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CAE优化技术在汽车概念设计中的应用

数控产品网 www.cncproduct.com   2014-06-24   来源:网络转载   阅读:1331次

   随着汽车市场竞争越来越激烈,汽车企业在满足用户不断提高的对可靠性、安全性、NVH等性能指标要求的同时,还希望通过降低成本来创造利润,同时缩短开发周期以便抢得市场先机。

    相对于中后期的结构优化,早期设计成本更低,设计自由度更高,CAE工程师一直在探索将CAE分析提前,改变对一个不理想模型状态进行优化的弊端,实现CAE驱动设计。

    CAE的早期介入,综合考虑对产品有较大影响的结构设计,通过科学的分析计算,建立较为理想的设计模型,减少设计中后期因为性能提升而进行大量反复的修改,降低成本和缩短周期。

1 CAE概念设计优化模型

  设计变量、目标和约束条件是优化设计的三要素。目标和约束条件属于设计响应,根据优化目的的不同有些时候可以互换。

  CAE概念设计优化技术的主要思路也是怎样建立CAE的优化模型,确定设计变量、设计目标、约束条件。

  根据优化三要素,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、白车身质量等都可以作为设计响应,在CAE概念设计优化模型中,以整体质量为目标值的优化问题比较常见。CAE优化技术关键点是设置及选取设计变量,本文将介绍两种提取设计变量的方法,参数化建模法和网格变形过程录制法。

2 概念设计阶段优化流程

  传统研发流程存在以下问题:

    (1)概念设计方案主要依靠工程师的经验来确定。

  (2)设计早期阶段缺少对产品性能有较大影响的结构设计方面的考虑。

  (3)设计中后期进行大量反复的修改,带来成本和周期的问题。

  随着研发的推进,零部件逐步开始进行开模、招标,设计自由度越来越小,优化更改方案的成本也越来越高,受到周期、成本、空间等限制,很多优化方案不能实施。研发成本模型如图1所示。

图1 研发成本模型 

图1 研发成本模型

    由图1可知,相对于中后期的结构优化,早期设计成本更低,设计自由度更高,概念设计阶段引入CAE性能评估优化,将CAE分析提前,改变对一个不理想模型状态进行优化的弊端,实现CAE驱动设计。概念阶段嵌入CAE优化技术的汽车研发流程如图2所示。

图2 概念阶段嵌入CAE优化技术的汽车优化流程 

图2 概念阶段嵌入CAE优化技术的汽车优化流程

    概念设计阶段的CAE优化分析主要从拓扑结构优化[4]和料厚优化角度进行分析,如图3所示。料厚优化主要是对产品进行减重,拓扑结构优化提升产品性能,通过拓扑结构优化和料厚优化的联合仿真,达到优化性能和减重的双重目的。

图3 概念优化分析流程 

图3 概念优化分析流程

3 概念设计CAE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SFE concept将有限元模型或者全新的车身主断面结构转换成参数化模型,如图4所示。

图4 某车型的参数化模型 

图4 某车型的参数化模型

    采用建模采取点—线—截面—接头和梁—自由曲面—白车身的方法建立参数化模型。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DEP Morpher将参考车有限元模型的拉伸、投影和移位等morphing过程录制为参数。该参数由模块控制,该模块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、TB级、整车级)的分析模型的同一morphing部位,以此来实现多学科综合优化的功能。

图5 某车型的网格变形参数化模型 

图5 某车型的网格变形参数化模型

3.3以网格变形参数为变量的优化分析实例

3.3.1边界条件

    (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)基于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为约束。

  (3)以白车身质量为目标进行优化分析。

3.3.2优化过程

  (1)设置网格变形过程录制参数、料厚优化参数。

  (2)根据灵敏度分析选择参与优化分析的参数。

  (3)利用isight生成DOE矩阵,产生设计变量,利用DOE输出矩阵控制基础模型,得到优化分析模型进行计算,其分析结果在isight中通过分析响应面,选出最优结果。

3.4优化分析结果

  正面碰撞分析结果对比,加速度第一峰值降低0.5m/s2,有效加速度降低0.7m/s2。

表1 计算结果对比 

表1 计算结果对比

4 结论

  通过概念阶段CAE优化分析,快速验证参数化设计变量、料厚设计变量的综合优化作用,在弯曲刚度、扭转刚度、模态基本不变,碰撞加速度峰值和等效加速度降低的情况下,降低白车身质量,为设计工程师提供了设计方向。

  CAE优化技术改变了工程师依靠经验设计,进行建模和CAE分析,把CAE作为一种验算的工作模式,通过CAE分析,科学地寻找最优化的设计方案,实现CAE驱动设计。

  概念设计阶段的CAE优化分析确定的车身基本结构综合考虑了汽车可靠性、安全性、NVH等性能指标,减少了中后期大量反复的修改。降低成本给企业创造了利润,缩短开发周期为企业抢得市场先机。

CncProduct.Com(编辑:小朱)
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