大客车车身骨架多学科协同优化设计

大客车车身骨架多学科协同优化设计 第46卷第18期 2010年9月 机械工程 JOURNALOFMECHANICALENGINEERING V_01.46 Sep. NO.18 2010 DoI:lO.3901,J??1.2010.18.128 大客车车身骨架多学科协同优化设计半 苏瑞意,2桂良进,2吴章斌,2田程,2马林,2范子杰,2 (1.清华大学汽车系北京100084; 2.清华大学汽车安全与节能国家重点实验室北京100084) 摘要:对某全承载大客车车身骨架结构进行包括轻量化,刚度,强度,振动模态和翻滚的多学科设计优化,以提高客车的综 合性能.为克服客车翻滚分析的高度非线性带来的寻优困难,并解决结构有限元分析的低效问题,建立各学科的近似模型. 首先建立大客车车身结构有限元模型,其中刚度,强度以及振动模态分析由Msc.Nastran完成,翻滚分析由显式动力学软件 Ls.dyna完成.其次结合工艺要求和灵敏度分析结果,选择出各学科的 设计变量,用优化的拉丁方方法完成试验设计.在此 基础上,采用响应面方法建立各学科结构响应的近似模型.建立客车 车身骨架结构的多学科优化模型,并用协同优化方法求 解.结果显示,优化后的设计 方案 气瓶 现场处置方案 .pdf气瓶 现场处置方案 .doc见习基地管理方案.doc关于群访事件的化解方案建筑工地扬尘治理专项方案下载 在轻量化,刚度,强度,模态振动和翻 滚安全性方面均优于原设计方案. 关键词:客车车身多学科设计协同优化响应面方法 中图分类号:U462 MultidisciplinaryDesignandCollaborativeOptimizationforBusBody SURuiyi,GUILiangjin’WUZhangbin,TIANCheng,MALin,FANZijie’ (1.DepartmentofAutomotiveEngineering,TsinghuaUniversity,Beijing100084; 2.StateKeyLaboratoryofAutomotiveSafetyandEnergy,TsinghuaUniversity,Beijing100084) Abstract:Amultidisciplinarydesignoptimization(MDO),consideringlightweight,stiffness,strength,vibrationmodeandrollover, isimplementedtoanintegralbusbodystructuretoimproveitssyntheticperformance.Toconquerthedifficultyofhighnonlinearity broughtbyrolloveranalysisandtoresolvethetimeconsumingproblemofstructuralfiniteelement(FE)analysis,multidisciplinary approximatemodelsarebuilt.TheFEmodelsofthebusbodyareestablished,inwhichthestiffness,strengthandvibrationmode analysesarefinishedbyMsc.Nastran,andtherolloveranalysisissolvedbytheexplicitdynamicsoftwareLs?dyna.Thedisciplinary variablesareselectedonthebasisoftechnologicalreqmrementsandsensitivityanalysisresults.Theexperimentaldesignisfinished byusingoptimalLatinhypercubemethod.Thenthemultidiscil~Ilinaryapproximatemodelsareconstructedbyusingtheresponse surfacemethod.TheMDOproblemissolvedbyusingcollaborativeoptimizationapproach.Theresultshowsthattheoptimal solutionisbetterthantheoriginaldesigninaspectsoflightweight,stiffness,strength,modalvibration,andsafetyofrollover. Keywords:BusbodyMultidisciplinarydesignCollaborativeoptimizationResponsesurfacemethod 0前言 汽车轻量化不仅可以减少汽车制造所需的材 料以降低汽车的制造成本,同时由于质量的减轻可 以提高汽车的经济性,并且减少尾气污染物的排放, 因此近年来得到汽车制造商的极大关注.汽车轻量 ?国家高技术研究发展 计划 项目进度计划表范例计划下载计划下载计划下载课程教学计划下载 资助项目(863计划,2007AA04Z133). 20090926收到初稿,20100412收到修改稿 化设计的方法有两类:一是采用更轻的材料;二是 采用优化理论对结构进行优化设计.由于优化设计 成本低,周期短,因此受到广泛的关注【J七】.在进行 轻量化设计的同时,汽车还必须满足强度,刚度, 振动模态等要求.因为结构的刚度,强度和模态频 率的灵敏度信息较容易获取,因此较容易进行优化 设计.LAN等【1】对某中型客车车身结构的刚度,强 度及模态性能进行分析,并在此基础上选择几个主 要部件作为设计变量,进行轻量化设计.苏瑞意 2010年9月苏瑞意等:大客车车身骨架多学科协同优化设计129 等f2】对客车车身结构进行灵敏度分析,并基于灵敏 度准则进行拓扑优化和考虑工艺约束的尺寸优化. 客车较常见和伤亡较大的交通事故是侧翻,因 此翻滚分析受到极大的重视.孙信等L3】建立了某客 车整车的翻滚有限元模型,对其翻滚安全性进行模 拟分析.MARTINEZ等【】通过事故统计数据以及有 限元模拟仿真分析了翻滚事故中乘员的受伤情况, 并提出减少乘员受伤的改进建议.GULER等I研究 了座椅结构,乘员及行李质量对翻滚安全性的影响. 由于碰撞分析是高度非线性的,其灵敏度信息的获 取非常困难:同时,碰撞分析所需计算时间又非常 多,这导致求解包含碰撞响应的优化问题极为困难. 因此建立响应面近似模型来替代真实的结构响应成 为研究的重点【6】.响应面模型由一系列的基本函数 组成,可以在全局范围内近似真实的结构响应,从 而可替代耗时的结构分析. 近年来,汽车多学科设计优化(Mulfidisciplinary designoptimization,MOO)得以很好地发展. SOBIESKI等【JlJ建立了轿车自车身的NVH和碰 撞响应的响应面近似模型,在NVH和碰撞安全的 约束下,对白车身进行优化设计.但他们采用的是 单级优化方法(Al1.at.once,AAO).单级优化过程简 单,但是由于同时考虑所有耦合变量和状态变量, 以及所有的学科约束,增加了优化问题的难度.因 此对于大型复杂系统,AAO方法可能失效.协同优 化(Collaborativeoptimization,co)将复杂系统优化 分解为各个子学科的设计优化,而系统层负责协调 不同学科之间的一致性.分解之后优化问题较为简 单,容易求解,而且可以利用分布并行的设计思想, 缩短设计周期.协同优化方法结构简单,容易实现 学科自治,且学科之间的数据传输量比较少,因此 在航空航天领域得到广泛应用[12-13】,但目前在汽车 领域的应用较少. 本文首先建立客车车身骨架的刚度,强度,振 动模态和翻滚分析有限元模型,然后采用响应面方 法建立客车车身骨架的多学科优化模型,最后用协 同优化方法对大客车进行多学科设计优化. 1有限元模型 本文研究对象为某全承载城际旅游大客车,车 长12m.客车车身骨架结构的刚度,强度,振动模 态以及翻滚等性能对整车的舒适性和安全性有重要 影响.本文用MSC.Patran建立客车车身骨架的刚 度,强度,振动模态分析有限元模型,并用 MSC.Nastran软件完成结构分析,建立的有限元模 型如图1所示.此模型共包含节点数4I8461,壳单 元数399364,焊点单元数24956.客车的翻滚分析 模型根据ECE.R66法规建立,由Hypermesh软件完 成,翻滚安全性分析由显示动力学软件Ls.Dyna完 成,分析时考虑了前后挡风玻璃以及车身蒙皮的影 响,其有限元模型如图2所示.此模型共包含节点 数294884,壳单元数298312. 图1刚度,强度和振动模态分析有限元模型 图2翻滚分析有限元模型 在计算客车的扭转刚度时,不考虑载荷,强制 抬高客车车架空气弹簧支撑点5mm(右前轮处,计 算其支撑反力,反力越大说明车身骨架扭转刚度越 大.客车强度分析模拟的是客车满载情况下右前轮 悬空的恶劣工况,得到整车的应力分布情况.在振 动模态分析中,提取车身骨架的前10阶自由振动的 模态.客车翻滚安全性分析考虑的是满载情况下的 左侧翻转工况,根据ECE.R66法规要求,车身结构 的任何部位不能侵入生存空间. 2多学科设计优化 为改进原设计方案,提高客车的综合性能,对 客车车身结构进行多学科设计优化,即在强度和结 构侵入量约束下,最小化车身结构的质量,最大化 扭转刚度和一阶扭转固有频率,以及最大化车身骨 架吸收的能量. 客车的翻滚安全性除了不允许结构件侵入生 存空间外,还应该尽量避免二次碰撞的发生.如图 3所示,在客车翻滚过程中,骨架首先与地面发生 碰撞,车身结构变形吸能(包括弹性和塑性),当内 能达到最大值时,弹性势能开始释放,转化为动能. 130机械工程第46卷第18期 此时车身骨架会发生反弹,反弹之后将与地面发生 二次碰撞.为了降低乘客在二次碰撞中的受伤程度, 必须使得发生二次碰撞时的动能最小化,也即使得 车身结构吸收的塑性应变能最大化.图3中,计算 结束时内能已不再减少,说明这个时刻的内能是车 身骨架所吸收的塑性应变能. 瑟 蚓 怒 时问t/ms 图3翻滚过程中车身骨架能量变化曲线 因此,本文需要建立客车质量,刚度,强度, 第一阶扭转振动固有频率,车身骨架在翻滚过程中 吸收的塑性应变能以及骨架与生存空间之间最小距 离的多学科响应面模型. 2.1变量选择 因为客车有限元模型采用精度较高的壳单元 建立,因此选择结构件的厚度参数作为优化设计变 量.但客车车身骨架由成百上千的结构件组成,不 同结构件之间还存在工艺约束,如果把整车所有结 构件都选为优化设计的变量的话,会使得优化变量 数目太多,同时还需要考虑大量工艺约束,这极大 地增加了优化问题的难度. 为降低优化问题难度,首先要减少设计变量个 数.在车身骨架的所有结构件中,有些对性能影响 很大,而有些则没有太大影响.因此对车身骨架进 行优化设计时,这些影响较小的结构件可以不予考 虑.通过灵敏度分析,可以确定结构件对性能的影 响程度,即某个结构件的厚度对响应函数的灵敏度 绝对值越大,说明这个结构件对性能影响越大.本 文中,刚度,强度和振动模态的灵敏度分析由 Msc.Nastran软件完成. 另一方面,优化问题的约束越少,求解会越容 易.在客车车身骨架中,主要的工艺约束是对称性 和一致性.因此,在建模时把具有此工艺约束的结 构件用同一个设计变量来表示,以消除约束.如图 4所示,顶盖的对称中心左右两边深色的纵梁和横 梁必须同时考虑对称性和一致性约束,因此所有深 色纵梁的厚度用一个变量表示,所有深色横梁的厚 度也用一个变量表示. 图4具有工艺约束的结构件示例 在客车的翻滚分析中,由于碰撞分析的高度非 线性,无法获得结构响应的灵敏度信息.但根据侧 翻分析结果,应变能较大的结构件主要是着地一侧 的门,窗立柱等对侧翻安全性影响较大的部件,因 此选择应变能较大的结构件作为设计变量. 经过筛选之后,总共选定38个变量,其代表 的结构件分布如图5深色部分所示.可以看到,变 量所代表的结构件均衡分布于整车各处,能够较好 地反映出整车性能.表1给出了不同学科的变量编 号及数目. 图5设计变量分布范围 表1不同学科的变量编号及数目 2.2响应面模型 在建立质量响应面时,只考虑车身骨架本身的 质量,而不考虑车窗,蒙皮及外载等质量.刚度和 振动模态响应面模型分别拟合车架右前轮处空气弹 簧支撑点的约束反力和车身骨架的一阶扭转频率. 在强度分析中,主要考虑整车的最大应力.但 由于结构参数的变化可能导致最大应力位置发生变 化,因此很难用一个响应面进行准确的拟合.本文 选择原设计方案中8个应力最大的区域,并假设优 化时,最大应力始终出现在这8个区域内.此8个 位置分布如表2所示.应力响应面模型拟合的是相 应位置的VonMises应力. 在翻滚安全性分析中,内能响应面模型拟合的 是翻滚分析结束时刻车身结构吸收的总内能.与最 2010年9月苏瑞意等:大客车车身骨架多学科协同优化设计131 大应力相似,由于结构参数的变化,车身结构与生 存空间的最小距离位置也会发生变化.根据翻滚分 析结果,着地一侧的窗立柱是最容易侵入生存空间 的结构件.因此本文建立翻滚着地一侧的所有窗立 柱与生存空间之间的最小距离的响应面模型.本车 侧围共有7个窗立柱,根据从车头到车尾的顺序对 窗立柱进行编号,7个响应面分别用d1,,/2,…,d7 来表示. 表2原设计应力较大位置 响应面位置 底架后桥处横梁 顶盖中部龙门粱 右侧围斜撑 右侧围窗立柱 中门前立柱 中门后立柱内侧 中门后立柱外侧 右侧围腰梁 由于设计变量是壳单元的厚度,易知质量响应 面是线性的,因此用线性多项式进行拟合,而其他 响应面模型均采用2次多项式进行拟合. 用优化拉丁方试验设计方法对各个学科的设 计空间进行采样,并对试验点进行有限元分析.根 据有限元分析数据,用多元线性回归方法进行多项 式响应面的拟合,对拟合的响应面模型进行F检验, 并用决定系数值进行评价,结果如表3所示. 表3各响应面信息 取置信系数为0.1%,可得到最大显着性临界值 为,3.50,即只要响应面的,值大于3.50就能够认为 该模型是显着的.从表3可以看出,计算得到的F 值远远大于3.50,所以这些模型的显着性都是很强 的.此外,各模型的也都在99%以上,说明误差 很小.因此,可以认为这些响应面模型的精度能够 满足工程使用要求. 2.3协同优化 考虑所有学科目标和约束,以及所有设计变量 的系统优化方程如下 find=(,jc2,…,x38) min厂=?wry, s..? r=l tO”i500卢12一,8 (1) s..?卢,,…, ?0J=1,2,…,7 X?X?X 式中,i——质量响应面 . 厂2——频率响应面的负数 —— 刚度响应面的负数 —— 内能响应面的负数 w,——各个目标的权重因子 —— 强度分析中的应力响应面 —— 翻滚分析中的最小距离响应面 jcJ——变量的下限 —— 变量的上限 变量的取值范围如式(2)所示 熙0i535’I.5?葺?其他一 根据协同优化方法的思想,对上述问题进行分 解,得到系统层和第f个子学科的优化方程,分别 如式(3),(4)所示 findz 血nf(z)=Zw,f,(3) s.t.GI(z,)? Z?Z?Z 式中z——系统层变量 —— 学科i所包含的系统变量 《——学科i所返回的系统变量值,在系统层 被视为常数 . —— 原设计方案的响应值 —— 常数,本文取10-6 ffind s.tgj(x0l4JI. )?一 【?? 132机械工程第46卷第18期 式中——学科f的设计变量,包括本学科的系化结果如表4所示,迭代 过程如图7所示. 统变量和独立变量 zl——系统层返回的系统变量值,在学科层 视为常数 —— 本学科所包含的学科约束 协同优化方法中,G是耦合变量的一致性约 束,用于协调耦合变量在不同子学科之间的一致性, 其表达式如下 ni Gi(7,i,i)=?(z厂i)’(5)=l 式中,n为学科i所包含的系统变量数. 本文把原问题分解为4个子学科,即质量,模 态,刚度和翻滚安全性,如图6所示.其中质量和 模态两个子学科没有约束,刚度子学科包含强度约 束,翻滚安全性子学科包含最小距离约束.系统层 和子学科层均用序列二次规划方法进行求解,初值 点取为原设计点.通过调整权重因子,可以获得不 同的最优解.不同的权重因子组合及其所对应的优图6 表4优化结果 子学科1:质量 至圈,............................................................................: 子学科2:模态 至囹 子学科3:刚度 子学科4:翻滚 大客车协同优化设计示图 狡 讶 蜷 血 llls 由8 迭代次数? 图7迭代过程曲线 从表4可以看到,当各个目标函数权重一致时 (方案1),虽然改善了翻滚安全性,但是质量有较大 的增加,同时刚度也增加较多.为取得较好的均衡, 应该增加质量函数而降低刚度函数的权重,从而得 到方案2.与原设计方案相比,方案2的质量有较 大的降低,并且提高了模态频率,改善了翻滚安全 性,而整车刚度,强度和吸能仅略有降低,因此这 是一个较好的设计方案.为进一步改善翻滚安全性, 降低发生二次碰撞的危险性,可以增加吸能函数的 权重,调整权重因子如方案3所示.从优化结果看, 方案3所有性能均比原方案要好,综合性能最优. 方案3相对于原设计方案,质量下降4.26%,第一 阶扭转频率提高8.80%,刚度增加l2.19%,内能吸 收能力增强2.12%,同时能够满足ECE.R66法规要 求,而强度也有所改善. 从图7中可以看到,协同优化方法能够较快地 收敛.算法在优化系统级目标函数时,还要满足各 个子学科的约束,因此系统级目标出现上升现象, 而约束违反量则随着迭代次数的增加而逐步降低. 3结论 本文建立了某全承载大客车车身骨架刚度,强 度,振动模态和翻滚安全性壳单元有限元模型,结 合灵敏度分析和工艺约束选出了合适的设计变量, 用响应面方法建立了客车质量,刚度,强度,振动 模态和翻滚安全性的多学科优化模型,采用协同优 三._ 2010年9月苏瑞意等:大客车车身骨架多学科协同优化设计133 化方法对客车进行多学科设计优化.优化结果显示, 优化方案在刚度,强度,振动模态,翻滚安全性和 轻量化方面均有所改进,综合性能优于原设计方案. 参考文献 【1]LANF,CHENJ,LINJ.Comparativeanalysisforbus sidestructuresandlightweightoptimization[J]. 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E-maihgui@mail.tsinghua.edu.cn 范子杰,男,1958年出生,教授,博士研究生导师.主要研究方向为汽 车结构分析,优化设计和CAE方法. E—mail:zjfan@mail.tainghua.edu.Gn