CAE优化技术在车辆前期研发中的应用
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作者: 高岩 周定陆 蔡华国
摘要： 为克服车辆传统研发方法的缺陷，即在设计早期对产品性能有较大影响的结构设计缺少考虑，导致设计中、后期须进行大量反复修改的问题，将CAE优化技术引入车辆前期研发中. 介绍CAE优化技术在车辆前期工程设计中的应用和研发流程，通过参数化建模和网格变形等技术的应用实例，展示在车辆概念设计阶段提取设计变量的方法.CAE优化技术能实现CAE驱动设计，可缩短产品的开发周期、降低成本.
关键词： 车辆前期研发； CAE优化技术； 参数化建模； 网格变形
中图分类号： U462；TB115.1文献标志码： B
Application of CAE optimization technology in
vehicle prophase research and development
GAO Yan1, ZHOU Dinglu2, CAI Huaguo2
(1. Chang’an Automotive(Beijing) Engineering Institute, Beijing 100081, China;
2. CAE Engineering Department, Chang’an Automotive Engineering Institute, Chongqing 401120, China)
Abstract： The traditional methods of vehicle development lacks of the structure design which has great effect on product performance, and the product design has to be modified repeatedly in the medium and late design process. To overcome the defects, CAE optimization technology is introduced into vehicle prophase research and development. The application of parametrization modeling and mesh morphing is demonstrated to indicate design variable extraction in conceptual design phase of vehicle. CAE optimization technology can achieve CAE-driven design, shorten development cycle and reduce cost.
Key words： vehicle prophase research and development; CAE optimization technology; parametrization modeling; mesh morphing
0引言
随着汽车市场的竞争越来越激烈，在满足用户不断提高的对可靠性、安全性和NVH等性能指标要求的同时，汽车企业还希望降低成本以增加利润，同时缩短开发周期以抢得市场先机.
CAE优化技术通过分析计算，能快速、有效地提供合理的优化方案，在保证性能的前提下实现轻量化目的；同时，CAE优化技术也可快速提供实际问题的解决方案.CAE优化技术已越来越多地应用到汽车结构设计中.
设计工程师一般依靠经验进行优化、建模，再进行CAE分析.他们将CAE作为一种验算的工作模式，CAE优化技术改变了该模式：通过CAE计算进行反复迭代，寻找最优化的解决方案，给CAE驱动设计带来可能，改变以往对一个不理想模型状态进行优化的弊端，真正实现CAE驱动设计.
1CAE车辆前期工程优化技术的意义
传统的研发流程见图1，该流程存在以下3个问题：(1)概念设计方案主要依靠工程师的经验确定；(2)设计早期阶段缺少对产品性能有较大影响的结构设计考虑；(3)由于设计中、后期进行大量反复的修改，带来成本和周期的问题.
汽车研发成本模型见图2.在研发过程中，越早进行更改，自由度就越大，成本就越低；CAE在前期的介入可有效减少中、后期的反复修改，改变靠经验进行概念设计的弊端，嵌入CAE优化技术的汽车研发流程见图3.
2CAE优化技术
CAE优化技术的主要思路是怎样建立CAE优化模型，确定设计变量、设计目标和约束条件等.［1］汽车设计响应（约束条件和目标值）可根据实际问题快速提取，如白车身弯曲、扭转刚度、模态值、碰撞加速度峰值和等效加速、白车身质量等，CAE优化技术的关键是设置及选取设计变量.目前，汽车概念设计阶段主要采用参数化建模法［2-4］或网格变形过程录制法提取设计变量.
3CAE优化分析实例
3.1参数化建模技术设置设计变量实例
利用参数化建模软件将有限元模型或全新的车身主断面结构转换成参数化模型.
建模采取点→线→截面→接头和梁→自由曲面→白车身的方法建立参数化模型，见图4，参数化模型随参数变化而变化.白车身参数化模型由于线条简单，每次新变化的参数化模型均可自动生成有限元模型.通过对不同参数组合的结构优化，选取最佳参数组合.
3.2网格变形技术设置设计变量实例
利用网格变形软件将参考车有限元模型的拉伸、投影和移位等过程录制为参数，见图5.该参数通过模块控制可控制不同分析类型的计算模型，也可控制不同规模（部件级、车身级和整车级）分析模型的同一morphing部位，以实现多学科综合优化的功能.
3.3以网格变形参数为变量的优化分析实例
(1)根据技术要求将拉伸、投影和移位等morphing过程录制为参数.
(2)利用iSight生成DOE矩阵，产生若干个设计变量，再将DOE输入产生若干个变量模型进行计算，最终在iSight中通过分析响应面选出最优结果.［5］
(3)将老款车型白车身弯曲刚度、扭转刚度、模态值、正面碰撞加速度峰值和等效加速度等作为约束，以白车身质量为目标进行优化分析.［6］
3.4优化分析结果
白车身弯曲刚度、扭转刚度和模态值在保持基本不变的状态下，白车身质量大幅降低，计算结果见表1.
优化前、后正面碰撞分析结果对比见图6，加速度第一峰值降低5g，有效加速度降低0.7g.
4结束语
通过CAE优化分析快速验证多个设计变量的综合优化作用，在弯曲刚度、扭转刚度和模态值基本不变，碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情况下，白车身质量减轻14.4 kg，为设计工程师提供设计方向，实现降低成本、缩短开发周期的目的.参考文献：
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(编辑于杰)
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