海人，高级工程师，博士，主要研究方向为材料和结构分析。338