白车身多目标轻量化优化分析规范

白车身多目标轻量化优化分析规范目录1目的 12范围 13规范性引用文件 14软件设施 15术语与定义 16输入条件 36.1有限元模型 36.2输入响应 37输出物 58分析方法 58.1参数化模型 58.2多目标轻量化优化 79结果评价 11白车身多目标轻量化优化分析规范目的对车身进行多目标轻量化优化分析，供设计部门参考。范围本规范规定了车身正碰安全件、侧碰安全件和非安全件、设计变量、设计空间等术语，规定了建立白车身参数化模型注意事项，规定了白车身多目标轻量化优化类型及应用软件、输入条件、分析工况和分析流程。规范性引用文件下列文件对于本文件的应用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，仅所注日期的版本适用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。《白车身弯曲刚度CAE分析规范》；《白车身扭转刚度CAE分析规范》；软件设施白车身多目标优化类型、前后处理软件及求解器如下：优化类型：2～3个矛盾的多目标之间分步优化；前处理软件：Hypermesh或Meshworks；后处理软件：Hyperview，Hypergraph；求解器：NASTRAN,OPTISTRUCT，LS-DYNA；参数化建模软件：Meshworks；优化软件：ISIGHT术语与定义下列术语和定义适用于本文件。白车身bodyinwhite（BIW）：是指焊接方式所构成的车体总成，不包括其它连接方式装配在车身本体上的部件（如螺栓连接的前后车门、发动机罩板、行李箱盖/背门、翼子板、前后防撞横梁、仪表板支撑横梁等以及粘接在车身上的玻璃），英文为BodyInWhite，缩写为BIW；多目标轻量化优化Multi-ObjectiveLightweightOptimization：选取白车身的质量作为一个优化目标，再结合项目的实际情况选取至少一个与白车身质量矛盾的性能作为优化目标，另外将目标之外的所有性能作为约束。综合考虑这些目标的情况下，搜索满足约束条件的各目标之间的妥协解。参数化模型ParametricModel：以有限元模型为基础，将有限元模型的结构、材料、板厚等特征设为参数，通过调整参数值大小可直接驱动结构、材料和板厚的变化，并将变化后的特征体现在有限元模型中，满足多目标轻量化优化过程中计算样本点性能的需要；设计变量Designvariable：优化过程中能够反映模型结构、材料和板厚变化的数值或参数值；厚度变量Thicknessvariable：优化过程中反映有限元模型部件厚度变化的变量；形状变量Shapevariable：优化过程中反映有限元模型形状结构变化的变量。材料变量Materialvariable：优化过程中反映有限元模型部件材料变化的变量。设计空间DesignSpace：根据项目、市场、工艺、装配的要求，设计变量可以变化的空间范围。设计水平DesignLevel：设计变量分为连续型和离散型，当设计变量为离散型时，可以选择的不同状态的变量值个数；优化中选取的设计水平通常为3～4个；材料变量和厚度变量通常设为离散变量。试验设计DesignofExperiment（DOE）：合理有效的在设计空间内生成有限元模型的方法。样本点SamplePoint：按照一定的试验设计方法，设计变量在试验设计空间内生成的有限元模型。近似模型SurrogateModel：能够反映输入变量与响应输出（性能）之间内在关系的数学模型。复向系数MultipleDetermination（R^2）：反映近似模型精度的一组系数，即反映近似模型响应接近真实响应的程度；通常要求近似模型各响应的R^2≥0.9。正碰安全件FrontCrashSafetyPart：对正面碰撞安全性能影响较大的部件；正碰安全件通常包括前防撞横梁、吸能盒、前纵梁、Shotgun、A柱等。侧碰安全件SideImpactSafetyPart：对侧碰安全性能影响较大的部件；侧碰安全件通常包括B柱、门槛梁、车顶边梁、座椅横梁等。非安全件UnsafetyPart：对正碰、侧碰、偏置碰等安全性能影响不大的部件。控制板ControlBoard：参数化模型采用“Control”的方式建立，参数化模型中能够控制车身模型网格移动或缩放的板壳结构。控制块ControlBlock：参数化模型建立完毕控制板之后，控制板移动或缩放造成车身网格畸形，因此需要一定的“缓冲区”。网格变化后实现缓冲作用的实体结构称为控制块。变形区DeformableArea：参数化模型建立形状变量时，需要将局部区域设为变形区。输入条件有限元模型白车身多目标优化模型数据需求如下输入，明细表见表1：白车身弯曲、扭转刚度终版有限元模型数据（*.bdf）；白车身低阶模态终版有限元模型数据（*.bdf）；整车正面碰撞终版有限元模型数据（*.key）；整车侧面碰撞终版有限元模型数据（*.key）；表1白车身多目标优化模型数据需求明细表模型白车身弯曲、扭转刚度有限元模型数据模型白车身低阶模态有限元模型数据模型整车正面碰撞有限元模型模型整车侧面碰撞有限元模型输入响应白车身多目标优化目标需求如下，明细见表2～表4：白车身Baseline模型质量值；白车身弯曲、扭转刚度目标值或Baseline模型值；白车身一阶弯曲、扭转模态频率目标值或Baseline模型值；整车正面碰撞性能目标值；整车侧面碰撞性能目标值；表2白车身多目标优化刚度、模态目标需求明细表分析项指标明细目标值白车身质量质量（kg）Benchmark或Baseline白车身静态刚度扭转刚度（Nm/°）弯曲刚度（N/mm）白车身低阶模态一阶弯曲模态频率（HZ）一阶扭转模态频率（HZ）表3白车身多目标优化正碰安全性目标需求明细表分析项指标类型指标指标明细目标值正碰安全性能动态指标整车加速度加速度峰值（g）优于项目要求一阶平均加速度（g）二阶平均加速度（g）前围板侵入量前围板上部侵入量-X前围板下部侵入量-X转向管柱侵入量方向盘跳动-X方向盘跳动-Z转向管柱转角-YIP动态侵入量管柱连接点-X静态指标座椅安装点相对地板最大静态位移静态位移-X静态位移-ZA-B柱压缩量A-B柱压缩量-X踏板刹车踏板-X刹车踏板-Z油门踏板-X油门踏板-Z表4白车身多目标优化侧碰安全性目标需求明细表分析项侵入速度（m/s）目标值侵入量（mm）目标值B柱B柱对应假人头部位置（BU）优于项目要求B柱对应假人头部位置（BU）优于项目要求B柱腰线位置（BBT）B柱腰线位置（BBT）B柱对应假人胸部位置（BR）B柱对应假人胸部位置（BR）B柱对应假人腹部位置（BA）B柱对应假人腹部位置（BA）B柱对应假人H点位置（BH）B柱对应假人H点位置（BH）速度模式V(BU)＜V(BR)＜V(BH)结构中上部无局部折弯和断裂C柱C柱对应假人胸部位置（CPR）优于项目要求C柱对应假人胸部位置（CPR）优于项目要求C柱对应假人腹部、骨盆位置（CP）C柱对应假人腹部、骨盆位置（CP）前门前门所有测点前门所有测点后门后门所有测点后门所有测点车门防撞梁车门防撞梁结构无局部折弯和断裂输出物白车身多目标轻量化优化分析，输出物包括以下内容：计算模型及结果文件，文件名称参考《乘用车CAE通用建模规范》具体要求。分析报告，针对不同的车型统一命名为《XXX-TGX白车身多目标轻量化优化分析》（“XXX”用具体车型代号，“TGX”用阶段号代替），报告内容按第8项规定的内容编制分析方法参数化模型参数化模型前处理白车身静态弯曲、扭转工况和低阶模态工况整合在一个模型中，将白车身模型另存为fem格式类型，采用OPTISTRUCT求解器分别计算三种工况的性能并与NASTRAN求解器的性能对比。观察模型，按照车身板件的功能将车身分成非安全件模块，正碰安全件模块和侧碰安全件模块。分别建立非安全件模块的参数化模型，正碰安全件模块的参数化模型，侧碰安全件模块的参数化模型。参数化模型建立白车身参数化模型采用“Control”方式建立，建立参数化模型时需要以下要求：a) “控制板”与“控制块”的节点必须共节点，如图1所示；b) 如果变形部位有其他网格相连，则控制板不能建立在控制块的最外侧，否则会出现无缓冲区而造成网格交叉、重叠等问题；c) 某些形状特征缩放的设计变量可能会造成网格畸形，可考虑采用两端移动形状特征的方式等效替代；d) “控制板”与“控制块”为独立的Component，且命名时以“$”符号开头；e) “控制块”外边缘要大于“控制板”外边缘，且两者之间相距40～60mm；f) 变形区要适度大于“控制块”区域；g) 一个“控制块”可包含多个“控制板”，如图1所示；h) 形状变量包括移动，缩放，旋转等；i) 参数化模型应包括形状变量、厚度变量和材料变量；j) 左右侧对称且厚度相同的部件的厚度变量可设置成一个变量；k) 左右侧对称且材料相同的部件的材料变量可设置成一个变量，变量类型为整型数据；l) 左右侧形状变量要实现对称一致性变化；m) 根据不同的工况及模型的种类，应建立多个参数化模型，“控制板”与“控制块”可以共用；n) 刚度模态工况可整合在一起，建立刚度模态分析的车身参数化模型可参考图2；o) 正碰、侧碰工况可整合在一起，建立碰撞分析的车身参数化模型可参考图3；p) 碰撞位移传感器要加到参数化模型中，如图3所示；q) 车身多目标轻量化优化时，刚度模态分析的车身参数化模型和碰撞分析的车身参数化模型要实现一致性的变化；r) 建立参数化模型时，检查部件的属性ID，如果板壳的属性ID和实体的属性ID有重复，应消除重复的ID；s) 参数化模型建议分非安全件模块，正碰安全件模块，侧碰安全件模块三部分。图1“控制板”与“控制块”示意图图2刚度模态分析的车身参数化模型示意图传感器传感器图3碰撞分析的车身参数化模型示意图多目标轻量化优化白车身多目标轻量化优化按照非安全件模块、正碰安全件模块和侧碰安全件模块分别独立优化，每个模块优化建议分成试验设计、近似模型、搜索优化方案三个步骤。非安全件模块多目标轻量化优化仅考虑刚度、模态性能，设计变量不包括材料变量，采用如图4所示的样本点生成模式。正碰安全件模块多目标轻量化优化同时考虑刚度、模态性能和正碰安全性能，设计变量包括厚度变量、材料变量和形状变量，采用如图5所示的样本点生成模式。侧碰安全件模块多目标轻量化优化同时考虑刚度、模态性能和正碰安全性能，设计变量包括厚度变量、材料变量和形状变量，采用如图5所示的样本点生成模式。图4刚度模态样本点生成模式示意图图5碰撞安全性能样本点生成模式示意图试验设计非安全件模块、正碰安全件模块和侧碰安全件模块多目标轻量化优化根据项目实际情况确定设计变量和设计空间，采用试验设计的方法生成样本点，本规范推荐使用优化拉丁超立方（OptimalLatinhypercubedesign,OptLHD）的方法生成样本点。非安全件模块多目标轻量化优化首先将白车身弯曲、扭转刚度，低阶模态工况整合成一个模型，根据项目实际情况选取形状变量和厚度变量，参考图4的模式生成刚度、模态的车身样本点并计算性能，统计样本点的变量和性能信息。如有形状变量建议样本点数量为设计变量的3～4倍。正碰安全件模块多目标轻量化优化，首先将后门、假人、座椅、后背门（行李箱盖）等子系统简化配重，并与Baseline模型性能对比。根据项目实际情况选取形状变量、厚度变量和材料变量，参考图5的模式生成刚度、模态的车身样本点和正碰安全性能的车身样本点。刚度、模态的车身样本点计算弯曲、扭转和模态性能，正碰安全性能的车身样本点结合简化后的其他子模块构成正碰模型并计算正碰安全性能。统计样本点的变量和性能信息。建议样本点数量为设计变量的5倍。侧碰安全件模块多目标轻量化优化，首先将假人、座椅、后背门（行李箱盖）等子系统简化配重，并与Baseline模型性能对比。根据项目实际情况选取形状变量、厚度变量和材料变量，参考图5的模式生成刚度、模态的车身样本点和侧碰安全性能的车身样本点。刚度、模态的车身样本点计算弯曲、扭转和模态性能，侧碰安全性能的车身样本点结合简化后的其他子模块构成侧碰模型并计算侧碰安全性能。统计样本点的变量和性能信息。建议样本点数量为设计变量的5倍。近似模型非安全件模块、正碰安全件模块和侧碰安全件模块在生成完样本点，计算并统计设计变量和性能信息后，需要搭建近似模型。本规范非安全件模块优化推荐采用径向基神经网络（RadialBasisFunction,RBF）方法，正碰安全件模块和侧碰安全件模块推荐采用径向基神经网络（RadialBasisFunction,RBF）方法和响应面(ResponseSurfaceMethodology,RSM)方法。近似模型及搜索优化方案如图6所示，建立完毕近似模型之后，验证每个性能的复向系数（R^2）和误差散点图,要求R^2≥0.9。图6近似模型及搜索优化方案示意图图7白车身质量误差散点示意图近似模型非安全件优化模块采用的多目标轻量化优化建议采用如下数学模型：Objective：minf(M),maxf(T);Subjective:fo(B)≥fi(B),fo(fb)≥fi(fb),fo(ft)≥fi(ft)；Variable:Shapevariables,Thicknessvariables。式中：f(M)为白车身质量，f(M)为白车身扭转刚度，fo(B)、fo(fb)、fo(ft)分别为优化模型的弯曲刚度、一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率，fi(B)、fi(fb)、fi(ft)分别为Baseline模型的弯曲刚度、一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率。正碰安全件优化模块采用的多目标轻量化优化建议采用如下数学模型：Objective：minf(M),maxf(AL),maxf(AR);Subjective:fo(T)≥fi(T),fo(B)≥fi(B),fo(fb)≥fi(fb),fo(ft)≥fi(ft)，fo(Frontcrash)≥fi(Frontcrash);Variable:Shapevariables,ThicknessvariablesandMaterialvariables。式中：f(M)为白车身质量，f(AL)为正碰左侧加速度峰值，f(AR)为正碰右侧加速度峰值。fo(B)、fo(T)、fo(fb)、fo(ft)分别为优化模型的弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率，fi(B)、fi(T)、fi(fb)、fi(ft)分别为Baseline模型的弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲模态频率、一阶扭转模态频率。fo(Frontcrash)为优化模型的正碰安全性能，fi(Frontcrash)为Baseline模型的正碰安全性能。侧碰安全件优化模块采用的多目标轻量化优化建议采用如下数学模型：Objective：minf(M),ma