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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

A Lightweight Design Method of Auto Body Based on CATIA KEO
Abstract: The present paper mainly introduces a lightweight design method of auto body based on CATIA knowledge engineering optimization, and the application example in bracket of grip of headlining is given. Thus you can gain the light and strong bracket and the efficiency of material of the bracket is high. This method is proved to be efficacious, convenient and easy to accumulate experience; it can be used on lightweight design of BIW assembly, chassis, engine and so on.
Key words: KEO, sheet panel, lightweight, FEM

1.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（Knowledge Based Engineering,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CATIA V5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]。
CATIA V5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，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)≤0　　j=1,2,…,m
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； 和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，图5-1 有限元模型约束施加图
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。
F1=1000N
F2=500N
图5-2 有限元模型载荷施加图
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，可以比较真实地模拟实际工况。用来评价的载荷分两种：一是施加竖直向下（-Z方向）1000N的载荷来测试竖直刚度；二是沿拉手支架安装面的法向方向上施加500N的载荷来测试拉手的拉伸刚度，如图5-2所示。
经过有限元求解，得到了拉手支架的分析结果，详见图5-3和表5-1。
表5-1 拉手支架刚度计算表
工 况
位移（mm）
刚度（N/mm）
目标值（N/mm）
结论
F1（1000N）
-1.0311
969.8
≥1000
不满足
F2（500N）
-0.214
2336
≥2000
满足
图5-3 有限元模型位移分析图

通过表5-1可以看出，前拉手支架在F1工况下不满足刚度要求，而在F2工况下满足，因此下一步只需考虑F1工况进行优化分析，优化分析的计算结果需要对F2工况进行复核，两种工况均满足刚度要求后，最终完成优化计算分析。
5.2优化计算及结果分析
设置优化参数如下：
目标函数：定义整个模型质量最小；
设计变量：两个拉手支架的材料厚度；
图5-4 目标函数及状态变量变化曲线图

图5-5 设计变量值变化曲线图

状态变量：要使拉手支架刚度（F1工况）满足要求，只需保证其Z向位移>-1.0mm即可，因此选定拉手中心点处的Z向位移为状态变量，作为优化的约束。
经过16次的迭代计算，优化计算过程自动收敛结束。优化计算过程中，首先通过计算目标函数和状态变量对各个优化设计变量的灵敏度，从而确定各设计变量的迭代变化方向和变化量，然后再进行优化计算。优化结果见表5-2，目标函数及状态变量变化曲线见图5-4，设计变量值变化曲线见图5-5。
表5-2 拉手支架刚度优化结果表
优化参数
优化变量
初值
下限值
上限值
优化结果
变化量
目标函数（Kg）
模型质量
20.4105

20.4129
0.0024
状态变量（mm）
拉手中心点Z向位移
-1.0311
>-1.0
-0.999
0.0321
设计变量（mm）
拉手支架1
1.2
0.8
1.6
1.2641
0.0641
拉手支架2
1.2
0.8
1.6
1.2639
0.0639

通过优化分析得到的拉手支架的材料厚度分别为1.2641mm和1.2639mm，这些材料厚度并不能直接使用，需要按照主机厂的钢板供应商提供的材料厚度序列来调整，比如，序列中有1.25mm和1.3mm两种规格，这时，为了满足拉手支架的刚度要求，可以有两种做法，其一是选用1.3mm规格，但这会增加车身重量，造成材料冗余；另外一种比较好的做法是尝试着选用1.25mm规格，然后根据有限元分析结果，修改零件设计，之后进行刚度校核，若满足最好，不满足则再进行修改，再校核，若结果始终不够理想，则只好选用方法一。方法二的好处是充分挖掘每一个零件的轻量化潜力，使得每个零件在满足性能要求的前提下，材料利用率达到最大化，只有这样最终你的设计才是轻量化设计。
根据有限元分析结果，拉手支架上半部分所受应力较大，因此对此处的结构进行了改进，将此处的原来一道筋改为两道筋，取消焊接面处的筋结构，改进前后的结构对比见图5-6，然后对新结构的拉手支架进行了有限元求解，分析及对比结果见表5-3。
表5-3 不同结构和料厚拉手支架刚度对比结果表
方 案
方案一（改进前）
方案二（改进后）
材料厚度
（mm）
F1工况
（1000N）
F2工况
（500N）
F1工况
（1000N）
F2工况
（500N）
1.2
位移（mm）
-1.0311
-0.214
-1.015

刚度（N/mm）
969.8
2336
985

1.25
位移（mm）
-1.006
-0.211
-0.994
-0.21
刚度（N/mm）
994
2370
1006
2381
1.3
位移（mm）
-0.983
-0.207

刚度（N/mm）
1017
2415

图5-6 拉手支架结构改进前后对比图
改进前
改进后
改进部位

通过表5-3的对比分析可以看出，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的情况下，均满足刚度要求，但从轻量化设计的方面考虑，无疑采用方案二，材料厚度：1.25mm的设计方案是最佳的。
5.3结论
运用CATIA的产品知识工程优化模块，可以比较高效地进行一些优化计算，这对于设计经验比较少的车身设计师来说，无疑提供了一个车身轻量化设计的捷径；而且有助于他们快速地进行经验积累，在进行结构反复修改验证的过程中，可以快速掌握什么样的结构对于什么样的工况是最有效的，不同车身部位的钣金件需要多厚的材料厚度才能满足车身性能要求等经验，而这些知识的获得在以往是需要经过多年的设计工作才能总结出来的。
6.下一步工作
6.1对整个白车身总成进行轻量化设计，以车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态的有限元计算为基础，经灵敏度分析后，对车身结构部分零件的材料厚度进行优化计算，实现车身结构的轻量化设计。
6.2可以考虑对已有车型进行轻量化改进，此时需要考虑到改型设计的实际可操作性和由此带来的加工制造成本的增加，要尽量不修改模具。轻量化改进需要在保证轿车结构整体性能不受影响的前提下，最大限度地减轻各钣金件的质量。

参考文献
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