基于全参模型驱动的某皮卡车架性能带宽研究

基于全参模型驱动的某皮卡车架性能带宽研究

罗淼，康忠喜，任妍婷

（上海汽车集团股份有限公司商用车技术中心，上海 200483）

摘要：为实现车型平台化性能开发设计，在概念设计阶段需开展细致的性能带宽研究。基于某皮卡平台车架架构尺寸平台化衍生策略，选定高关注的7 项（前悬、轴距、后悬、车高、车宽、前开挡、后开挡）架构尺寸参数开展研究，利用MeshWorks 工具建立了车架架构尺寸全参数化模型。通过参数驱动架构尺寸变形和DOE 实验设计方法，在给定的设计领域内开展数值仿真寻优，探索了车架架构尺寸- 性能- 质量三者之间内在联系，建立了概念阶段开展线性工况下架构尺寸与性能规律探寻、性能- 质量目标带宽精益化研究等工程技术方法，为项目概念及工程设计阶段开展多学科联合仿真优化的实现及基于有限元基型车模型快速衍生新的架构方案提供了方法。

关键词：全参模型驱动；架构尺寸衍生；性能- 质量带宽；CAE 驱动CAD 设计

中图分类号：U466 文献标志码：A 文章编号：1673-3142(2024)04-0050-06

引用格式：罗淼, 康忠喜, 任妍婷. 基于全参模型驱动的某皮卡车架性能带宽研究[J]. 农业装备与车辆工程, 2024,62(4):50-55.

Research on frame performance bandwidth of a pickup truck driven by fully parametric model

LUO Miao, KANG Zhongxi, REN Yanting

(SAIC MOTOR Commercial Vehicle Technical Center, Shanghai 200483, China)

Abstract: In order to achieve automotive platform performance development and design, performance bandwidth research is necessary to be conducted during the concept design stage. Based on the platform derived strategy of a given pickup truck platform frame architecture, seven architecture parameters (front suspension, wheelbase, rear suspension, vehicle height, vehicle width, front gear, and rear gear) were selected for studying. A fully parameterized model of frame architecture size was established using the Meshworks software. Through parameter driven architecture size deformation and DOE experimental design methods, numerical simulation optimization was carried out within a given design domain, exploring the internal relationship between frame architecture size performance weight, and establishing engineering and technical methods such as exploring the relationship between architecture size and performance law under linear load cases, and conducting lean research on performance weight target bandwidth in the concept stage. This provides a method for the engineering implementation of multidisciplinary joint simulation optimization in the conceptual and engineering design stages of the project, as well as the rapid derivation of new architectural solutions based on finite element vehicle models.

Key words: fully parametric model-driven; architecture dimensions evolve; performance-weight bandwidth design; CAE driven CAD design

0 引言

    随着全国皮卡限行解禁逐步放开，新上市皮卡凭借乘坐舒适、用途多、外形美观等特点，受到越来越多的用户关注。通常皮卡为非承载式车身结构设计，其整车的高强度耐久性以及越野路面驾驶性能，主要依托于车架的性能设计，故车架是承担皮卡主要结构性能的承载部件。汽车的设计过程通常分为前期数字样车、物理样车与量产车等3 个阶段。其中前期数字样车阶段产品方案更改成本低，是实现高效、精益、正向开发的关键阶段。同时结合平台化开发思路，在数字样车架构开发时，涵盖尽可能多的平台车型，并使得综合性能带宽全覆盖，可实现高比例的零件共用，从而实现更低的成本。

    为了实现平台化项目开发，利用参数化模型开展的多学科优化具有强大优势。Hilmann 等[1] 构建了一个精确的参量化概念模型数据库系统，并研发了一种高效的产品设计流程来优化结构。研究结果表明，这种方式对于定义汽车的撞击安全系统设计有着很好的指导性；通过总结CATIA-V5、HyperMesh 和Batch Assembler 的参量化功能，Höfer[2] 研发了一种快速参数化建模技术，用于指导白车身的刚度、模态等特性的总体设计，但是由于它的局限，很难进行汽车撞击安全的结构优化；Hilmann 等[3] 应用全新隐式全参数化概念车身建模软件，为实现基于性能驱动的车身多学科优化设计提供模型基础；Duan 等[4] 构建了一种新的轻量化设计策略，它将隐式参量化信息技术、全局灵敏度分析GSA 和Pareto 集追踪算法有机融合起来，大大降低了白车身轻量化工程设计的复杂性，从而提高了设计效率和质量；史国宏等[5] 在车身早期设计阶段构建了一个全参数化的白色车身模型，并结合多学科知识进行优化，以期找到一种能够满足多种工况要求的最佳减重方案；王震虎等[6] 利用同平台车型相关数据建立白车身概念模型，对车身主断面进行尺寸优化，实现白车身的轻量化，对同平台车型的设计具有较好的指导意义；通过图分解法，单春来等[7] 给出了一套有效的车型模块化划分办法，以车身底盘为例，证明了该办法能够有效缩减研发时间，大大降低了设计生产成本；侯文彬等[8] 给出了一种分类和过滤共享模块和非共享模块的方法，可以在概念设计阶段基于汽车模块化思想对汽车白车身结构实现模块化分区；季枫等[9]，王登峰等[10] 研究了轿车白车身隐式全参数化建模与多目标优化，取得了明显的轻量化效果。学者们在车身开发的各个阶段运用了不同的优化设计方法，获得了轻量化程度高、性能较优的车身结构。然而，鉴于隐式全参数化构建方法技术门槛高，工程运用层面在人力、时间、迭代效率等方面还存在很大的技术瓶颈, 产品更新迭代日趋加速，开发周期一再缩短的挑战下，仅通过以上技术手段无法满足市场对产品开发提出的更高、更快、更协同的要求。

    本文依托某皮卡平台化开发项目，基于皮卡车架平台化衍生开发策略，选定高关注的7 项架构尺寸参数（前悬、轴距、后悬、车高、车宽、前开档、后开档）进行区段划分，运用MeshWorks 软件基于有限元模型进行架构尺寸参数化建模，通过参数驱动变形技术结合DOE 实验设计方法，CAE 在概念阶段即可基于基型车独立开展线性工况下的架构尺寸- 性能规律探寻、目标带宽精益化摸底，探索车架架构尺寸- 性能- 质量三者之间内在联系，支持架构尺寸选型及性能目标带宽设定。

1 MeshWork 简介

    DEP MeshWork 是美国DEP （Detroit Engineered Products Inc.）公司研发的一款高级网格变形、网格划分软件，可实现网格变形Morpher 功能、Concept概念开发及与第三方优化平台的智能集成。Morpher 功能是利用已有的网格模型，通过改变网格节点位置和网格形状，直接修改几何模型，因此通过参数化变量参数的调整，FE 模型即可实时同步变形输出。除网格形状参数化变形功能外，可参数化变量还支持：（1）点焊、缝焊、粘胶等数量、位置参数化变动；（2）Bulkhead 数量、间隔参数化变动；（3）板厚参数化变动；（4）材料参数化变动；（5）网格表面特征用户自定义、数量、间隔参数化变动；（6）激光拼焊板TWB 参数化等。

以上提供的各种功能均可基于FE 模型开展，合理运用可完全实现无CAD 输入条件下的概念开发。MeshWorks 具有参数化建模和多种变形变量设置的功能，以及批处理运行等高级功能，使得它能够与其他第三方优化软件结合，有效地解决各种优化问题。   

2 基于平台化的皮卡车架尺寸衍生策略

2.1 明确车架架构尺寸平台化开发策略

    通过制定平台化建模策略，可以有效地实现车架结构平台的快速衍生，从而实现尺寸方案的快速衍生、性能的快速验证，并且可以根据组合方案的性能- 质量目标带宽精益化摸底及设定，本文提出了一种车架平台化架构尺寸分区策略，如图1 所示。

2.2 平台化车架架构尺寸调整

    为更好地介绍车架架构尺寸调整意义，选定了高关注的7 项架构尺寸参数，各参数如图2 所示。各参数所代表的具体区段为：

（1）a：前悬尺寸调整区。前悬尺寸需适应不同的动力选配、造型及安全性能星级对总布置要求，选定参数a 为车架平台化前悬尺寸调整区，通过调整前纵梁长度及吸能盒的有无，支持前悬尺寸差异化开发；

（2）b：轴距尺寸调整区。为适应不同货箱容积的载具开发，以及保证乘员舱区域最大化的共用，选定参数b 为轴距尺寸调整区；

（3）c：后悬尺寸调整区。为适应不同货箱容积的载具开发，选定参数c 为后悬尺寸调整区；

（4）d：车高尺寸调整区。为适应不同的动力

选配（如传统燃油车变速箱及纯电动力电池）、越野通过性参数要求及人机工程上下车方便性等设计指标对最小离地间隙设计要求，选定参数d 为车高尺寸调整区；

（5）e：车宽尺寸调整区。为适应不同的动力电池选配，提升车型续航里程及提升乘员舱空间，需尽可能的增加车架Y 向尺寸空间，选定参数e 为车宽尺寸调整区；

（6）f：前开档尺寸调整区。为适应不同的动力总成、轮胎选配及安全性能星级差异化开发需求，选定参数f 为前开档尺寸调整区；

（7）g ：后开档尺寸调整区。为适应不同货箱容积的载具开发匹配不同的轮胎轮距选型，选定参数g 为前开档尺寸调整区。

    通过采用上述车架平台化架构尺寸调整分区策略，可以最大限度地实现零部件和子系统的共享，使得同级别车型在跨度衍生范围内，关键过渡区域的零部件、关键硬点和子系统能够实现良好的兼容性，同时也可以实现后续车型尺寸带宽的快速衍生，以及性能带宽的有效规划设定。

2.3 车架架构尺寸- 性能参数设计流程

    基于参数化建模工具及车架架构尺寸分区策略建立全参数化模型，CAE 即可对选定的高关注架构尺寸开展参数- 性能关联性研究，流程如图3 所示。

3 车架架构尺寸- 性能带宽研究

3.1 研究内容和目标

    以某皮卡平台车架为例，概念设计阶段根据总布置输入的平台车型尺寸带宽衍生包络，选定高关注的7 项架构尺寸参数（前悬、轴距、后悬、车高、车宽、前开档、后开档），运用参数化建模技术，建立车架架构尺寸的全参数化模型。通过参数驱动尺寸变形技术结合DOE 实验设计方法，在给定的设计领域内开展线性工况下的架构尺寸- 刚度性能规律探寻及性能- 质量目标带宽精益化研究，以上技术思路为实现概念开发阶段的结构快速优化设计及目标精益化设定提供一套可行的技术解决方法。

3.2 设计变量及响应

    本文研究的车架主要性能指标为整车扭转刚度和弯曲刚度。其中，扭转刚度T 的表达式为

    本文涉及的车架基础刚度及质量性能，如表1所示，选定高关注的7 项（前悬、轴距、后悬、车高、车宽、前开档、后开档）架构尺寸参数作为研究对象,尺寸变化以10 mm 为一个单位变化量、变量系数，如表2 所示，开展线性工况下的架构尺寸- 刚度性能规律探寻及性能- 质量目标带宽精益化研究。

3.3 DOE 实验设计及优化结果分析

    针对高关注的7 项（前悬、轴距、后悬、车高、车宽、前开档、后开档）车架架构尺寸变量，选用Latin HyperCube 采样算法生成40 个样本点填充设计域，如表3 所示。

    通过开展DOE 试验设计，辨识出架构尺寸变量对性能的影响敏感度排序及样本输出响应带宽范围，样本输出响应带宽范围如表4 所示。

车架架构尺寸- 影响扭转刚度敏感度排序如图5 所示。由图5 可知，前开档宽度＞纵梁Y 向车宽加轴距＞纵梁离地高度加后悬＞纵梁离地高度加前开档宽度＞轴距加后开档宽度＞后悬加后开档宽度＞纵梁Y 向车宽加后开档宽度。

    本文旨在通过DOE 数据分析构建响应面，以便更好地探索设计域内变量与响应之间的最佳组合方案。可决系数是一个重要的统计量，它反应了模型对样品数据结果的综合影响程度，其值越大，表明拟合效果越优。它能否反映总体数据的变化情况，是对模型精度的一种检验。通常至少要求可决系数＞0.8，样本响应的置信度分析如表5 所示。基于构建的近似模型，选用GA 优化算法开展基于近似模型的数值仿真寻优，经过3 018 次样本迭代后，优化模型收敛，如图7—图9 所示。

3.4 优化结果验证及效率对比

    基于总布置输入的包络尺寸，通过数值仿真优化迭代，获得一组满足尺寸带宽范围的性能- 质量最佳组合，工程数据性能验证结果如表6 所示。

    相比于传统开发流程，在时间、人力投入、效率及产出规模等方面均有大幅度提升，如表7 所示。

4 结论

    本文将CAE 主导参数驱动车架架构尺寸选型、性能- 质量目标带宽精益化设计理念引入到概念开发工作中，提出了一套在工程层面运用可行的架构尺寸- 性能快速优化设计新技术解决方法，实现可平台化应用的CAE 驱动CAD设计方法，为项目概念及工程设计阶段开展多学科联合仿真优化的工程实现及基于有限元基型车模型快速衍生新的架构方案提供了方法示例。主要研究成果如下：

（1）将CAE 主导参数驱动架构尺寸选型、性能-质量目标带宽设计理念引入概念开发工作中；

（2）基于平台化开发策略，提出了车架架构平台化尺寸调整分区建模方法；

（3）引入了MeshWork 全参数化Concept 概念建模及Morph 变形技术，实现了全隐式参数化同样的建模及优化效果，大大提高了前期建模效率，降低了建模难度，为概念阶段开展多学科联合仿真优化提供了一套工程可行的技术解决方案；

（4）通过对7个车架尺寸参数的研究发现，这些参数对车架的整体刚度和质量性能有着重要的影响。对这些参数进行了分析，并探究了它们对性能带宽的影响。为项目平台化车型性能及质量目标设计提供了参考和依据，有助于概念及工程设计阶段实现CAE 驱动CAD 的架构尺寸- 性能- 质量协同精益化开发。

参考文献

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[2] HöFER C. Improved development approach using fast concept modeling and optimization methods[C]//European HyperWorks Technology Conference, 2009.

[3] HILMANN J, PAAS M, HAENSCHKE A, et al. Automatic concept model generation for optimisation and robust design of passenger cars[J]. Advances in Engineering Software, 2007, 38(11-12): 795-801.

[4] DUAN L B, XIAO N C, HU Z H, et al. An efficient lightweight design strategy for body-in-white based on implicit parameterization technique[J]. Structural and Multidisciplinary Optimization, 2017, 55(6): 1927–1943.

[5] 史国宏, 陈勇, 杨雨泽, 等. 白车身多学科轻量化优化设计应用 [J]. 机械工程学报, 2012,48(8):110-114.

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[9] 季枫, 王登峰, 陈书明, 等. 轿车白车身隐式全参数化建模与多目标轻量化优化[J]. 汽车工程, 2014,36(2):254-258.

[10] 王登峰, 蔡珂芳, 马明辉, 等. 基于隐式参数化模型的白车身轻量化设计[J]. 汽车工程, 2018,40(5):610-616,624.