第21卷第2期 2012年4月 计算机辅助工程 Computer Aided Engineering VO1.21 No.2 AIIr_20l 2 文章编号:1006—087I(2012)02—0042—04 基于隐式参数化的白车身建模方法 瞿晓彬,戴轶 (上海汽车集团股份有限公司技术中心,上海201804) 摘要:针对利用传统方法进行新车型概念设计时,需要在大量待选方案的基础上分别建立CAD模 型和CAE模型,耗费大量人力和时间的问题,介绍车身隐式参数化建模的基本构成元素和高级构 成元素、多层面建模技术和映射连接技术,以及基于隐式参数化的车身建模思路;对某车型前部白 车身进行隐式参数化建模;对参数化模型与原有限元模型进行碰撞仿真分析和对比,结果表明用隐 式参数化建模方法进行车型概念开发可行,能实现早期开发中车辆结构性能的快速评估. 关键词:隐式参数化;白车身;概念设计;多层面建模;映射连接;碰撞仿真:有限元 中图分类号:U463.821;TB115.1 文献标志码:B Modeling method of vehicle body in white based on implicit DarametrlZatl0n J ■ ■ QU Xiaobin,DAI Yi (Technical Center,SAIC MOTOR Co.,Ltd.,Shanghai 201804,China) Abstract:As to the faet that lots of manpower and time are spent tbr conceptual design of Flew vchicle type in traditional method,by which many CAD models and CAE models need to be established f0r a large number of programs to be selected,the basic and advanced elements and the techniques of multilayer plane modeling and mapping link in implicit paraInetrization modeling of vehicle body al’e introduced,and the vehicle body modeling ideas based OH implicit parametrization are briefed;the front of the body in white is modeled tor a vehMe;the crash simulations based on the parametrization model an(1 the original finite element model are analyzed an(1 compared.and the resuhs indicate tt1}lI it is feasible to use the implicit parametrization roodeling method to perfornl conceptual velitle develtopment, which can implement the rapid evaluation Oil vehicle structure performance in early development. Key words:implicit parametrization;velicle body in whifte;conceptual design;muhilayeJ’plane modeling;mapping link;( ̄rash simulation;finite elelnent 0 引 —口 .:L 将CAE技术应 于设计研发流程,已在全球汽 车行业内受钊广泛认可,并且在碰撞,NVH,耐久性 以及其他各个方面的性能评估中体现出口大的价 收稿日期:201I一03—22修回日期:2011—04—08 值.模拟的精度取决于模型的逼真度,包括几何模型 和不同材料的行为特性.但是,这种高可信度的分析 模型需要在CAD模型最终确定后才能得钊,网此只 有 得到最终没计模型后才能进行仿真分析. 车 型研发的早期设汁阶段,一般需要研究大量的车身 基金项目:上海市科技人才计划(09QB140260o) 作者简介:耀晓彬(I 982一),男,江苏张家港人,工程师,硕士,研究方向为结构耐久性CAE分析,(E-mail)quxia【lbin02@salemI】trlr_('orfl Imp:// WWW.('hitit|( ̄ac.C/} 第2期 瞿晓彬,等:基于隐式参数化的白车身建模方法 43 结构待选方案,有时甚至需要考虑完全不同的组件 布置方案和载荷路径策略.若按照传统方法,需针对 每种方案分别建立CAD模型,然后再建立CAE模 型,这必将耗费大量的人力和时间. 隐式参数化建模技术正是在这样的背景下应运 而生的.通过使用SFE CONCEPT软件对原始几何 模型进行参数化描述,使得研发人员在早期设计阶 段很容易操纵几何设计变量,还可由其参数化几何 模型自动生成有限元模型,进而实施概念评估,大大 降低早期设计阶段变更CAD模型和CAE模型的难 度,真正实现CAE驱动设计. 1 隐式参数化白车身建模 1.1隐式参数化模型 传统的参数化技术指设计人员通过一系列抽象 参数的输人,而不是利用诸如多项式等数学描述实 现几何体的创建和修改,几何体之间的关系只可通 过线性方程组描述,称为显式参数化._2 在隐式参 数化描述中,单个模型的几何形状只由控制点位置、 基准线线形和截面形状等3种类型的参数控制;通 过数学映射关系实现几何体之间连接的拓扑关系描 述.对于系统级模型,可通过控制上述参数描述各个 模型问的映射关系自动生成.这是隐式模型参数化 概念不同于传统参数化概念的本质之处. 1.2 隐式参数化模型特征和建模思路 1.2.1模型构成元素 车身结构隐式参数化模型的构成元素包括基本 构成元素和高级构成元素.基本构成:元素有控制点、 线和面,这些元素可被视作简单的结构基元,隐式参 数化模型基本构成元素见罔1.控制点是模型中唯 一包含( ,Y, )坐标信息的单元实体,其他单元实体 的定位都由控制点决定.基准线用于一个几何对象 到另一个几何对象的信息传递,其曲率通过2个端 点的切线信息计算.所有的梁结构单元都依附于基 准线.截面有基准截面和局域截面2个概念.在参数 化模型中,所有截面都被储存在相关的几何模型截 面数据库中;对于模型中的每个截面都有一个模板, 称为基准截面.梁和接头从数据库中读取基准截面, 并在特定位置创建基准截面的局域副本,称为局域 截面.每个局域截面都有一个指向各自基准截面的 指针,反过来,每个基准截面都可能被几个局域截面 参考.因此,对局域截面的修改只会影响其所属特定 的梁或接头;但对基准截面的修改则因要应用到关 于它的所有局域截面中,会对整个模型产生影响. , (a)控制点 (h)基准线 (c)基准截面 (d)局域截面 图1 隐式参数化模型基本构成元素 Fig.1 Basic elements of i: ̄nplicit parametrization model 另一些元素(如梁和’接头等)属于高级构成元 素,结合各种基本单元构成复杂的形状.隐式参数化 模型中有3种高级构成元素,见图2.(1)梁,其在车 身结构建模中应用最广泛.它依附于基准线,曲率随 基准线的曲率变化而变化.一般1个梁会包含2~8 个局域截面来实现形状的表达.(2)接头可视作是 一种特殊的梁 ,可通过系统自动计算得到其几何 形状:首先根据接头的控制点追踪到所依附的基准 线,再追踪到所依附的梁,梁向接头提供端部截面, 最后通过端部截面计算接头的形状.(3)车身结构 中的许多薄板件可用曲面表示,基准线、连接线可作 为构建曲面的边. (a)梁 (b,一接头 (c)曲面 图2 隐式参数化模型高级构成元素 Fig.2 Advanced elements of implicit parametrization model 1.2.2 多层面建模技术和映射连接技术 多层面建模技术是一种“简单几何面一复杂有 限元模型”的思路,在实际车身结构中,不同板件间 大多通过相互搭接以进行焊接,即存在大量多层平 面相层叠的情况.为简化建模,只需在这些隐式参数 化模型中建立1层几何面. 通过后续属性的定义, 可使软件系统在生成有限元模型时自动识别这些特 殊区域,创建多层平行的有限元平面,并创建焊接或 胶黏单元.另外,如果要输出CAD模型,也可生成多 层平行的几何面.这种模型概念的优点包括:(1)几 何面简单,可加快建模速度;(2)方便在后续设计阶 段进行快速修改;(3)有利于后续分析时生成高质 量的有限元模型,避免穿透. 映射连接技术是实现车身隐式参数化建模最关 键的技术之一,其优势是:从几何角度出发可创建完 计算机辅助工程 20l2年 全相同的几何面,当被映射面映射到目标体上时就 会与目标平面融合,生成一块“多层面”区域,即通 过1层几何面捕述多层平面.f’ 与同时创建2~3层 行几何面的厅式相比,映射连接技术更方便.在参 数化模型中,所有相邻的部件都需要进行这样的拓 扑连接,因此建模过程不仅建立物体问的几何关系, 还要实现物体问的信息传递,使每个物体实时适应 相邻物体的修改变化.可通过映射关系的创建,实现 这种拓扑连接. 以冈3所示的座椅横梁为例,创建 l根简单且孤立的梁模型儿乎没有实际意义,但将 其映射到门槛梁和地板上后就会随着门槛梁或地板 的任意修改而发生变化,使模型具有整体性意义. 图3 座椅横梁映射 Fig.3 Seat beam mapping 1.2.3 车身隐式参数化建模思路 车身隐式参数化建模思路是对传统车身建模思 想的.传统的建模工作都以车身部件为单位一 一完成,而在隐式参数化建模过程中,首先将车身结 构看作一个整体,淡化部件概念,注重对结构的宏观 把握,从几何分析角度分解车身结构.冈此,在典刑 的隐式参数化车身模型中,大部分部件都由梁构建 而成(接头LIL可被视作梁的特殊形式).采取这种建 模方式的主要原因是:可通过最小的用户输入实现 最大的几何输}}I;梁的表面几何可通过软件自动生 成并保持完整性.在进行参数化设计时,这种梁模型 更显示 优势:(1)可改变局域截面的尺寸;(2)可 替换基准截面;(3)可移动控制点到新的位置;(4) 可调整基准线的曲率. 1.3基于有限元模型的自车身隐式参数化建模 以车身前部设计改型为产品开发背景,进行某 车型前部白车身的参数化建模.从全局角度分析和 拆解车身结构,分段建立侧围、地板、顶盖和前围等 的梁模型,B柱参数化建模示意见图4.首先,通过2 个控制点建立基准线,并拟合基准线的曲率;然后, 在有限元参考模型上截取截面信息,根据设计需要 决定截面形状拟合的程度.可通过多插入从点并调 整边的曲率来足够精确地拟合参考信息,也可只保 留主要特征进行简化,节省建模时间.当分析B柱 的结构特征时,在适当位置插入局域截面 体现其 形状变化. (}1)B柱截面位置 (【’j截面形状 图4 B柱参数化建模示意 Fig.4 Schematic diagram of B pillar parametrization modeling 通过38个梁、6个接头和2个曲面实现对参考 车型白车身前部左半侧部分的参数化建模工作;通 过映射连接技术装配各模型单元,实现部件问的拓 扑关系定义,从而形成完整的系统级参数化模型;对 模型进行镜像对称复制,得到白车身前部参数化模 型,见图5. 图5 白车身前部卷数 模型 Fig.5 Parametrization model for fi'ont of body in white 2 白车身参数化模型碰撞仿真和验证 2.1分析模型的生成 对白车身前部建立参数化模型.为进行仿真分 析,需将其与参考设计的后舱模型进行耦合连接,以 形成完整的白车身模型. 2.2参数化模型仿真验证 为考察该隐式参数化模型的质量,并验证参数 化建模方法的正确性,同时埘耦合后的门车身模型 和参考模型进行碰撞仿真分析.选取工况为参考车 型最初进行有限元模型对标时所采用的试验lI 况: 第2期 瞿晓彬,等:基于隐式参数化的白车身建模方法 45 台车承载白车身进行全宽正碰,速度为34 km/h.计 算结果中分别提取这2个模型的能量曲线以及左右 侧A柱下方、左右侧B柱下方和通道等5个输 出点 向加速度曲线进行对比分析,见图6—9. 卜e 0 ∞ 罐 f/m; t|ms (a)参考模型 (b)参数化耦合分析模型 图6模型能量仿真结果对比 Fig.6 Comparison of model energy simulation results 【z∞/uHg^0【J\q 鲁 0 t/nis t/ms (a)左侧A柱下方 (b)右侧A柱下;于 图7 A柱下方 向加速度仿真结果对比 Fig.7 Comparison of simulated direction acceleration at lower part of A pillar 65 75 85 95 f/hiS f/ms (a)左侧B柱下方 (b)右侧B柱下万 图8 B柱下方 向加速度仿真结果对比 Fig.8 Comparison of simulated direction acceleration at lower part of E pillar 似.由图7~9可知,对于5个输出点的曲线,参数化 模型与参考模型拟合度较好.因此,隐式参数化建模 方法可靠性较高. 3 结束语 研究白车身隐式参数化建模方法,通过与参考 图9 通道 向加速度仿真结果对比 Fig.9 Comparison of direction acceleration of middle tunnel 有限元模型的分析对比验证参数化建模方法的可行 性,为后续白车身的结构i女型或优化提供支持,实现 1CAE驱动设计. (下转第49页) 由图6可知,由于具有相同工况和质量,其总能 量曲线相同,同时,内能和动能曲线趋势也比较相 1tcp://www.chinacae.cn 第2期 张伟,等:轻量化车身车顶抗压设计优化 49 4 结 论 结合有限元虚拟仿真试验和微分进化的优化算 法优化车顶抗压性能,在保证强度性.能的同时减轻 结构质量,取得较好的结果. 和轻量化方面具有明显的优势,可迅速取得很好的 效果. (2)采用虚拟仿真与优化算法相结合的方法往 往计算量很大,本文完成5次迭代、30个种群的计 算耗时达到24 000 h,因此没有强大的计算能力,不 可能完成这样的优化仿真工作.目前,企业建立的依 (1)本文提供一种新的结构优化思路:研究某 项结构性能的部件敏感性,并找出又寸性能贡献最大 据网格计算的大规模计算集群已经可以解决这个问 题,企业高性能计算集群或企业级云计算将成为企 业研发的重要支撑,在未来数年问将得到大力发展. 的部件;采用高强度钢替代敏感部件的材料,利用优 化算法找出最优的形状和厚度等,减轻整体质量,实 现功能性与经济性的平衡.该思路在车身结构优化 参考文献: 1954. [1] 李治,金先龙,姜恺,等.协同设计网格及其关键枝术[J].上海交通大学学报,2005,39(12):1950-LI Zhi,JIN Xianlong,JIANG Kai,et a1.The collaborative design grid and its key techniques[J].J Shanghai Jiaotong Univ,2005,39(1 2): 1950.1954. I Zhi,J1N Xianlong,CAO Yuan,et a1.cImception and implementation of a collaborative manufacturing grid[J].Int J Adv Manufacturing [2] ITechnol,2007,34(1 1・l2):1224—1235. [3]祝军,李一兵.汽车滚翻事故的再现分析方法[J].公路交通科技,2006,23(6):162-l65. 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