基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

考新橋

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

考新橋

（德州學(xué)院汽車工程學(xué)院，山東 德州 253023）

隨著社會(huì)的發(fā)展與進(jìn)步，汽車已經(jīng)成為人們生活中不可或缺的重要交通工具，其應(yīng)用價(jià)值與社會(huì)價(jià)值是不可忽視的，但是隨之而來能源消耗、環(huán)境污染問題等也變得愈發(fā)嚴(yán)峻。環(huán)保、能源高效利用、安全等已經(jīng)成為現(xiàn)代社會(huì)發(fā)展的主題。為了滿足三個(gè)主題的發(fā)展需求，必須對(duì)現(xiàn)代汽車產(chǎn)業(yè)進(jìn)行優(yōu)化，創(chuàng)新汽車設(shè)計(jì)模式，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，提高石油資源高效利用的目的，符合現(xiàn)代社會(huì)節(jié)能減排的理念，是新時(shí)期汽車行業(yè)發(fā)展的趨勢(shì)。為此，本文就基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法予以分析，旨在為后續(xù)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)借鑒。

近似模型；汽車；輕量化設(shè)計(jì)；方法

10.16638/j.cnki.1671-7988.2016.11.014

CLC NO.: U465 Document Code: A Article ID: 1671-7988（2016）03-03-11-36-03

近些年，我國(guó)的汽車產(chǎn)業(yè)得到了全面的發(fā)展，銷售額度逐漸上升，每家每戶平均都有一輛私家車，私家車數(shù)量逐漸增多，不僅為交通系統(tǒng)帶來負(fù)擔(dān)，也衍生了環(huán)境污染、能源過渡消耗等多種問題，得不償失。為了緩解當(dāng)前機(jī)動(dòng)車所引起的能源、環(huán)境等問題，以近似模型為前提，對(duì)汽車進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，及時(shí)改善汽車的性能，使汽車的重心下移，底盤降低，有利于增強(qiáng)汽車行駛時(shí)的性能，也會(huì)讓駕駛者、乘客倍感舒適。與此同時(shí)，輕量化設(shè)計(jì)還可增強(qiáng)汽車的彈性功能，提升抗側(cè)翻的能力，值得在汽車生產(chǎn)領(lǐng)域應(yīng)用。

1、移動(dòng)最小二乘近似模型下的汽車輕量化設(shè)計(jì)

現(xiàn)如今，汽車已經(jīng)成為人們生活中的重要交通工具之一，且對(duì)汽車使用價(jià)值的要求很高，保證汽車性能的穩(wěn)定性，提高汽車行駛的安全性是首要考慮的話題。影響汽車安全性的因素為變形吸能的零部件，如耐撞盒、前縱梁等。這些零部件在運(yùn)行的過程中，會(huì)對(duì)汽車碰撞時(shí)的加速度或力構(gòu)成很大的影響，可見，保證薄壁吸能部件的質(zhì)量是關(guān)鍵，也是汽車開展輕量化設(shè)計(jì)的關(guān)鍵所在。僅僅依靠?jī)?yōu)化設(shè)計(jì)薄壁吸能零部件是不夠的，還要深度研究汽車的高強(qiáng)度鋼板在吸能上的特征表現(xiàn)。為此，以DP600高強(qiáng)度鋼的吸能盒為對(duì)象[1]，將多種近似模型應(yīng)用到研究中，發(fā)現(xiàn)其中最為有效的當(dāng)屬移動(dòng)最小二乘近似模型，能及時(shí)獲取大變形、非線性數(shù)據(jù)以及噪聲等信息，該模型的應(yīng)用取得了理想的效果，通過不斷的探索與實(shí)踐，將其應(yīng)用到汽車的全車輕量化設(shè)計(jì)之中。

圓形吸能盒耐碰撞性的近似模型設(shè)計(jì)，應(yīng)針對(duì)吸能盒耐撞問題進(jìn)行研究，將多項(xiàng)式響應(yīng)面近似模型、Kriging響應(yīng)面近似模型以及移動(dòng)最小二乘近似模型應(yīng)用其中[2]，將DP600高強(qiáng)度鋼的吸能盒作為研究與實(shí)驗(yàn)對(duì)象，該材料的具體信息如表1所示。

表1　鋼種DP600的相關(guān)參數(shù)

通過研究與實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，對(duì)圓形吸能盒耐碰撞性采用這三種近似模型，針對(duì)吸能性能予以對(duì)比，其中，采用移動(dòng)最小二乘近似模型時(shí)誤差相對(duì)較小，主要是對(duì)隨機(jī)位置點(diǎn)的評(píng)估值與真實(shí)值進(jìn)行對(duì)比而得出的，運(yùn)用該模型能及時(shí)解決在汽車設(shè)計(jì)中吸能盒耐撞性中關(guān)于高度非線性、大變形等問題，選擇移動(dòng)最小二乘近似模型最為適宜。若從碰撞力的角度來看，在比吸能的響應(yīng)上來看，運(yùn)用三種模型中的任何一個(gè)都能達(dá)到理想的效果，若選擇多項(xiàng)式近似模型，其可大大節(jié)省成本。而在噪音處理上，選擇移動(dòng)最小二乘近似模型最為恰當(dāng)。

表2　移動(dòng)最小二乘近似模型響應(yīng)面的精度

2、多學(xué)科設(shè)計(jì)近似模型下的汽車輕量化設(shè)計(jì)

在汽車設(shè)計(jì)之中，會(huì)存在著諸多的不確定因素，載荷情況、材料性質(zhì)、零件的形狀、外部環(huán)境等都是變量[3]，始終處在變化之中，會(huì)影響汽車輕量化設(shè)計(jì)的效果。由于汽車整個(gè)車身的零部件較多，若不注意就會(huì)出現(xiàn)嚴(yán)重磨損、變形、超載等情況，會(huì)影響汽車的性能。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化簡(jiǎn)稱為MOD，是從美國(guó)興起的，被廣泛的應(yīng)用到航天領(lǐng)域、軍事領(lǐng)域中。MOD算法主要包括多學(xué)科可行性、并行子空間以及協(xié)同優(yōu)化算法[4]。

其中多學(xué)科可行性優(yōu)化算法的模型為：

在本模型中，xd代表設(shè)計(jì)變量，輸出變量為u（xd），以兩個(gè)變量為條件，對(duì)f{x,u(x)}、g{x,u(x)}≤0,i =1,2,,n兩個(gè)函數(shù)予以評(píng)估。

協(xié)同優(yōu)化算法的模型為：

在此模型中，f(xs)屬于系統(tǒng)性函數(shù)，其中xs為設(shè)計(jì)變量，xsij則是代表第j個(gè)系統(tǒng)時(shí)的設(shè)計(jì)變量，i代表第幾個(gè)學(xué)科，而P則代表設(shè)計(jì)的主要參數(shù)。

圖1　多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模型圖

汽車設(shè)計(jì)工作的開展，涉及的內(nèi)容點(diǎn)較多，其是一項(xiàng)多學(xué)科設(shè)計(jì)的過程，提倡輕量化設(shè)計(jì)模式的應(yīng)用，以達(dá)到環(huán)保、節(jié)能、安全的汽車設(shè)計(jì)與制造目標(biāo)，積極響應(yīng)現(xiàn)代社會(huì)的發(fā)展需求，將多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化模式應(yīng)用其中是正確選擇。

3、汽車耐撞性模型下的汽車輕量化設(shè)計(jì)

3.1汽車板材的選擇

現(xiàn)如今，應(yīng)用到汽車領(lǐng)域的材料在不斷開發(fā)，諸多新型的汽車制造材料被挖掘出來，但是仍舊無法全面代替汽車制造過程中所需的鋼材，因此，鋼材仍舊是現(xiàn)代汽車車身設(shè)計(jì)的主要結(jié)構(gòu)材料。高強(qiáng)度鋼板的出現(xiàn)，能適度的減少汽車在鋼材上的使用量，進(jìn)而會(huì)減輕汽車本身的重量，實(shí)現(xiàn)汽車的輕量化設(shè)計(jì)，且材料成本較低，值得被應(yīng)用到的汽車設(shè)計(jì)領(lǐng)域。CAE技術(shù)、數(shù)值優(yōu)化技術(shù)的出現(xiàn)，能及時(shí)對(duì)車輛在碰撞上的安全系數(shù)、噪聲與振動(dòng)情況進(jìn)行分析[5]，能通過各項(xiàng)數(shù)據(jù)的羅列，能在汽車設(shè)計(jì)中做到智能化選材。

為此，就汽車板材、耐撞吸能性進(jìn)行分析，就板材的質(zhì)量、特點(diǎn)等內(nèi)容予以深度闡述。汽車板屬于薄鋼板，且很多零部件都是采取沖壓的方式而成形的。蓋板、車門屬于車身的覆蓋件，而內(nèi)部的構(gòu)件主要為支撐的筋板、梁等。一般情況下，汽車沖壓板的尺寸較大，形狀比較復(fù)雜，材料較薄，對(duì)整個(gè)部件表面要求很高，若部分區(qū)域遭受外力干擾極易發(fā)生變形，會(huì)對(duì)部件構(gòu)成嚴(yán)重的威脅，最終形成廢件。現(xiàn)如今，常見的汽車制造所需鋼板有深沖鋼板、高強(qiáng)度鋼板、鍍層鋼板、超低碳超深沖鋼板以及復(fù)合型鋼板五種。其中，高強(qiáng)度鋼板在汽車的輕量化設(shè)計(jì)中占據(jù)著優(yōu)勢(shì)。

3.2車體側(cè)面碰撞優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

為了深度開展汽車的輕量化設(shè)計(jì)工作，本文選取了整輛車的側(cè)面碰撞有限元模型來開展優(yōu)化設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)，如圖2所示。

圖2　整車側(cè)面碰撞有限元模型

圖3 選材的零部件

準(zhǔn)備好仿真車后，應(yīng)保證小車以55km/h的速度進(jìn)行撞擊，保證撞擊在規(guī)定時(shí)間內(nèi)完成。借助計(jì)算機(jī)系統(tǒng)對(duì)的碰撞有限元的相關(guān)數(shù)據(jù)與信息進(jìn)行分析，選取車體的側(cè)面為研究對(duì)象，如圖3所示，進(jìn)行數(shù)值優(yōu)化設(shè)計(jì)，從中選擇最優(yōu)的材料匹配對(duì)象，旨在提升汽車側(cè)面碰撞的安全性。通過研究與實(shí)踐，最終獲得側(cè)面碰撞選材的數(shù)學(xué)模型：

在該模型的關(guān)系式中，xim表現(xiàn)零件，其屬于一個(gè)變量，取值主要為幾種鋼種，而P1d、P2d、P3d則分別是P1、P2、P3滲透量的最大值，而P1v、P2v、P3v則為三個(gè)點(diǎn)的滲透速度。P1、P2、P3三點(diǎn)為模型響應(yīng)測(cè)驗(yàn)時(shí)所選擇的點(diǎn)，如圖4所示。

圖4　

4、總結(jié)

綜上所述，基于近似模型的汽車輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì)方法的應(yīng)用，能為后續(xù)汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展提供技術(shù)借鑒，能設(shè)計(jì)出更為優(yōu)質(zhì)的汽車制造方案，旨在滿足現(xiàn)代社會(huì)對(duì)汽車這種交通工具環(huán)保、節(jié)能與安全的要求。將近似模型應(yīng)用到汽車的輕量化設(shè)計(jì)中，以多項(xiàng)式響應(yīng)面近似模型、移動(dòng)最小二乘近似模型、Kriging近似模型等的應(yīng)用為主，對(duì)汽車的輕量化設(shè)計(jì)提出了重要的保障。隨著汽車設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的不斷革新，汽車輕量化設(shè)計(jì)取得了實(shí)質(zhì)性的進(jìn)度，可見，汽車輕量化設(shè)計(jì)前景廣闊。

[1]馬石磊,李方義,李劍峰,何洋. 基于稀疏網(wǎng)格的近似模型及其在輕量化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[J]. 機(jī)械工程學(xué)報(bào),2013,07:43-50.

[2]廖代輝,成艾國(guó),鐘志華. 基于變復(fù)雜度近似模型的汽車安全性和輕量化優(yōu)化[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2013,15:2118-2121+2129.

[3]朱劍峰,林逸,史國(guó)宏,寇宏濱,姜欣,王水瑩. 實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與近似模型結(jié)合下的副車架結(jié)構(gòu)輕量化優(yōu)化[J]. 汽車工程,2015,02:247-251.

[4]王國(guó)春,成艾國(guó),顧紀(jì)超,宋凱,鐘志華. 基于混合近似模型的汽車正面碰撞耐撞性優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]. 中國(guó)機(jī)械工程,2011,17:2136-2141.

[5]陳文波. 基于近似模型和優(yōu)化算法的車門結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)研究[J]. 機(jī)電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新,2016,03:87-89.

Automobile lightweight optimization design method based on approximation model

Kao Xinqiao
（School of automotive engineering, Dezhou University, Shandong Dezhou 253023）

Along with society's development and progress, the car has become the indispensable important means of transport of people's lives, its application value and social value cannot be ignored, but the resulting energy consumption and environmental pollution has become increasingly serious. Environmental protection, energy efficient utilization, security has become the theme of the development of modern society. In order to meet the demand of the development of the three topics, must optimize the modern automobile industry, automobile design innovation model, realizes the auto lightweight design, improve the purpose of efficient utilization of petroleum resource, conforms to the concept of energy conservation and emissions reduction in modern society, is the trend of the development of the automobile industry in the new period. Therefore, in this paper, the auto lightweight optimization design method based on approximate model analysis, aims to provide technical reference for subsequent development of auto industry.

The approximate model; Car; Lightweight design; methods

U465 文獻(xiàn)表示碼：A

1671-7988（2016）03-03-11-36-03

考新橋（1994-），男，就讀于德州學(xué)院，專業(yè)：交通運(yùn)輸。

指導(dǎo)教師：孟俊煥（1970-），女，副教授，就職于德州學(xué)院，研究方向：機(jī)械制造及自動(dòng)化，從事機(jī)械新產(chǎn)品設(shè)計(jì)研究工作。