10年+国内主流车企研发工程师眼中的“隐式参数化建模技术”

一、写在前面

SFE-Concept软件的隐式参数化建模技术采用仿真驱动设计的理念，使用隐式全参数化描述的方法，使得在没有CAD模型的情况下，通过修改控制点的位置、线的曲率、截面的形状等参数，实现复杂的几何模型变更，快速建立多方案的几何模型，同时确保各个零部件之间的连接关系保持不变。另外，该软件可以随时导出有限元模型。分析模型支持大量的行业标准有限元求解器，并支持振动、刚度、碰撞安全和声学的并行功能评估。

SFE-Concept能通过其变量录制功能将设计想法转化为设计变量。并且与大多数商业有限元求解器（如ABAQUS、ANSYS、LS-DYNA、NASTRAN、PAM-CRASH等）和优化求解器（如iSIGHT、HEEDS、LS-OPT、OPTIMUS等）均有接口，能够实现后台自动优化计算。

该技术主要用于产品的早期开发阶段中，对于在此阶段中的概念性数据（草数据）来说非常适用。而由于该软件的建模功能局限性，不适用于后期详细设计阶段，也就是说不适用于建立特征过多的结构。

目前，该技术在主流车企中已应用多年，如泛亚，一汽，二汽，长安，吉利，华晨等国内车企都在车身的正向开发中利用此技术获得了良好的优化及轻量化效果。虽然此建模技术主要用于车身，但是该建模技术在汽车其他零部件方面也可有所应用，且能够在多学科多目标优化中体现其应用价值。

本案例��隐式参数化建模技术应用到某车型前车门的设计中，建立了较为详细的前车门隐式参数化模型，将零件尺寸，位置，料厚作为优化变量，并实现车门的模态，刚度与碰撞分析的多学科多目标优化。

二、车门隐式参数化建模与变量定义

1、隐式参数化车门的建立

隐式参数化技术的建模思路是将建模对象分解为梁，接头这两种基本的模型单元，通过MAP功能实现各零件之间的连接关系，从而建立可以灵活变动的隐式参数化模型。基于以上思路，可将车门结构拆分成梁与接头形式，建立了前门的参数化模型，如图1所示。  

图1 隐式参数化前门模型

对于车门的参数化建模，其建模重点在于车门内板及辊压成型门框的建立。内板形面较为复杂，安装点及局部加强结构较多，根据数据成熟度，可适度做相应的简化，而辊压成型门框建模需使用SFE-Concept软件Multiple Layer Flanges功能和PID Connection功能实现门框建模，如图2所示。

图2 辊压成型门框建模

2、变���的确定

隐式参数化模型的优势就在于可实现结构各部位在空间中的位置与形状的改变，同时保持各零部件之间的连接关系保持不变。通过录制这些变化，可作为优化分析的变量。

本案例通过SFE-Concept软件将车门上防撞梁宽度尺寸，防撞杆前端Z向位置，腰线内外加强件Z向尺寸，内板拼焊板的拼焊位置以及车门把手加强件宽度尺寸录制为优化变量，各变量的变动范围需要考虑布置等设计限制。各变量位置说明图3所示。

图3 车门优化变量位置说明

对于厚度变量，可以结合工程经验或者根据灵敏度分析等方法选取对性能影响较大的零件作为优化变量，以保证在降低计算量的前提下获得较好的优化效果。本案例选取主要承力零件作为厚度优化变量，如图4所示。

三、车门结构优化分析

1、考察工况定义

结合车门的实际工作状态，本案例从模态，刚度及侧碰工况进行考察。其中，刚度分析项包括下垂刚度，扭转刚度，腰线内外部刚度。

2、优化流程建立

SFE-Concept软件通过输出的.mac文件来驱动设计变量的变化，如图5所示，在Isight等优化软件中修改括号中相应的参数来驱动SFE-Concept软件更新几何并导出有限元网格。而对于零件厚度变量，则需要在SFE-Concept软件输出的有限元模型文件中，以修改文本文件内容的方式进行定义。而这两种定义方法可以集成到同一个优化流程中，实现尺寸变量与厚度变量的联合优化。如图6所示。

图5 .mac文件内容

在获取DOE样本的输入与输出后，构建近似模型以用于优化分析。模态刚度类线性分析可采用响应面或径向基函数法来构建近似模型，而侧碰这种非线性分析一般采用克里格模型构建近似模型。当然，近似模型的精度一般需要建立在足够的DOE样本数量基础上，尤其是碰撞工况。

3、车门结构优化结果

本案例结合性能目标及结构初始性能，以前门质量，腰线刚度，下垂刚度，前门各点侵入量为约束，前门一阶模态，扭转刚度达到目标及前门各点侵入速度最小为优化目标。

图7 车门尺寸及料厚优化结果

获得的车门最终性能如表1所示。

目前，SFE-CONCEPT软件虽然在主流车企中均有所应用，且多数由仿真部门主导此技术，但并不是每个仿真人员都具备该建模能力。本人在车企从事仿真工作多年，参与过大大小小车型开发项目10多个。在这些项目中，均涉及到结构优化，轻量化的分析任务。之前在做结构优化时，对于结构的几何特征进行小范围更改，可以采用前处理软件中的morph功能从网格上进行修改，但是一旦遇到新增加零件，或者对某个零件进行较大更改，则从网格上处理通常来说比较麻烦。

对于这种情况，对于不会使用CATIA的仿真工程师来说，SFE-Concept软件在这种情况下可发挥作用，其建模速度快，模型修改方便，一键生成满足分析要求的网格，同时其内外部网格（即SFE-Concept软件生成的有限元网格与外部导入此软件的有限元网格）连接技术还可以实现结构的局部优化能力。

因而，本人认为此软件可视为一款基本的有限元前处理软件，尤其对于从业多年的仿真工程师来说，对其解决结构优化问题还是有一定作用的。另外，该技术已嵌入到CATIA软件中，相信该技术后期将得到更大发展与更广泛的应用。

作者：王山  仿真秀专栏作者