优发娱乐youfa12 > 技术 > Altair > > OptiStruct 与 AMSES 在白车身模态优化中的应用

OptiStruct 与 AMSES 在白车身模态优化中的应用

作者:Simwe    来源:Altair    发布时间:2016-05-18    收藏】 【打印】  复制连接  【 】 我来说两句:(0逛逛论坛

OptiStruct 与 AMSES 在白车身模态优化中的应用
 
OptiStruct And AMSES Application In BIW Modal Optimization

 
朱志峰 郭志伟
(广汽吉奥技术中心 杭州 311200)
 
 
        摘 要: 本文阐述在某款 SUV 白车身模态频率优化提高的过程中,利用 Altair OptiStruct 优化方法, 有效地辨识出对模态频率影响较大的车身部件和结构区域,针对上述部件和区域进行优化改进后, 模态频率提高非常显著,最终达到性能目标。以及利用 OptiStruct 自带的 AMSES 加速模块在保证 精度的前提下,非常显著地缩短了每轮模态计算的求解时间,为类似这种任务周期短、改进方案繁 多的优化工作带来了非常大的帮助。

      关键词: 白车身 模态 OptiStruct AMSES

       Abstract:  In  the  process  of  SUV  BIW  modal  frequency  optimization,  Altair  OptiStruct optimization solver can efficiently identify the body components and structural areas which affect modal frequency. After optimization cases for those components and areas of body, the modal frequency increased significantly and achieved performance targets. And with the OptiStruct AMSES  acceleration  module,  the  time  of  modal  analysis  each  round  reduced  effectively meanwhile analytical precision was reliable, so that for the optimization work which have less project time and have more cases will be verify, Altair OptiStruct and AMSES can provide efficient help.

       Key words: BIW, Modal, OptiStruct, AMSES
 
1 概述

      中国汽车市场飞速发展,车企竞争日趋激烈,拼技术、赶时间、控成本,开发出物美价廉、深 受市场欢迎的汽车产品已成为每个车企追求的目标。汽车有很多重要的性能指标,如安全性、可靠 性、动力性、经济性、乘坐舒适性等,虽然安全可靠、动力十足、节油环保等技术指标非常重要, 但是乘坐的舒适性已经越来越受到关注,汽车的振动噪声(NVH)性能已经成为顾客购买汽车产品 时的主要考虑的因素之一。对于车企来说,好的 NVH 性能会成为汽车产品的重要卖点,所以车企不 断加大在这方面的研究和开发,增加人力财力的投入,让自己产品在市场表现更加突出特色,从而 树立客户的品牌意识。
 
        广汽吉奥,作为广汽集团旗下的自主品牌,立志实现“做强皮卡、做大微面、做精 SUV”的企业 愿景。广汽吉奥某款在研车型,定位于精品城市 SUV 市场,整车全新设计开发,各主要系统设计和 匹配伴随着很多技术难关,在车企新车研发周期普遍较短的环境下,CAE 仿真在吉奥的研发体系中 发挥着极大的作用。对于本款 SUV 车型,CAE 仿真分析工作量大,难度系数和设计目标值要求也 很高,既要保证整车的气动性能、发动机舱热保护关键区域以及除霜、除雾能力,又要评估整车安 全性能是否能够达到新版 C-NCAP 规则(2012)五星级要求,同时,做为广汽吉奥汽车的一大卖点-----整车 NVH 性能,是 CAE 分析工作的重中之重,为保证车型的 NVH 性能,全新车身结构和动力
系统的匹配更需做多轮次的 CAE 校核,整车各主要系统的模态频率以及频率响应分析需做多轮 NVH
优化改进。
 
2 白车身优化
2.1 白车身频率为什么要优化


       本次新设计车型采用全承载式车身结构,全承载式车身几乎承载了车辆使用过程中的各种载荷。 在这些载荷的作用下,车身的刚度特性具有举足轻重的作用。车辆车身刚度的优劣直接影响到其使 用性能的正常发挥,车身刚度不合理,将直接影响车辆的NVH性能、可靠性、安全性、动力响应特 性及燃油经济性等关键性能指标。因此,在新车型开发阶段,尤其是预研阶段,就需要做好指标控 制。由于新车型搭载全新的动力总成,外观造型全新设计等原因,经过首轮CAE分析,新车型初始 白车身设计方案的模态频率不能达到前期制定的目标值,所以必须进行优化,经过分析研究原因主 要有以下几点:
 
 2.1.1 新搭载发动机怠速较高

       由于本车型是基于以往的 SUV 车型平台开发,搭在全新的动力总成,并且新搭载发动机的怠速 要高于老款发动机,从车身模态频率与发动机激励频率需有一定避频范围这个角度来考虑,这就要 求新车型的车身频率要高于原平台车身。新老发动机均采用四缸四冲程发动机。
表 1 新老发动机怠速参数比较
 
原发动机怠速 新发动机怠速 两者怠速相差 两者二阶激励频率相差
650r/min 750r/min 100r/min 3.3Hz
 
2.1.2 外形尺寸变化较大

      基于以往项目经验,针对 SUV 车型或两厢乘用车,对车身扭转刚度、扭转模态频率影响最大区 域的是背门框架结构。新设计车型因为外造型的原因,背门框扭转截面面积比原平台车身小很多, 在背门框上部,新车因为采取了现在市场较为流行的溜背式设计,使设计车背门框上边缘高度低于 原平台车。背门框下部,由于原平台车采取备胎放置于背门后方的形式,所以可以把后地板进行下 沉设计,工具箱就放置在后地板内,所以下沉后的后地板就类似于一根截面很大的横梁,这种结构 有很强的抗扭性能。但新设计车的备胎直接被设计放置于后地板处,所以后地板相对于原平台结构 要更趋于平整,其抗扭特性肯定不如以前。以上原因也造成新设计车的扭转刚度低于原平台车。

2.1.3 关键区域结构减弱

        因为新车型是基于原平台车型进行了轻量化设计,所以背门框区域的部分零件厚度比原型车薄,
其中不少是影响模态频率性能的关键部件。另外对扭转刚度贡献最大的背门框对角 4 个接头区域, 新设计车的结构搭接强度也不及原平台车。这也是新设计车扭转刚度不及原平台车的重要因素。

2.2 白车身优化过程
2.2.1 优化重点区域辨识


       在上述文章中介绍到,影响 SUV 车型扭转刚度最大的结构区域是背门框周边的结构,但这只是 基于以往的主观项目经验得出的结论,还需要客观的数学分析方法来验证。Altair 的 OptiStruct 解算 器是一个非常高效的优化工具,比如利用灵敏度分析方法,可以辨识出哪些部件的厚度对扭转刚度 的影响最大,然后针对这些部件厚度进行优化,从而有效地提高扭转刚度、扭转模态;还可以利用 自由尺寸优化的方法,辨识出哪些结构区域对扭转刚度的影响最大,然后针对上述结构区域进行加 强设计,也可以有效地提高车身扭转刚度。

        图 2 白车身厚度灵敏度分析结果 图 3 白车身自由尺寸优化结果 从灵敏度分析得出,在对扭转模态贡献最大的部件中,背门框周边区域最为集中,这验证了以往项目经验中得到的结论,即对于 SUV 车型的扭转刚度,背门框周边结构影响最大。

        从自由尺寸优化分析得出,背门框对角区域,C 柱下端与地板相连接的区域,是最需要得到加 强的区域,这也验证了以往项目经验中得到的结论,即背门框四个角的结构搭接状况对扭转刚度的 影响非常大。

2.2.2 优化方案描述

       通过上述优化分析结果,再结合以往项目经验,已经明确了本次模态优化的重点区域,接下来 应同设计人员一起,考虑成本、工艺等因素制定针对扭转刚度的优化方案。部分优化方案详细描述 如下,所有方案已经得到了设计人员的确认,会在下一轮 CAD 设计时得到体现。

方案1,紫色部件由1.2增厚至1.5mm,黄色部件由0.8增厚至1.0mm,灰色部件由0.8增厚至1.0mm,单独实施该方案,扭转提高1.5Hz;

方案2,黄色部件是原设计中已经存在的部件,建议在旁边增加绿色部件(厚度1.8mm),红点 为增加的焊点位置,单独实施该方案,扭转提高1.0Hz;

方案 3,修改后围板截面,倒角边缘线往下走 40mm,此方案对扭转刚度贡献很大;单独实施 该方案,扭转提高 1Hz;

方案4,背门框上角,侧围总成与顶盖总成搭接位置增加结构粘胶,同时增加图示两个焊点后, 扭转提高0.3Hz;

方案5,黄色型面往乘员舱内部尽量扩展,目的是加大背门框封闭腔体的截面,单独实施该方案, 扭转提高0.5Hz;

方案6,背门框中段(尾灯旁边),黄色型面往外伸展,加大背门框中段封闭腔体的截面积,独 实施该方案,扭转提高0.3Hz;

方案7,B柱加强板上端增加搭接面积;

方案8,前段纵梁增加搭接面积(紫色和绿色),独实施该方案,扭转提高0.2Hz;

2.2.3 优化方案性能验证

        原平台车一阶扭转 36.0Hz,一阶弯曲 45.5Hz,新设计车搭载的发动机怠速比原平台车高出100r/min,换算成激励频率就高了 3.3Hz。从白车身模态与发动机激励避频的角度考虑,新设计车 一阶扭转至少要大于 39.3Hz。上述优化方案一同实施后,一阶扭转 41.0Hz,一阶弯曲 51.0Hz,已 经达到前期设定的白车身模态频率目标值,并且与优化前状态相比,模态频率已经有了大幅提高。

       在优化过程中,会产生很多优化方案,但是考虑成本、工艺、成型性、工厂工位等因素,不是 每个方案都能实现,这也要求 CAE 工程师对上述知识有一定的经验积累,这样才能比较高效地设计 优化方案,同时在优化方案制定的过程中,设计与工艺相关人员也一定要参与其中。上述优化方案 已经得到相关部门的确认可以实施,改进方案会体现在下一轮设计数据中。
表 2 优化方案实施 1 前后性能对比

3 技术亮点

       在两周的时间内,把白车身的一阶扭转频率提高了 13Hz,把一阶弯曲频率提高了 4.5Hz,如果 没有成熟的优化方法和流程,没有显著提高 CAE 计算时间的工具,仅凭工程师自身的工程经验,这 是很难办到的。Altair 的 OptiStruct 优化工具,和基于模态计算的 AMSES 加速模块为本次优化工作 带来了非常大的帮助。

3.1 灵活运用 OptiStruct 优化方法

        尺寸优化+灵敏度分析:模态频率对于部件本身的质量大小非常敏感,OptiStruct 解算器中的尺 寸优化恰好是针对部件厚度的优化算法,在设定好若干部件的厚度作为变量后,对白车身一阶扭转、 弯曲频率值进行约束,把白车身质量最轻作为优化目标,这样很容易得到上述部件厚度变化的趋势。 在进行尺寸优化的同时,还可以计算料厚的灵敏度,统计出每个部件料厚对于扭转和弯曲模态频率 的贡献值,这样就能非常有目的地针对贡献值较大的部件进行尺寸优化,同时还可以适当减薄贡献 值较小的部件的厚度,最终的目的都是有效地提高白车身的模态频率。

         自由尺寸优化:尺寸优化与灵敏度分析是针对部件的整体厚度,但如果只从部件厚度上做加强, 这样带来的成本压力会很大。自由尺寸优化是针对结构的重点区域,用它可以分析出车身上哪些区 域对于模态频率的贡献值最大,从而首先从这些区域着手做加强设计,这样往往增加的成本较低, 质量增加也不多,但同样也能达到有效地提高白车身模态频率的目的。

3.2 AMSES 加速算法

        对于国内很多车企来说,面对激烈的市场竞争,开发周期短、开发任务重已成为常态。对于吉 奥汽车来说,更是如此。新开发车型面对众多进口、合资品牌产品激烈竞争,欲以优性能、高品质 取胜,在开发时间非常有限的情况,仿真分析任务就显得愈加繁重,提高计算速度和改进效率就尤 为重要。然而,众所周知,对于整车级以及子系统级的 NVH 性能仿真计算,由于模型复杂、动辄近 百万的单元节点数量,受到软件算法与硬件配置的限制,使其数值求解过程通常需要耗费大量的计 算时间。

          模态是研究对象的基本动力学特性,不论是模态分析还是振动噪声的频率响应分析,模态的计 算都是关键。OptiStruct 提供了一种低成本、高效、精确而全面的解决方案,即 AMSES(Automated Multi-level Sub-structuring Eigenvalue Solution)方法,在满足分析精度的前提下,使漫长的求解计 算过程大为缩短,很大程度上提高了计算效率,尤其是在优化改进过程中更为突出。AMSES 方法 是通过矩阵变换的方式将原来具有上百万自由度的模型有效地逐层分解,并缩减为与原模态空间具 有一致性的成百上千个子系统模态。这样,不仅子系统模态可以快速有效的计算,而且在模态空间 内的响应计算也变得非常有效率,对于硬盘空间的占用以及硬盘的读写也会大大减少。从而使得模 态计算与频率响应计算的时间得以缩短。

          通过引入 OptiStruct 的 AMSES 算法,使原来白车身模态几个小时才能算一轮的情况变为半个 小时算一轮,而且计算精度可靠,尤其是在优化改进过程中,这种效率优势更为明显。

4 总结

        白车身模态频率是整车 NVH 性能的一个重要指标,它的高低将对车身的刚度以及车内振动、噪 声等性能产生重要影响。在此次项目中,通过分析研究当已经得出新设计车的白车身模态必须进行 大幅度提高的结论后,如何在短时间内,考虑成本、工艺等实际因素,显著地提高模态频率,成为 项目工作中的难点。Altair OptiStruct 优化工具,能有效地辨识出对模态频率影响较大的车身部件和 结构区域,并且针对上述部件和区域进行优化改进后,模态频率的确提高非常显著,最终达到性能 目标。以及利用 OptiStruct 自带的 AMSES 加速模块在保证精度的前提下,非常显著地缩短了每轮 模态计算的求解时间,为类似这种任务周期短、改进方案繁多的优化工作带来了非常大的帮助。

致谢:本文在写作过程中,得到了澳汰尔公司工程咨询部李颖琎,宋晓磊的支持,在此表示感谢。

5 参考文献
[1]   骨正气主编 《轿车车身》 人民交通出版社 2002
[2] OptiStruct User's Guide, Altair Engineering, 2009
[3] Joseph C. Benedyk. Light Materials in Automotive Applications[J]. Light Metal Age.2000(10):
34-35
 
分享到: 收藏