前瞻性的设计与优化

作者：LMS国际公司

欢迎访问e展厅 展厅 2 CAE/模拟仿真展厅 通用有限元分析软件, 结构分析软件, 动力学分析软件, 声学分析软件, 板料冲压成形模拟软件, ... 控制成本、减轻重量，为客户交付高质量、高性能和高安全性的汽车是每个汽车OEM厂商追求的目标，在汽车开发早期就对关键属性进行设计与优化，对于尽快向市场推出创新车型尤为重要。LMS公司助力三菱汽车集团开发汽车平台以加速满足多项指标汽车的上市。 更快地将崭新设计的多种变型汽车推向市场，同时控制成本，减轻重量，交付高质量、高性能和高安全性的汽车是每个汽车OEM厂商追求的目标。为了实现这些严峻的目标，三菱汽车集团正与LMS公司结成战略合作伙伴关系，共同研究在汽车开发早期对关键属性实现前瞻性设计及优化。最近，在LMS公司的支持下，三菱汽车集团在一款新的具有多个设计车身的小型车开发平台上成功实现了上述目标。 迎接开发的挑战 最近，三菱汽车集团与LMS公司就一项战略发展项目达成共识，该项目有两个目标：共同开发一个适合多个白车身要求的全新小型车平台；同时，基于LMS Virtual.Lab突出的仿真能力，建立一个更优、更高效的开发工作流程。该项目关注于在概念设计阶段早期进行功能属性设计，并且对各部件和子系统的后续详细设计提供指导。这使得三菱公司在早期的开发过程，甚至在详细的CAD设计之前，就可以消除一系列缺陷和潜在问题。 在详细设计和工程实施阶段，三菱汽车集团和LMS公司还实施了一套新方法，这使得三菱汽车集团的工程师在设计产品的同时可以优化各个部件和子系统，可以用比通常少得多的时间实现需要的性能指标。 概念设计 在项目的概念设计阶段，为了适应新平台的底盘设计要求，需要开发出4种白车身的外形。根据最初的白车身的外形信息（包括外形和各断面的形状），初步的平台需要设计细化。同时，需要详尽研究第一个白车身的概念设计，以便为CAD设计提供依据。设计过程中最主要的挑战在于，在没有任何白车身数据可参考以及很少的汽车开发平台数据的情况下进行最优性能的概念设计，包括车体的刚度、操纵稳定性、碰撞性、耐久性以及振动、噪声等。三菱汽车集团和LMS公司致力于特殊的子流程：首先快速建立应用于整个平台和适于进行不同的属性研究的白车身的有限元模型；第二步，获得为各种属性分析所需的精确的载荷信息；第三步，运用有效的方法找出问题点，同时评估设计修改对关键属性的影响。 由于目前还没有关于白车身的详细的模型信息可被用于该平台的概念开发，工程师们只有对旧车型有限元模型进行网格变形，以满足不同车身的新外形，创建仿真模型。LMS Virtual.Lab的网格变形功能和基于网格的设计功能，可以实现将一个既有的有限元网格拉伸成新的目标形状。 通过将以往车型的试验数据，以及悬置系统整车多体动力学仿真相结合，可以估算出进行耐久性分析所需的载荷。另一方面，实测的悬置与发动机邻接处的载荷作为振动噪声分析的工况条件。其次，通过对由网格变形建立的模型以及获得的载荷，运用多属性优化法可以发现设计平台、白车身设计中的缺陷。基于这些结果，平台的概念设计确立下来的同时，初步设计中就已经考虑了车身的相关关键性能，包括振动、噪声、声学、白车身刚度、耐久性和碰撞性等。底盘与发动机悬置的布置方案和衬套刚度初值的确定，就已经考虑到操稳性，如舒适性、摆振, 动力装置的摇晃以及怠速振动等。 详细设计 在详细设计阶段，通用的做法是对各属性就CAE模型进行逐个修改和再分析直至模型确定。这一做法通常费时费力，需要多次循环来解决经常相互冲突的多个性能参数的需求。如车身重量和碰撞性能、驾驶舒适性和操纵性能。通过运用新的开发方法，三菱汽车集团的工程师采用积木式构建的方法将多体动力学仿真与反映了多种部件和子系统车辆特性的有限元模型相结合，以详细的仿真来分析出白车身的缺陷并进行改进，概念设计阶段确定的载荷也被应用于这一整车模型进行振动、噪声、操稳性、耐久性分析。这使得他们能够快速地洞察一些潜在现象，并且方便地进行设计选择评估。 为了能在几个星期的时间内完成这一过程，借助LMS Virtual.Lab Optimization软件开展多属性优化，来评价每个设计参数的贡献量以及设计修改对整个设计的影响。使用这种方法可以开发出最优的设计，同时能够对多个关键属性进行权衡。例如，通过同时考虑行人的安全、汽车的内场声学设计以及汽车的操作性使得工程师们可以设计出性能更优的发动机顶盖。为了确保行人的安全，要求顶盖具有较低的刚度；为了确保最佳的操纵性，应该增加前部吸振器连接点的侧面刚性；为了使通过前风挡和仪表盘传递来的发动机引擎噪音降到最低，车身结构模态与车内空腔声模态需要综合考虑等。三菱汽车集团位于日本冈崎的汽车开发工程中心，CAE和数字开发部门经理Shiozaki说：“在短时间内具有同时优化所有相关的变量的能力，大大节省了开发时间，也提高了汽车设计的整体质量。” 设计确认 在确认阶段，三菱汽车集团应用LMS公司的混合仿真法，来验证汽车设计配置并为修改那些未达目标的功能需求提供指导。通过LMS Virtual.Lab可以将对实物原型测得的力应用到仿真模型中来预测车辆的性能。对模型可以方便地进行许多设计更改和再验证，而不再是对多个实物样机进行制造、再试验，从而减少了许多实物试验。例如，为了改进内部声学，采用了一个包含有副车架有限元模型的混合模型，该模型通过基于频率响应函数(FRF Based Substructure)的子结构综合得到，通过施加由试验获得的载荷，可以预测车底板的振动和车内由路面激励引起的噪声。在这些结果的指导下，三菱汽车集团和LMS公司的工程师们精心匹配了悬置系统的模态，使之与车身和副车架的模态协调，从而降低了车内噪声水平。混合仿真的另一个优点是，由试验数据和有限元结果通过FBS耦合（FRF Based Substructure），对于由道路和发动机引起的噪声分析时具有更宽的频响范围。使用验证后的仿真模型这一方法，对于传统的，在最后阶段进行大量反复的样车试验，花费大量人力、物力寻找出各种问题的根源，再通过设计修改来消除这些问题的方法，是一个极大的突破。 结束语 Shiozaki表示，这一新过程的开展和使用，使得三菱公司在车身刚性、驾乘舒适性、操纵性、碰撞性、耐久性以及噪声、振动和平顺性等方面有效地满足汽车的重要指标。另外， 三菱公司缩短了开发整车实物原型的周期，避免了在最后对整车质量进行折中妥协。最后，LMS Virtual.Lab中Morping(网格变形)、Structures(结构)、Acoustics(声学)软件的采用，使得汽车开发比以往设计流程的周期加快了50%。 (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (10/18/2007)