基于CATIA知识工程优化的车身轻量化设计.pdf

2010年第7期 基于catia知识工程优化的车身轻量化设计 蔡世民 中国第一汽车集团公司技术中心 摘要 提出一种基于catia知识工程优化模块对车身钣金件进行减重的设计方法 并以某车型的顶棚拉手支 架为例 说明了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 同时达到车身轻量化的目的 此方法可以广泛拓展到白车身总成的轻量化设 计 底盘件的减重计算以及发动机的优化计算等领域 主题词 知识工程优化车身轻量化 中图分类号 u463 82文献标识码 a文章编号 1000 3703 2010 07 0047 04 a lightweight design method of auto body based on catia keo cai 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 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 achieved 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 lightweight 1前言 以某车型的顶棚拉手支架为例 说明基于 catia知识工程优化模块对车身钣金件进行轻量 化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通过改进零件结构进 一步减小材料厚度的可行性 之后再进行有限元校 核 如果有必要可以再进行优化分析 进行若干次循 环之后 可以得到满足模型总质量最轻 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 同时达到车身轻量化的目的 实现节油目标 2catia知识工程优化 优化设计的实质可以简单概括为 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 它包含设计变量 目标函数和状态变量3个基本 要素 1 2 知识工程 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 美国福特汽车公司的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 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 3catia有限元分析 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 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 47 汽车技术 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 装配件设计模块中指定的约束和分析模块中定义的 连接关系两种 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 5 6 4车身钣金件轻量化设计方法 据统计 汽车总质量每减轻10 燃油消耗量可 降低6 8 7 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 化对整车轻量化具有重要意义 将轿车车身钣金件的设计与轻量化技术结合起 来 可开发出刚度性能良好 受力分布均匀合理 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法律 法规及标准 进 行轻量化设计同样也要满足上述性能要求 4 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方 法 在保证车身结构性能要求前提下 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 利用率 减少材料冗余 从而达到车身结构轻量化 的目的 以车身结构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 是减小质量大且对车身结构性能要求不敏感的零件 的厚度 二是增加质量小且对车身结构性能要求敏 感的零件的厚度 采用微调后的零件厚度再次验算 车身结构性能要求 并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结果 使其 适合实际生产需要 例如对于一些厚度减小的零件 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 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使零 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 经过调整 验证 再调整 再验证的反复过程 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 2车身钣金件轻量化的优化设计模型 目标函数 minw x 约束条件 gj x 0j 1 2 m til ti tiui 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 til和tiu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 8 按照轻量化设计要求 在以刚度和模态为约束 条件 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 来确保车身结构的 弯曲和扭转刚度不降低 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 结合实际经验和生产中的限制 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 白车身上的每个分总成及零件轻量化设计与白 车身总成轻量化设计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 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 48 2010年第7期 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 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 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 这一过程对白车 身总成的轻量化设计同样适用 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 1 kn 定义为f1工况 或沿拉手支架安装面的法向方向施加500 n 定义 为f2工况 的载荷 拉手的刚度在f1工况下应大于 1 kn mm 在 f2工况下应大于2 kn 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 优点 是cad和cae都在catia统一平台下进行 修改 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也 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 如侧 围 顶盖等总成零件 但同时又必须考虑模型的精 简 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y 0平面的对称性 因此仅保留一半 顶盖总成进行有限元分析 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有23个 其中17个零件属于 侧围总成 顶盖总成有6个零件 零件间的连接方 式主要有点焊 激光拼焊和粘接3种 这23个零件 共划分成26 383个单元 主要是板壳单元 考虑到 车顶使用过程中一般不会发生连接方式失效 且粘 接强度相对于所受的载荷来说也足够 因此 在模型 中只采用刚性模拟 9 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 对于简化的分析模型 约束顶盖及a b c柱边 界部位所有钣金件的自由度 即123 456约束 如 图1所示 以拉手中心作为载荷的作用点 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 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 1 kn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施加500 n的载荷来测试拉手的拉伸刚度 如图2所示 图1有限元模型约束施加示意 图2有限元模型载荷施加示意 经过有限元求解 得到了拉手支架的分析结果 具体见图3和表1 表1拉手支架刚度计算结果 通过表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 分析结果需要对f2 工况进行复核 两种工况均满足刚度要求后 完成优 化计算分析 图3有限元模型位移分析图 5 2优化计算及结果分析 目标函数 定义整个模型质量最轻 设计变量 两个拉手支架的材料厚度 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 0 mm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 f1 1 kn f2 500 n 工况位移 mm刚度 n mm 1目标刚度 n mm 1结论 f1 1 0 311969 8 1 000不满足 f2 0 2142 336 2 000满足 1 26 1 14 1 01 0 884 0 758 0 632 0 505 0 379 0 253 0 126 0 位移 mm 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 49 汽车技术 约束 经过16次迭代计算 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 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2 目标函数及状态变量变化曲线 见图4 设计变量值变化曲线见图5 表2拉手支架刚度优化结果 图4目标函数及状态变量变化曲线 图5设计变量值变化曲线 通过优化分析得到的拉手支架材料厚度分别为 1 2 641 mm和1 2 639 mm 这些材料厚度并不能直 接使用 需要按照钢板材料厚度序列来调整 比如序 列中有1 25 mm和1 3 mm两种规格 为了满足拉手 支架的刚度要求 可以有两种做法 一是选用1 3 mm规格 但这会增加车身质量 造成材料冗余 另 外一种比较好的做法是选用1 25 mm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 若不满足则再进行修改再校核 方法二的好处 是充分挖掘每一个零件的轻量化潜力 使每个零件 在满足性能要求的前提下 材料利用率达到最大化 根据有限元分析结果 拉手支架上半部分所受 应力较大 因此对此处结构进行了改进 将此处原来 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 分析及对比结果如表3所列 图6拉手支架结构改进前 后对比 表3不同结构和料厚的拉手支架刚度对比结果 通过表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 3 mm和方案二 材料厚度 1 25 mm的情况下 均满足刚度要求 但从轻量化设 计方面考虑 采用方案二 材料厚度1 25 mm的设计 方案最佳 6结束语 运用catia的产品知识工程优化模块 可以比 较高效地进行优化计算 为设计经验较少的车身设 计师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 下一步的主要工作是 a 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 b 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 参考文献 1郭仁生 苏君 卢洪胜 优化设计应用 北京 电子工业出版 社 2003 103 105 2陈东平 轿车参数化分析模型的构造研究及应用 学位论 文 长春 吉林大学 2002 42 43 参数及变量初值下限值上限值 优化 结果 变化量 目标 函数 模型 质量 kg 20 4 10520 4129 0 0024 状态 变量 拉手中心点 z向位移 mm 1 0311 1 0 0 9990 0321 设计 变量 拉手支架1 厚度 mm 1 20 81 61 26410 0641 拉手支架2 厚度 mm 1 20 81 61 26390 0639 方案方案一 改进前 方案二 改进后 f1工况f2工况f1工况f2工况 1 20 位移 mm 1 0311 0 214 1 015 刚度 n mm 1969 82336985 1 25 位移 mm 1 006 0 211 0 994 0 21 刚度 n mm 19942 3701 0062 381 1 30 位移 mm 0 983 0 207 刚度 n mm 110172415 材料厚 度 mm 参数 改进部位 12345678910 11 12 13 14 15 16 迭代步数 20 428 20 426 20 424 20 422 20 420 20 418 20 416 20 414 20 412 20 410 质量 kg 拉手中心点z向位移质量 拉手中心点z向位移 mm 0 80 0 85 0 90 0 95 1 00 1 05 1 10 12345678910 11 12 13 14 15 16 1 8 1 6 1 4 1 2 1 0 0 8 拉手支架材料厚度 mm 拉手支架1 迭代步数 拉手支架2 2010中国汽车工程学会年会优秀论文 50 2010年第7期 3unigraphics solutions inc编著 董正卫等编译 ug open api编程基础 北京 清华大学出版社 2002 4王忠 朴英花 卢金火 等 catia v5的知识工程优化功能 在汽车产品开发上的应用 汽车技术 2004 3 5王登峰 北京 catia v5机械 汽车 产品cad cae cam 全精通教程 北京 人民交通出版社 2007 352 382 6盛选禹 catia有限元分析命令详解与实例 北京 机械工 业出版社 2005 25 46 7benedyk j lightmetals in automotive applications lightme talage 2000 58 10 34 35 8韩旭 朱平 基于刚度和模态性能的轿车车身轻量化研究 汽车工程 2007 29 7 9兰凤崇 陈吉清 轿卡货厢车顶盖疲劳失效分析及改进设 计 机械研究与应用 2005 18 3 责任编辑帘青 修改稿收到日期为2010年5月17 日 汽车偏置碰撞中的前横梁改进 王志涛门永新汤志鸿王则龙赵福全 浙江吉利汽车研究院有限公司 摘要 通过有限元分析方法 针对 汽车前横梁改进 项目的要求 建立了整车碰撞有限元模型 并采用cae技 术手段 分析得出了该车身结构存在的问题 提出了有效的改进方案 从而可有效地保障车辆安全性能 指导车身设 计 避免在新车开发中出现结构缺陷 主题词 前横梁碰撞cae改进方案 中图分类号 u461 91文献标识码 a文章编号 1000 3703 2010 00 0000 00 the 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 project improvement development of front cross member vehicle impact fe model is establi