专业论文 ｜ 发动机舱盖的多学科设计优化方法

本文荣获

达索系统SIMULIA2019年用户大会优秀论文

本文选自《汽车安全与节能学报》2018，9（4）:456-462.

本文作者：刘莹，杨旭，乔鑫

(华晨汽车工程研究院 前期开发部)

汽车结构复杂，开发周期较长。发动机舱盖作为汽车最醒目的和重要的组成部分，对汽车整体的外观和性能有很大的影响。在发动机舱盖的设计过程中，往往需要满足多个学科的性能要求，其中较为突出的有发动机舱盖本体的结构性能，如弯、扭刚度等；声—振—粗糙度性能(noise-vibration-harshness, NVH)，如一阶特征频率；以及碰撞的行人保护分析。根据以往项目经验，结构性能与NVH 性能正相关，而与行人保护性能成反相关。这就要求我们在发动机舱盖的设计过程中要从多学科角度评判各相关性能指标，选择合理的设计参数，以满足相关设计要求。

多学科联合设计优化在一些国家已经被应用在汽车开发设计领域[1-2]。在中国，清华大学范子杰等[3]对汽车轻量化多学科设计优化方法进行综述，引入“分解—协调”的多学科优化策略，将复杂的多学问题分解，降低优化问题的复杂度。

有关车身方面，苏瑞意等[4]对某全承载客车车身骨架进行了包含轻量化、刚度等多学科设计优化，提高了客车的综合性能。

王登峰等 [5-7]对车身多学科轻量化设计优化进行了研究，通过SFE Concept软件建立了隐式参数化车身模型，通过多学科联合优化找到满足系统各项性能要求的轻量化方案。

吕晓江[8-9]对行人保护柔性腿型碰撞进行了多目标优化算法研究，以行人腿部伤害值最低为优化目标，对车辆前端结构参数进行了可靠性优化设计，提升了行人保护性能。

对于汽车闭合件，高云凯等[10]对车门的多目标强量化设计进行了研究，以拼焊板车门下沉刚度和质量为优化目标，拟合近似模型并利用NSGA-Ⅱ遗传算法寻优。

关于对行人保护性能和汽车外观造型影响很大的发动机舱盖的多学科设计优化研究，相关报告甚少。作者认为：其原因有二：一是舱盖结构主要由内外板构成，外板由造型面限制，内板又单独一体，不存在搭接形式，大的位置变化传统的变参形式实现起来比较困难；二是舱盖涉及头部行人保护性能，一次仿真规模将近180次分析，并自动处理结果相当繁复困难。

本文以全隐式参数化发动机舱盖为研究对象，通过二次开发程序，实现大规模计算自动处理，同时考虑本体结构性能、NVH特性以及行人保护等3个学科之间的相互作用，从正向开发的角度，对多学科设计优化方法进行了研究。

参数化模型是多学科设计优化的基础，模型的变量是各学科联系的桥梁，每个学科对应的系统响应类型不同，但影响这些响应变化的参数是相同的，所以如何获得一个高质量的，全参数化的模型文件，至关重要。SFE Concept是一款隐式全参数化建模软件，在保证全参数化模型建立的同时，可以直接生成便于分析计算高质量的有限元网格。

发动机舱盖参数化模型如图1所示。

模型可调变量很多，在SFE Concept隐式全参数化建模软件中，每一个设计参数均可作为独立的变量，以mac格式文件输出，如图2所示。

发动机舱盖本体结构性能主要选取了舱盖弯曲刚度、扭转刚度、角刚度和中后部刚度等共6个分析项作为输出响应，如图3所示各分析工况从不同角度反映了舱盖本体结构抵抗变形的能力。

NVH模态分析的核心在于对固有特性的提炼和识别，而结构的动态响应也是由外界激励的频率大小以及结构本身的固有频率来决定。

根据工程经验，一般轿车的模态为扭转模态，其振型如图4 所示，固有频率通常在20~35 Hz。若不考虑性能之间的平衡，在质量可控的前提下，一阶频率越高，越有利提升NVH品质以及延长疲劳寿命。但在材料不变的前提下，高频率可能导致高刚度，这又会导致行人保护的得分受到影响，基于此，该车型的整车设计验证计划目标为一阶频率20 Hz。

“中国新车评价规程(China New Car Assessment Program, C-NCAP)”中的行人保护测试项目中涉及到发动机舱盖的包含儿童头型试验和成人头型试验。儿童头型质量3.5 kg，碰撞速度40 km/h，与水平方向成50°；成人头型质量4.5 kg，碰撞速度40 km/h，与水平方向成65°。

根据C-NCAP要求对发动机舱盖进行分区画点，分别得到儿童和成人头型定位信息，用头型冲击舱盖上各点，得到该点的HIC值，根据HIC值得到相应的点分数。新版C-NCAP中行人保护中头部性能总分为12分，故头部性能得分 =(各点得分总和/点数之和)×12。因此以头部性能得分作为行人保护性能的输出响应。

“试验设计(design of experiment，DOE)”是一种产品开发和过程优化等环节中重要的统计方法。对文中变量设定变化范围，采用全因子设计样本，样本变量如表1所示。

在iSight软件平台上，搭建发动机舱盖结构性能和NVH性能自动化分析流程，因两个学科可以共用同一类型网格，后处理方法相似，故可以集成在一个分析流程内，如图6所示。

DOE模块驱动SFE Concept模块，生成发动机舱盖模型，并自动划分成有限元网格；通过Dataflow将网格文件传输到各工况，并调用本地计算机上Nastran完成分析计算；通过输出变量读取计算结果，反馈给DOE并存储计算结果值。所有DOE样本计算完成之后，可以得到一个总矩阵计算表。

区别本体结构刚度与NVH模态通用参数化模型，在行人保护样本生成过程中，通过SFE输出DYNA 输入文件格式，同时依据文件结构的规划，两个组件只传输网格与焊点模型文件，总成的其它部分切割成单独文件，并且在计算时通过*include形式提交队列进行batch计算。组件之间传递循环计数，以便批处理计算时，准确识别样本身份，如图7所示为行人保护自动化分析流程。

DOE 传递4个变量给SFE，同时将计数变量传递给行人保护计算模块，如图8所示；SFE生成的KEY文件中网格和焊点文件传输给PEDESTRAIN组件；而后经过组件的具体执行，反馈头部得分变量SCORE给DOE。行人保护核心的文件传输策略以及结果处理的二次开发脚本，体现在PEDESTRAIN组件的COMMOND LINE。

通过iSight profile parameter 将计算所需的文件传递到RUNDIR 下。同时再提交命令行运行二次开发的脚本，脚本的一部分功能使定义好的头型工况群拷贝到工作目录下。这样做可以实现文件夹群的传递工作，同时也减轻iSight传递文件的负担。

而后处理需要集成的命令文件通过同样的方式传递，由于命令是以文件形式存在，容量便于传递，iSight可以轻松完成小文件的传递。运行时集成到PBS_caclulate_py即可。

PBS_caclulate_py 文件是实现本文技术路线的重要角色。其本身突破了本地电脑与仿真队列的数据传输的难点，同时还是集成后处理脚本的主要载体。主要实现以下功能：

1)将头型工况群拷贝到RUNDIR下；

2)将RUNDIR文件夹上传到仿真队列；

3)提交一个样本的186工况序列计算，生成字典判断样本计算全部成功；

4)将binout 文件下载到RUNDIR对应工况下；

5)调用TCL 语言对工况群批处理得到每个点头部伤害指标(head injury criterion, HIC)；

6) 执行head_goal.py 循环读取每个HIC值，生成文本文件，并计算总分SCORE给DOE。

经过多次计算，最终可以得到行人保护DOE样本的计算总表。

结构刚度共有6个评价指标，其响应值如表3所示，所有刚度值均满足企业内相关设计标准。

将质量包含在NVH性能评估中，质量减小有助于提升轻量化水平；一阶特征频率不宜过低，否则会发生低阶频率共振的可能，一般应大于20 Hz。

行人保护得分与汽车碰撞星级存在一定换算关系，当星级目标设定为5星级时要求行人保护得分为10.5分。行人保护总分为15分，其中与发动机舱盖相关的头部性能分值为12分，腿部性能分值为3分。假定腿部得分为满分3分，则要求头性能设计得分不少于7.5分。上表中头部行人保护性能得分为7.42分，显然不能满足5星级碰撞设计目标。

基于自动化流程计算最终得到的多学科DOE样本结果，在iSight中建立多学科设计优化流程，如图9所示。

在多目标优化设计中，完成多目标优化问题的边界条件设置。Pointer算法是搜索全局优化解效率最高的算法之一，本文采用全局探索方法Pointer算法。

发动机舱盖的本体结构刚度均满足设计要求，故在优化过程中以初始模型各分析项的刚度值作为最低边界约束条件，即优化过程中要保证刚度值不小于其最初分析值。

NVH性能中一阶模态特征值为22.51 Hz，故同结构刚度性能一样将其初值设为最低边界条件。对于质量来说，为了控制整车轻量化指标，故将质量初值设为最高边界条件，即优化过程中质量应不大于其最初分析值。

行人保护头部得分7.42，不满足5星级设计标准，故将行人保护性能得分设为优化目标，即在优化过程中搜索行人保护的最大得分值。

因初始变量水平设为离散型变量，故整个寻优空间的变量参数与初始设置保持一致，最终经过上千次比对搜索，完成优化设计。

在已定的设计空间内可以得到各个响应之间的关系，其中本文发动舱盖的角刚度、扭转刚度和单侧扭转刚度之间关系如图10所示。纵梁位置变量与行人保护得分分布关系图如图11所示。

从图10可以看出：这3种刚度响应呈高度的正相关性。从设计优化角度来看，在已定的设计空间内，只要提升角刚度、扭转刚度和单侧扭转刚度其中一项刚度性能响应，另外两项刚度性能响应必然会随之提升，考虑到相关刚度性能的具体分析工况，认定此变化规律是与实际情况相符合的。

从图11可以看出：变量初始状态的行人保护得分最低，在变量设计范围内，只要调整纵梁位置，行人保护得分均能有所提升，且行人保护得分对此变量敏感度很高。

一个优化过程最终可能会有多种满足优化目标的解，确定最优解还需要综合考虑产品装配性和工艺等因素。综合整个优化流程分析结果得到最终优化方案如表3所示。初始解与优化解的模型状态如表4所示。

从优化表中可以看出，发动机舱盖的行人保护得分由原来的7.42提升到7.72，提升了4.04%，超过最低设计标准0.22分，满足了行人保护头部得分碰撞五星标准要求，优化提升效果十分明显；发动机舱盖质量、刚度和模态变化幅度不大，满足优化策略。

1) 以几何参数作为变量，基于隐式参数化技术驱动有限元仿真求解器，涵盖结构、NVH、碰撞行人保护多学科工况，匹配计算资源，对发动机舱盖进行多目标设计优化，找到跨学科协同仿真的解决方案。

2) 本文技术着眼点为解决协同仿真前提下，以刚度、一阶特征频率、质量为约束提升行人保护性能，同样也可以用于正向开发过程中的轻量化减重分析。

3) 发动机舱盖在刚度和一阶模态特征频率几乎不下降，质量不增加的前提下，将行人保护性能得分提升了0.3分，以较小的成本得到极佳的优化效果。同时也找了头碰行人保护的敏感因子，这对于其它产品开发设计具有一定的指导作用。