Automobile Parts 2020.12
研究与开发
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2020.12 Automobile Parts
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1㊀正面小偏置碰撞基础模型
1.1㊀基础模型正面小偏置碰撞试验评估
依照C-IASI 正面25%偏置碰撞试验规程(2017版)，对某SUV 车型进行了碰撞试验，碰撞初始速度64km /h ，根据评价规程对试验后的车身侵入量进行评价㊂小偏置碰撞试验和仿真整车变形结果，如图1所示
㊂
图1㊀小偏置碰撞仿真分析及试验结果
试验结果显示，该车型在上A 柱出现折弯变形现象，同时由于轮胎侵入过大导致在下A 柱出现严重折弯变形和断裂现象㊂车体结构强度不足导致乘员舱侵入量较大，最终导致该车型在车辆结构等评定部分评价结果为较差(P )㊂
1.2㊀基础模型CAE 仿真建模与试验对标
根据研究需要，对该车型进行有限元仿真建模㊂整车点焊采用Spring 焊点来模拟，并设置力失效准则；副车架区域根据试验车型实际情况设置衬套刚度与铰链限位数据；各子系统按照实际情况进行配重修正㊂最终基础CAE 模型整备质量1909kg ，节点总数约216万个，单元总数230万个㊂
采用RADIOSS 求解器对基础CAE 模型进行正面小偏置碰撞试验工况进行模拟和对标㊂CAE 仿真分析结果表明，整车底盘㊁前机舱及侧围等关键区域变形模式与试验过程吻合，底盘及车身关键零部件失效模式与试验过程基本一致㊂乘员舱区域侵入量方面，除A 柱下端断裂导致偏差偏大以外，其余评价点仿真与试验相对误差小于15%，关键结构区域侵入量的对比如图2所示，表明有限元仿真模型与试验过程具有很好的相关性㊂以该CAE 模型作为对象，开展结构优化设计研究
㊂
图2㊀关键部件侵入量对比结果2㊀整体式热冲压门环设计与评估
为提高该车型正面小偏置碰撞工况安全性能，采用整体式热冲压门环方案的修正基础模型，同时对前车体㊁侧围及前副车架区域的传力路径和结构强度进行优化[5]㊂
2.1㊀整体式热冲压门环方案设计
在修正的基础模型中，侧围门环加强件采用分体式点焊设
计，其设计方式及用材情况，如图3所示，门环加强件单侧质量较大，存在轻量化的必要性
㊂
图3㊀改进模型分体式门环设计方案
激光拼焊是一种先进的材料加工技术，通过激光焊接方式预先将多片不同强度㊁不同厚度的板料连接，零件上不同区域的强度和厚度可以根据多种工况对车身该局部区域的要求而进行适应性设计㊂热冲压工艺在成形过程中通过模具对材料进行淬火强化，成形后可以获得抗拉强度在1500MPa 左右的超高
强钢零件㊂与常规分体式门环设计方案相比，采用激光拼焊的整体式热冲压门环具有轻量化㊁结构性能好的技术优势[6]㊂
门环区域结构强度对于正面小偏置碰撞乘员舱侵入量有重要影响㊂修正模型正面小偏置碰撞过程中分体式门环变形过程存在以下问题:
(1)A 柱上传力路径强度不足,A 柱上边梁在碰撞过程中易发生折弯变形;
(2)A 柱与Shotgun 连接区域的结构强度不足,A 柱加强件易产生大的塑性变形而导致断裂现象;
(3)A 柱下侧与门槛连接区域强度不足，分体式侧围加强环区变形如图4所示
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图4㊀分体式侧围加强环区域变形模式
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2.2㊀冲压门环多学科优化思路
在设计整体式热冲压门环时，不仅需要考虑小偏置这一个
碰撞工况的影响，还需要考虑侧面碰撞㊁白车身弯曲刚度㊁白车身扭转刚度㊁白车身一阶弯曲模态㊁白车身一阶扭转模态的影响㊂这些多学科的工况相互影响，同时存在线性分析和非线性分析，非常复杂[7]㊂在传统的设计优化方式下，一般是靠经验或者局部的优化分析，这样的方法始终无法到最优解㊂多学科优化的发展历程，如图5所示
㊂
图5㊀多学科优化发展历程
为改善分体式门环带来的不良后果，设计采用整体式热冲压门环方案㊂整体式热冲压门环采用5道激光焊缝设计，材料采用热成形钢，其厚度和焊缝位置要综合考虑正面小偏置碰撞工况变形模式以及热冲压成形可制造性㊁零件材料利用率等多方面的要求㊂
综合考虑多工况下的全局优化就显得特别重要㊂澳汰尔公司的软件HyperStudy 可以进行该多学科的优化分析㊂
Hyperstudy 是一款面向工程师和分析师的多学科设计探索
工具，可以获得一系列智能设计，自动评估这些设计并且指导用户获取对数据更深入的理解㊂HyperStudy 是基于数学的方法，例如试验设计与优化，同时MDO (Multi Disciplinary Optimiza-tion )是针对汽车行业而开发的专业多学科优化工具，可快速提高效率，其应用衔接如图6所示
㊂
图6㊀多学科优化平台(MDO)应用
2.3㊀整体式冲压门环多学科优化步骤
在HyperStudy 中进行多学科优化，主要有创建响应面㊁拟
合响应面㊁优化㊁验证，如图7所示
㊂
图7㊀Hyperstudy 的多学科优化步骤
文中的整体式冲压门环多学科优化综合考虑了小偏置碰
撞㊁侧面碰撞㊁白车身弯扭刚度㊁白车身一阶弯扭模态，设计变量为门环的5个厚度㊂门环的拼焊在工艺上有相应的要求，如相邻两个件的厚度不能相差1倍等，这些制造的约束都加到优化中[8]㊂
创建相应面DOE (Design of Experiments )分析,DOE 用
于揭示不同的因子/设计变量(X )对响应(Y )的影响㊂DOE 可以用于构造一个近似模型，该模型可作为实际模型的
替代模型，这将有效节省计算量㊂DOE 的方法有Full Factorial
全因子法㊁Fractional Factorial 部分因子法㊁Central Composite (Ccd )中心复合法㊁Latin Hypercube 拉丁超立法㊁Hammers-
ley 哈默斯利法㊁Method of Extensible Lattice Sequences (Mels )
可扩展的格栅序列法㊁D-Optimal 最优设计实现法㊂方法较多，针对不同的优化对象，需要选择最合适的方法见表1㊂文
中选择的是Method of Extensible Lattice Sequences (Mels )可扩
展的格栅序列法，该方法是一种准随机序列㊁无差别序列的方法，该方法在空间内均匀撒点，最小化团块与空白空间的出现，该方法具有可扩展的能力，这意味着可以基于已有的点继续向空间撒点，保证最终所有点的均匀性，试验次数由用户指定，最小试验次数为1.1ˑ((N +1)㊃(N +2))/2，其中N 为因子个数㊂
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研究与开发010图8㊀DOE分析得到门环厚度和响应的相关性
FIT分析㊂拟合就是使用数学模型替代真实模拟计算资源昂贵，完全基于计算进行设计研究就不切
响应是非线性时，优化可能陷入局部最小值或最大
用户可以避免这个问题㊂当使用拟合，必须权衡精度和效率问题㊂问题是如何拟合表示设计空间，同时
提供了4种拟合算法㊂最小二乘回归(LSR)㊁
MLSM)㊁克里格法(HK)㊁径向基函数Function)㊂通过MDO工具可自动选择最优算法㊂
方法进行拟合㊂MLSM是传统加权最小二乘法模型的通用形式㊂单个DOE抽样点相关的加权系数不是
DOE抽样点到评估出的拟合模型点的标准化对移动最小二乘拟合,HyperStudy提供一阶㊁二阶和三阶函数的选择㊂适用于非线性/含噪声的响应，不同的
所示㊂
图9㊀4种拟合方法的对比
在拟合相应面的过程中，需要通过后处理来对拟合精度进行控制，如果精度不足，则需要在DOE中增加点，反复进行迭代㊂只有当拟合精度足够，才能进行下一步的优化㊂当拟合响应面精度足够之后，可以进行优化分析㊂此优化分析是在已经拟合好的响应面上进行优化，速度快，精度则完全取决于响应面拟合的精度㊂如图10所示，形成某响应的拟合面㊂
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图10㊀拟合响应面
2.4㊀优化结果分析
分析采用全局逼近法(基于响应面)，该方法是在处理有
噪声的非线性问题时首选，使用高阶多项式来逼近多目标的原始结构优化问题㊂寻最优问题就是寻最优解，即为图11中灰的部分
㊂
图11㊀最优解求解可行域
Hyperstudy 在给定的目标值下，经过逐渐的迭代到最优
解㊂横坐标代表迭代步，纵坐标代表目标值，本次是以质量作为目标值，如图12所示
㊂
图12㊀不同迭代步下目标值的走势
通过前面三步，得到了整体式热冲压门环的最优厚度，需要进行CAE 验证，小偏置和侧面碰撞在非线性求解器Radioss 中进行验证，刚度模态在线性求解器Optistruct 中进行验证[7]㊂
MDO 后处理工具可将优化与验证结果得到如图13结果,
图中4条曲线分别表示：原设计门环厚度正则化到0.5，上下线分别为0与1(初始基准值)；各工况下响应的目标值正则化到1(目标值)；响应面优化得到的门环厚度与各工况下响应(响应面预测值)；将优化得到的门环厚度进行CAE 验证得到的结果(实际验算值)；此图可表示设计变量变化的程度是否到达上下限㊁各工况下响应是否达到目标以及响应面优化结果与实际验证结果的差异
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图13㊀优化及其验证后结果
通过HyperStudy 到最优解，匹配门环各部分厚度，同时提升结构的轻量化，如图14所示
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图14㊀整体式热冲压门环设计方案及样件
2.5㊀整体式热冲压门环小偏置碰撞性能评估
优化后，首先进行小偏置碰撞仿真分析，得到车身侧围区
域碰撞变形模式，如图15所示㊂与基础车对比，门环变形量
减少较多，说明优化的可靠性
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图15㊀整体式侧围加强环区域变形模式
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