概念车身梁截面厚度优化设计

1、设计计算研究····概念车身梁截面厚度优化设计*胡平郭润清侯文彬姜兆娟（大连理工大学工业装备结构分析国家重点实验室）为了实现在概念设计阶段优化设计车身复杂梁截面厚度，建立了梁截面几何属性和PSO优化算法，并【摘要】基于UG/OPEN平台开发了梁截面设计和梁截面厚度优化模块，实现了多约束条件下车身梁截面厚度的优化设计。针对某一具体车型进行了概念车身梁截面厚度优化设计，使优化目标车身质量实现了轻量化，同时改善了模型弯曲刚度和扭转刚度。主题词：车身梁截面概念设计厚度优化中图分类号：U463.82文献标识码：A文章编号：10003703（2011）1000010

2、5OptimalDesignforBeamSectionThicknessofConceptVehicleBodyHuPing,GuoRunqing,HouWenbin,JiangZhaojuan（StateKeyLaboratoryofStructuralAnalysisforIndustrialEquipment,DalianUniversityofTechnology）【Abstract】Foroptimizingthicknessofvehiclebodycomplicatedbeamsectionsinconceptdesignphase,algorithmsfordetermini

3、nggeometricpropertiesandPSOareestablished,andmodulesfordesigningsectionandoptimizingsectionthicknessaredevelopedbasedonUG/OPEN,throughwhichsectionthicknessoptimizationisimplementedundermulti-constraints.Beamsectionthicknessoftheconceptbodyisoptimizedforaspecificvehiclemodel,whichachieveslightweightf

4、urther,andimprovessimultaneouslymodelbendingandtorsionstiffness.Keywords：Body,Beamsection,Conceptdesign,Thicknessoptimization1前言梁截面厚度设计是车身概念设计的关键任务，常数和翘曲常数等是计算截面刚度的主要参数，是影响白车身刚度特性的重要因素2，3。假设梁截面有nc个最小腔，n条壁段，则第i壁段如图1所示。i+11521lii19ti18y81091220因为截面决定了梁单元的实际性能，从而影响到整车车身性能。目前，该项工作主要依靠参照某具体车型和试验模拟，容易造成截面

5、厚度盈余过多，从而使材料浪费和车身质量增加14。因而，车身概念设计中需要一种更好的方法来设计梁截面厚度，提高车身概念模型的可靠性和合理性。本文建立了任意薄壁梁截面几何属性算法，成功开发了梁截面设计和厚度优化的专用模块，在车身概念设计系统VCD_ICAE5，63x4567i17121611中集成了上述专用模图1截面第i壁段示意块，并在UGNX5.0中成功实现商品化，在国内汽车主机厂得到应用。基于上述专用模块，实现了车身梁截面厚度的优化设计和车身质量的轻量化，提高了车身概念设计的效率和合理性。根据弗拉索夫薄壁杆件理论79，可推导计算薄壁截面属性公式：nA=litii=1（1）2梁截面设计模块车身梁

6、截面的几何截面面积、截面惯性矩、扭转1Ix=3（y+y2in2i+1+yiyi+1）liti（2）觹基金项目：国家863项目资助（No.2009AA04Z101）；国家自然科学基金重点项目资助（No.10932003）；国家973项目资助（No.2010CB832700）。2011年第10期1设计计算研究····1Iy=Ixy=6n（xi2+xi2+1+xixi+1）liti1iii+1i+1n（3）（4）（5）（6）式中，ti.low为厚度下限；ti.up为厚度上限；M为质量；Sb为弯曲刚度；Sb_low为弯曲刚度下限；St为扭转刚度；（2xy+2x1

7、y+xiyi+1+xi+1yi）litinc3St_low为扭转刚度下限。3.2灵敏度分析为提高优化效率，要分析梁截面板厚度对车身质量的灵敏度，选择灵敏度足够大的单元作为最终优化对象。车身结构的灵敏度分析是指分析车身结构性能参数fi的变化对车身结构设计参数xj的变化敏感性，定义为：·（）（）=坠xjxj1It=1I=3乙t（s）ds+2A01sii（+2ii1ni+1+2i+1）liti式中，Ai为第i腔截面面积；为主广义扇形坐标；i为第i腔的扭转函数9；ti为梁截面厚度；li为薄壁梁长度。公式（1）计算梁截面面积，公式（2）公式（4）计算梁截面的惯性矩、惯性积，公式（5）计算梁截面

8、扭转常数，公式（6）计算翘曲常数。可以看出厚度直接影响梁截面属性。基于上述薄壁杆件算法，在VCD_ICAE中开发了梁截面设计专用模块，实现了截面属性计算、截面管理和截面编辑功能，如新建、删除截面及截面形状编辑等，其主界面如图2所示。Sen（fi，xj）=（7）式中，X为所有车身结构设计参数组成的向量；xj为车身结构设计参数的变化值；e为与X同维的向量，与xj对应的元素为1，其余为0。本文中优化目标是M，截面设计参数是梁截面板厚度t，公式（7）变为：Sen（M，t）=3.3坠tPSO优化算法该模块使用了PSO（particleswarmoptimization）优化算法。因为PSO算法没有很多参

9、数需要调整，不需要梯度信息，易于实现，已成为非线性优化问题、组合优化问题和混合整数非线性优化问题的有效优化工具10，11。PSO算法中，粒子i的信息可以用D维向量表示，位置向量Xi=（xi1，xi2，xid）T，速度向量Vi=（vi1，vi2，vid）T，速度和位置的更新公式为式（8）和式（9）。kkkkk+1kkk（pbid-xid）+c2r2（gbd-xid）vid=vid+c1r1kk+1k+1xid=xid+vid（8）（9）图2梁截面设计模块主界面式中，vid为粒子i在第k次迭代中第d维的速度；3梁截面厚度优化模块该模块以车身质量为优化目标，弯曲刚度、扭转c1、c2为学习因子，用于调

10、节步长，通常取c1=c2=2；r1、r2为随机数，取值范围0，1；pbid为粒子i在第d维的个体极值点位置（状态）；gbd为整个粒子群在第d维的全局极值点位置（状态）。n刚度为约束，实现了梁截面厚度优化和车身轻量化。3.1优化数学模型根据设计变量、优化目标和约束条件，建立优化数学模型如下。当位置向量im|x=1k+1i-xik|<或迭代次数k达到n设计变量：厚度向量T=（t1，t2，tn）T优化目标：MinM（t）=Ailij=1设定的最大值时迭代停止。本文中设计变量梁截面厚度向量T=（t1，t2，tn）T，所以粒子的维度D=n，即第i个粒子位置向量Xi=Ti=（ti1，ti2，tin）

11、T，速度向量Vi=（vi1，vi2，vin）T，PSO算法的适应度函数为质量M（T），本文采用的停机准则汽车技术约束条件：SbSb_low；StSt_low；ti（ti.low，ti.up）2设计计算研究····为i=1NM（Tik+1）-M（Tik）<，其中N为初始粒子数。截面厚度的灵敏度计算结果。从表1中可以看出，门槛梁外板的厚度灵敏度最大，达到3.71，说明其对车身质量的影响最大。选取灵敏度大于1.0的对象为最终优化设计变量，确定本次优化31个设计变量，详细情况如表2所列。表1和表2中变量前的T代表该变量的厚度，_O表示外板，_I表示内板，_

12、R1表示加强板1，_R2表示加强板2。表1灵敏度计算结果设计变量灵敏度值设计变量灵敏度值设计变量灵敏度值4优化实例使用上述专用模块，基于UG/OPENAPI二次开发平台，实现了某车身概念模型的厚度优化设计。4.1优化模型针对国产某具体车型，在UGNX5.0中建立了其全参数化的概念车身模型，如图3所示。该模型包含78根薄壁梁，每根梁被赋予对应的截面，这些截面通过简化详细模型的梁截面获得，所以截面复杂且具有较高等效性，如图4所示。对于截面变化较大的梁（如B柱），采用将梁分为多段，分别赋予不同截面的办法进行等效。截面的简化、属性计算、截面编辑和截面赋予由第2节中的梁截面设计模块完成，为车身有限元模型

13、的快速建立提供了保障。B21B20B12B3B2B39B4B1B15B14B13B16B18B43B24B17B22B23B25B35B34T_B1_O1.397157T_B15_R20.809573T_B23_O1.086884T_B2_O1.638060T_B16_O3.338737T_B23_I1.270583T_B2_I1.600858T_B16_I1.596871T_B24_O0.848128T_B3_O1.256778T_B17_O2.362258T_B24_I0.537244T_B4_O0.210949T_B17_I1.568663T_B24_R10.654656T_B12_O1

14、.938660T_B17_R12.362258T_B25_O1.228579T_B12_I1.798151T_B18_O1.033310T_B25_I1.321718T_B12_R12.407034T_B18_I0.748383T_B34_O1.159770T_B13_O1.327707T_B18_R10.833979T_B34_I0.916931T_B13_I0.772677T_B20_O0.952110T_B34_R10.979628T_B13_R11.229412T_B20_I0.620765T_B35_O1.566110T_B14_O3.710194T_B20_R10.709051T_

15、B35_I2.566877T_B14_I2.687138T_B21_O1.344817T_B39_O1.914763T_B14_R12.994478T_B21_I1.550489T_B39_I2.818047T_B15_O0.936687T_B22_O0.763941T_B39_R11.789357T_B15_I1.183492T_B22_I0.517845T_B43_O0.891680T_B15_R10.736392T_B22_R10.586506T_B43_I0.650120图3概念车身CAD模型为了方便说明，本文选取21根梁（图3）进行分析，分别为散热器固定横梁（B1）、前保险杠（B2）

16、、发动机罩前支撑梁（B3）、散热器固定竖梁（B4）、前围上盖梁（B12）、前弹簧支座竖梁（B13）、门槛梁（B14）、前纵梁（B15）、前排座椅横梁（B16）、地板凸包梁（B17）、后地板边梁（B18）、A柱上部梁（B20）、顶盖前横梁（B21）、顶盖前侧边梁（B22）、顶盖中横梁（B23）、顶盖后侧边梁（B24）、顶盖后横梁（B25）、C柱上部梁（B34）、行李舱横梁（B35）、后地板横梁（B39）和C柱下部梁（B43）。4.3优化结果本次优化过程按照优化数学模型进行。弯曲工况下，约束车身后悬架弹簧支座X、Y、Z3个方向的自由度和前悬架弹簧支座Y、Z方向的平动，6500N的载荷垂直加在座椅安

17、装点左右对称位置；扭转工况下，约束后悬架弹簧支座6个自由度和前保梁中部Z向的平动自由度，大小相等、方向相反的2000N载荷垂直施加在左、右前悬架弹簧支座。弯曲刚度和扭转刚度以截面属性为已知参数，基于UG/OPENAPI实现计算。优化中设定各梁截面厚度范围为初始值上、下浮动2%，表2列出了本次优化的详细结果。从表2（a）详细模型B柱截面图4（b）概念模型B柱简化截面可以看出，优化后的模型有29个梁截面板厚度变小，只有门槛梁外板和内板（T_B14_O，T_B14_I）变厚；车身质量从初始的226.14kg减轻到208.24kg，减轻了8%，同时模型的弯曲刚度和扭转刚度都得到小幅改善。图5为本次优化

18、车身质量的迭代过程，在3车身模型B柱截面4.2灵敏度计算为了提高优化效率，首先计算各梁截面厚度对车身质量的灵敏度，确定优化单元。表1为21根梁2011年第10期设计计算研究····表2变量车身质量/kg弯曲刚度/N·mm-1扭转刚度/N··（°）-1m初始值优化值梁截面详细优化结果取值变量初始值优化值取值226901.201.800.800.800.800.750.701.000.701.200.701.801.00208.24624564390.750.981.440.640.640.6

19、40.600.680.830.711.440.561.440.80208.5624564390.751.001.450.650.650.650.600.700.850.701.450.601.450.80T_B16_I/mmT_B17_O/mmT_B17_I/mmT_B17_R1/mmT_B18_O/mmT_B21_O/mmT_B21_I/mmT_B23_O/mmT_B23_I/mmT_B25_O/mmT_B25_I/mmT_B34_O/mmT_B35_O/mmT_B35_I/mmT_B39_O/mmT_B39_I/mmT_B39_R1/mm0.601.000.601.500.700.750.

20、700.751.400.750.600.700.901.700.701.601.000.480.800.481.200.560.600.560.601.120.600.480.560.721.360.631.400.860.500.800.501.200.600.600.600.601.150.600.500.600.751.400.651.400.85T_B1_O/mmT_B2_O/mmT_B2_I/mmT_B3_O/mmT_B12_O/mmT_B12_I/mmT_B12_R1/mmT_B13_O/mmT_B13_R1/mmT_B14_O/mmT_B14_I/mmT_B14_R1/mmT_B

21、15_I/mmT_B16_O/mm第32次迭代中，所有粒子集中到全局最优解，质量得到明显减轻。230.0227.5225.0222.5220.0217.5215.0212.5210.0207.5205.01023456789101314111215161718192021222324252627282930应力/kPa3.435×1053.122×1052.810×1052.498×1052.186×1051.873×10531ZcYcXc质量/kg1.561×1051.249×1059.367×1043

22、26.245×1043.122×1040ZYX33,208,240246810121416182022242628303234迭代次数图7优化模型应力云图图5质量优化迭代为了验证此次优化结果，基于UGNX5中的5结束语a.在选定的31个梁截面板厚度中，29个板厚Nastran求解器，分析了优化模型的位移云图和应力云图情况，分别如图6和图7所示。可以看出，优化后模型的位移和应力均在安全范围内，即此次厚度优化具有实用性。位移/mm2.516×10-2度减薄，只有门槛梁外板和内板厚度增加，说明概念模型初步选定的梁截面厚度需要进行优化。b.优化目标车身质量从初始值226.

23、14kg减轻到208.24kg，车身质量减轻18kg，达到了车身轻量化目标。-6.946×10-2-1.641×10-1-2.597×10-1-3.533×10-1-4.480×10-1-5.426×10-1-6.372×10-1-7.318×10-1-8.265×10-1-9.211×10-1Z-1.016YXZcYcXcc.d.优化约束弯曲刚度、扭转刚度都得到了小幅提高，厚度优化的同时改善了模型刚度。PSO优化算法成功实现了概念车身厚度多参考文献约束条件下的优化。1优化模型位移云图兰凤崇，陈

24、吉清，林建国.轿车参数化分析模型的构造及应用研究.计算机集成制造系统，2005，11（2）:183188.汽车技术图64设计计算研究····某轿车保险杠横梁结构抗撞性优化程秀生1刘维海1郝玉敏2马志良3唐洪斌2（1.吉林大学；2.中国第一汽车股份有限公司技术中心；3.国家汽车质量监督检验中心）针对某轿车在进行车速为56km/h的正面40%偏置碰撞试验中，前保险杠横梁断裂、乘员舱侵入过大问【摘要】题，主要从抗弯性能和材料等方面对前保险杠横梁提出改进方案，并利用有限元仿真方法对保险杠横梁改进方案进行仿真计算。试制改进方案样件进行了车速为56km/h的正面40

25、%偏置碰撞试验，试验结果表明，改进方案解决了原保险杠横梁断裂问题，提高了保险杠横梁的耐撞性能。主题词：轿车保险杠横梁结构优化中图分类号：U463.32+6文献标识码：A文章编号：10003703（2011）10000505OptimizationofaPassengerCarsBumperBeamforCrashworthinessChengXiusheng1，LiuWeihai1，HaoYumin2，MaZhiliang3，TangHongbin2（1.JilinUniversity；2.ChinaFAWCo.,LtdR&DCenter；3.NationalAutomotiveQua

26、litySupervision&InspectionCenter）【Abstract】Inthefrontal56km/h40%offsetimpacttest,thefrontbumperbeamrupturesandtheextraimpactenergypassestothepassengercompartmentwhichmakethegreaterintrusiontothepassengercompartment.Tosolvesuchproblems,animprovementplanofthefrontbumperbeamisgivenaccordingtotheper

27、formanceofbending-resistanceandmaterial.ComputationofthefrontbumperbeamwasperformedwiththeFEsimulation,andthenthecompletevehicle56km/h40%offsetdeformablebarrierimpacttestwiththeimprovedstructureswascarriedout.Asaresult,theoptimizedbumperbeameliminatedthecauseofbumperbeamrupture,andobviouslyimprovedi

28、tscrashworthiness.Keywords：Passengercar,Bumperbeam,Structureoptimization及时将碰撞能量传递到左右吸能盒、前纵梁等主要吸能部件，使其充分吸收碰撞能量，减小乘员舱侵入变形；在汽车与行人发生碰撞时，保险杠可以最大限8AleksandarProkic.Computerprogramfordeterminationofgeometricalpropertiesofthin-walledbeamswithopen-closedsection.AdvancesinEngineeringSofware，2000，74:705715.910MurrayNW.IntroductiontotheTheoryofThin-walledStructures.Oxford:OxfordUniversityPress，1984.EberhartR.C.，ShiY.HParticleSwarmOptimization：De-velopments，applicationsandresources.Proc.CongressonEvolu-tionar