基于响应面的白车身轻量化多目标优化设计.pdf
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1、Modeling and Simulation 建模与仿真建模与仿真,2023,12(4),3781-3793 Published Online July 2023 in Hans.https:/www.hanspub.org/journal/mos https:/doi.org/10.12677/mos.2023.124346 文章引用文章引用:张健,吕俞祥,李家俊,娄万里,刘会霞.基于响应面的白车身轻量化多目标优化设计J.建模与仿真,2023,12(4):3781-3793.DOI:10.12677/mos.2023.124346 基于响应面的白车身轻量化多目标优化设计基于响应面的白车身轻
2、量化多目标优化设计 张张 健健1,吕俞祥,吕俞祥1,李家俊,李家俊1,娄万里,娄万里2,刘会霞,刘会霞1*1江苏大学机械工程学院,江苏 镇江 2上海埃立曼科技有限公司,上海 收稿日期:2023年5月31日;录用日期:2023年7月12日;发布日期:2023年7月18日 摘摘 要要 针对某车型的轻量化需求,本文结合灵敏度分析法和代理模型法实现白车身在扭转刚度和模态约束下的针对某车型的轻量化需求,本文结合灵敏度分析法和代理模型法实现白车身在扭转刚度和模态约束下的多目标优化。首先建立某车型白车身有限元模型,对模态、弯曲刚度、扭转刚度进行数值分析,掌握结多目标优化。首先建立某车型白车身有限元模型,对模
3、态、弯曲刚度、扭转刚度进行数值分析,掌握结构的基础性能。接着以车身板件厚度为设计变量,进行弯曲刚度、扭转刚度及模态频率的综合性能灵敏构的基础性能。接着以车身板件厚度为设计变量,进行弯曲刚度、扭转刚度及模态频率的综合性能灵敏度分析。然后根据灵敏度分析结果,筛选出度分析。然后根据灵敏度分析结果,筛选出15个板件厚度作为变量,通过哈默斯雷采样法采样个板件厚度作为变量,通过哈默斯雷采样法采样150个,并个,并由此构建响应面模型。最后采用由此构建响应面模型。最后采用GRSM响应面优化法对白车身进行多目标优化,并获得响应面优化法对白车身进行多目标优化,并获得Pareto最优解集最优解集。根据轻量化目的选取
4、最优结果,结果显示:在刚度、根据轻量化目的选取最优结果,结果显示:在刚度、模态等性能参数满足要求的同时,实现白车身减重模态等性能参数满足要求的同时,实现白车身减重3.7%,实现了轻量化目的。,实现了轻量化目的。关键词关键词 白车身白车身,轻量化轻量化,多目标优化多目标优化,GRSM响应面法响应面法 Multi-Objective Optimization Design of Body-in-White Lightweight Based on Response Surface Jian Zhang1,Yuxiang Lv1,Jiajun Li1,Wanli Lou2,Huixia Liu1*1
5、School of Mechanical Engineering,Jiangsu University,Zhenjiang Jiangsu 2Shanghai Elliman Technology Co.,Ltd.,Shanghai Received:May 31st,2023;accepted:Jul.12th,2023;published:Jul.18th,2023 Abstract Aiming at the lightweight requirements of a certain model,this paper combines the sensitivity *通讯作者。张健 等
6、 DOI:10.12677/mos.2023.124346 3782 建模与仿真 analysis method and the proxy model method to realize the multi-objective optimization of the body-in-white under torsional stiffness and modal constraints.Firstly,the finite element model of a certain model body-in-white is established,and the modal,bending
7、stiffness and torsional stiffness are numerically analyzed to grasp the basic performance of the structure.Then,taking the thick-ness of the body panels as the design variable,the comprehensive performance sensitivity analysis of bending stiffness,torsional stiffness and modal frequency was carried
8、out.Then,according to the sensitivity analysis results,15 plate thicknesses were screened out as variables,and 150 were sam-pled by Hamersray sampling method,and the response surface model was constructed.Finally,the GRSM response surface optimization method is used to perform multi-objective optimi
9、zation of the body-in-white,and the Pareto optimal solution set is obtained.According to the optimal results for the purpose of lightweighting,the results show that while the performance parameters such as stiffness and mode meet the requirements,the weight of the body-in-white is reduced by 3.7%,an
10、d the purpose of lightweight is achieved.Keywords Body-in-White,Lightweight,Multi-Objective Optimization,GRSM Response Surface Method Copyright 2023 by author(s)and Hans Publishers Inc.This work is licensed under the Creative Commons Attribution International License(CC BY 4.0).http:/creativecommons
11、.org/licenses/by/4.0/1.引言引言 汽车的轻量化对于节能环保具有重要的意义。欧洲铝业协会根据大量的研究数据进行分析,得出以下结论:当汽车的整车重量下降 20%时,汽车油量的消耗可以减少 20%,能源的效率将会升高 10%18%,尾气的污染物排放量会减弱 10%12%1。此外,汽车质量每减少 100 kg,每升油可多行驶 1 km。而白车身是汽车的基础,质量占整车的 40%左右,因此对白车身展开轻量化研究已经成为当今汽车行业的重要研究课题。安徽理工大学的王小睿通过结构优化设计白车身的轻量化方案,减少了部分零件的料厚,优化部分零件的形状、尺寸,基本实现了减重目标2。重庆理工大学
12、的王权局部采用结构尺寸设计、平台CMAN 选型设计、安装结构轻量化设计使白车身减重,并基于灵敏度分析对白车身板件进行尺寸优化3。天津科技大学的李义东首先确定哪些板件对白车身动态特性的修改最为有效,根据灵敏度分析结果确定以 20 个相对敏感的板件作为优化对象。然后通过尺寸优化及牛顿法获得板件最优厚度值。最终提升白车身一阶扭转模态频率的同时降低白车身总质量4。Duan Li Bin 提出了一种基于厚度的子域混合元胞自动机(T-SHCA)算法来解决侧面碰撞下白车身的轻量化设计,并基于高效的全局优化算法对某白车身厚度进行了优化,验证了其收敛性和高效性5。近似模型拟合方法是通过将试验设计得到的样本点输入
13、与响应输出拟合成为高精度的数学模型,来逼近设计变量与响应的关系。由于白车身轻量化需要考虑模态、刚度等多个性能,而直接调用有限元模型进行迭代分析,需要耗费大量时间。因此本文采用代理模型技术和有限元分析相结合的方法。首先采用灵敏度分析方法来分析车身板件厚度对质量、弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯扭频率的灵敏度程度,由此计算相对灵敏度并进行排序,从而选择优化设计变量。进而通过 HyperStudy 软件,通过哈默斯雷采样法采样,并进行拟合,最后通过拟合的响应模型结合 GRSM 优化算法多次迭代获得 Pareto 最优解集,从而得到最优轻量化方案。Open AccessOpen Access张健 等 DOI
14、:10.12677/mos.2023.124346 3783 建模与仿真 2.白车身建模及性能分析白车身建模及性能分析 2.1.车身有限元建模车身有限元建模 本文基于 HyperMesh 建立某车型白车身有限元模型,如图 1 所示。车身板件采用以四边形为主的壳单元进行网格划分,焊点采用 ACM 单元,胶体采用实体单元。整个有限元模型单元总数为 784,267,节点数为 896,790,总重量为 0.3645 吨。本文的主要研究目的是通过尺寸优化达到白车身的轻量化目的,所以白车身钣金件材料都赋予普通钢材。其车身主要材料及其对应参数如下表 1 所示。Figure 1.Body in white f
15、inite element model 图图 1.白车身有限元模型 Table 1.Body in white material 表表 1.白车身材料 材料名称 弹性模量(Mpa)泊松比 密度(ton/mm3)Steel 206800 0.3 7.85 109 Glass 71000 0.25 2.7 109 Glue 60 0.49 1.1 109 2.2.自由模态分析自由模态分析 对车身的模态分析是指通过研究整车及车身局部零部件的振型及各阶固有频率6,进而对局部结构进行修改,以改变其振型,避免汽车在使用过程中产生共振,起到降低噪声提高舒适度的作用7。白车身结构模态分析要求计算模型不添加任何
16、约束和加载,分析结果得到的是自由模态。本文采用 optistruct求解器研究其模态振型,由于对白车身振动响应的影响较大的激励多集中在低频域,故本文仅研究前 6阶模态。其振型图如图 2图 7 所示,其振型和频率数值如表 2 所示。Figure 2.Body-in-white first-order modality 图图 2.白车身一阶模态 张健 等 DOI:10.12677/mos.2023.124346 3784 建模与仿真 Figure 3.Body-in-white second-order modality 图图 3.白车身二阶模态 Figure 4.Body-in-white th
17、ird-order modality 图图 4.白车身三阶模态 Figure 5.Body-in-white fourth-order modality 图图 5.白车身四阶模态 Figure 6.Body-in-white fifth-order modality 图图 6.白车身五阶模态 张健 等 DOI:10.12677/mos.2023.124346 3785 建模与仿真 Figure 7.Sixth-order mode of body-in-white 图图 7.白车身六阶模态 Table 2.Free mode shape and frequency 表表 2.自由模态振型及频率
18、 阶数 振型描述 振型频率/Hz 1 一阶扭转模态 35.10 2 前端扭转局部模态 36.28 3 一阶弯曲模态 41.51 4 前端横梁纵向弯曲局部模态 45.44 5 前端左右轮胎外罩板局部模态 49.71 6 前端横向弯曲模态 50.73 2.3.白车身弯曲刚度分析白车身弯曲刚度分析 白车身弯曲刚度体现了车身抵抗垂向载荷作用下发生弯曲变形的能力8。在有限元模型中弯曲工况边界条件为:约束左前减震塔中心点 Y 向、Z 向平动自由度,约束右前减震塔中心点 Z 向平动自由度,约束左后减震塔中心点 X 向、Y 向、Z 向平动自由度,约束右后减震塔中心点 X 向、Z 向平动自由度9。载荷条件为:在
19、前后减震塔中心线对应的门槛梁上各施加 Z 向负 1000 N 的力。白车身的弯曲刚度 Kb通常用车身收到的总载荷 F 与加载点在受力方向上的最大位移 Zmax的比值来表示,其计算公式如式 maxbFKZ=(1)根据加载后的位移云图如图 8 得到加载点的位移分别为0.173 mm 和0.177 mm,并由此计算出最大位移 Zmax为0.175 mm,代入式(1)可得弯曲刚度为 11428.5714 N/mm。Figure 8.Bending case loading diagram 图图 8.弯曲工况加载图 张健 等 DOI:10.12677/mos.2023.124346 3786 建模与仿真
20、 2.4.白车身扭转刚度分析白车身扭转刚度分析 白车身扭转刚度是衡量车身抵御垂直反向载荷作用下发生结构扭转变形的能力,是车身扭转性能的体现。在有限元模型中扭转工况边界条件为:约束左后减震塔中心点 X 向、Y 向、Z 向平动自由度,约束右后减震塔中心点 X 向、Z 向平动自由度,约束前保险杠中间点 Z 向平动自由度。载荷条件为:根据扭矩值 Mr 为 2000 Nm,左右减震塔的中心距离 L 为 1181.937 mm,在前处左右减震塔分别施加 Z 向相反方向的 1692.138 N 的力。白车身的扭转刚度 Kt 通常用车身所加载荷的扭矩值 Mr 与轴间相对扭转角 的比值来表示,其计算公式如式(2
21、)所示:rtMK=(2)轴间相对扭转角 的计算公式如(3)所示 12arctanddL=(3)式中,d1、d2分别是左右减震塔加载点的 Z 向位移,L 是左右减震塔的距离。根据加载后的位移云图如图 9,得到加载点的位移分别为 1.227 mm 和1.232 mm,将数值代入式(2)式(3)中,得到了扭转角为 0.1192和扭转刚度为 16778.5235 Nm/。Figure 9.Torsional loading diagram 图图 9.扭转工况加载图 3.白车身灵敏度分析白车身灵敏度分析 灵敏度是指某一个响应的数值随着某一设计变量变化的比率。在工程中,为了准确衡量车身某个板件对整个车身的
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