馬自達(dá)如何使用Isight對(duì)CAE優(yōu)化研究做出簡(jiǎn)化

2016-10-24 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

一個(gè)世紀(jì)以來(lái),鋼一直是車體的主要材料。鋼材緊跟汽車工業(yè)發(fā)展的進(jìn)步要求。改進(jìn)的耐腐蝕性、更精致的機(jī)械屬性、高強(qiáng)度特性,以及先進(jìn)的制造技術(shù)。鋼材滿足生產(chǎn)制造工藝,使得鋼材占據(jù)普通道路車輛的主要材料的地位,目前鋼材約占車輛重量的六成。

不過(guò),重量一直是汽車企業(yè)的首要關(guān)注的問(wèn)題,因?yàn)橹亓颗c燃油效率息息相關(guān)。鋁、鎂和合成材料等越來(lái)越可能替代鋼材組件。雖然鋼材的可靠耐久性經(jīng)驗(yàn)證,可能一段時(shí)間內(nèi)仍將擔(dān)當(dāng)車體的主要材料,但汽車生產(chǎn)商在促進(jìn)鋼車身輕量化方面開(kāi)始考慮如何做到幾近極限。為了充分了解并全面達(dá)到極限,汽車廠商開(kāi)始采用先進(jìn)的計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)工具來(lái)優(yōu)化設(shè)計(jì),以合理成本滿足客戶的質(zhì)量要求,并應(yīng)對(duì)越來(lái)越嚴(yán)格的油耗要求、排放標(biāo)準(zhǔn)和碰撞測(cè)試要求。

馬自達(dá)汽車公司(日本廣島)汽車開(kāi)發(fā)部和技術(shù)研究中心近期基于公司的CX-5車型開(kāi)發(fā)了鋼車體結(jié)構(gòu)跨學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化方法(MDO)。

馬自達(dá)的技術(shù)專家Takehisa Kohira指出:“優(yōu)化技術(shù)對(duì)更高性能和輕量化這兩大要求之間實(shí)現(xiàn)平衡至關(guān)重要?！?/span>

團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)是探尋最輕型鋼部件有效組合(按金屬板厚度計(jì)算),實(shí)現(xiàn)剛度、NVH品質(zhì)、耐用性和抗撞擊性四方面目標(biāo)要求,滿足CX-5的“禮帽式”結(jié)構(gòu)要求。團(tuán)隊(duì)采用多種不同CAE工具,針對(duì)整車車身行為進(jìn)行建模分析,這些分析工具包括Abaqus、LS-DYNA、Nastran等。Kohira指出:“CAE幫助我們改進(jìn)設(shè)計(jì),提高分析準(zhǔn)確度,并減少所需的原型數(shù)量?！盇baqus有限元分析(FEA)在車輛開(kāi)發(fā)過(guò)程中評(píng)估強(qiáng)度、以及整車身組件耐用性和動(dòng)力總成部件的熱應(yīng)力。

創(chuàng)建一個(gè)總體分析系統(tǒng),首先優(yōu)化四大目標(biāo)領(lǐng)域中每個(gè)領(lǐng)域的車身行為,再找到將所有最佳特性融合在一起的最終設(shè)計(jì),確保盡可能的輕量化,這是一項(xiàng)復(fù)雜的分析極具挑戰(zhàn)。

在檢查目標(biāo)行為中,剛度靜態(tài)和動(dòng)態(tài)硬度主要涉及線性計(jì)算。而NVH分析則涉及復(fù)雜的多物理問(wèn)題,需要考慮框架元件的物理互動(dòng)和整車震動(dòng)?？棺矒粜陨婕暗脚鲎驳奈恢煤头较?是正面、后面還是側(cè)面,這是非線性的,也是最復(fù)雜的。Kohira指出:“側(cè)面碰撞分析只涉及彎曲/屈曲層面的問(wèn)題,可用近似模型預(yù)測(cè)。不過(guò),正面和后面碰撞則涉及強(qiáng)非線性問(wèn)題,牽扯到許多組件的屈曲和軸向擠壓,因此重量和性能的綜合平衡在這種分析中就極為復(fù)雜。

多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化(MDO)流程圖展現(xiàn)出汽車設(shè)計(jì)中減重的復(fù)雜與挑戰(zhàn),這會(huì)涉及到一系列關(guān)鍵的性能參數(shù)。

馬自達(dá)CX-5車身側(cè)面框架組裝部分的初步分析圖顯示針對(duì)一系列行為參數(shù)優(yōu)化性能后的重量減少(白色標(biāo)簽)和重量增加(粉色標(biāo)簽)情況。

為使所有數(shù)據(jù)集中達(dá)到“最佳性能”車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,團(tuán)隊(duì)采用了各種試驗(yàn)設(shè)計(jì)(DOE)方法和近似模型,手動(dòng)調(diào)節(jié)不同行為間的參數(shù)沖突與約束。車身的各種性能目標(biāo)都被視為約束條件,設(shè)計(jì)變量為每個(gè)車身組件的材料厚度。Kohira指出:“我們的最終目標(biāo)是盡可能減輕車重,但通過(guò)手動(dòng)調(diào)整數(shù)據(jù)組織來(lái)實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)需要花費(fèi)極長(zhǎng)的時(shí)間?！?/span>

于是團(tuán)隊(duì)采用Isight進(jìn)行流程自動(dòng)化和優(yōu)化設(shè)計(jì)探索。Kohira指出:“一旦我們使用Isight,就能利用DOE分析技術(shù)更加容易的分析最初設(shè)計(jì)的局限性,隨后就能更順利地做出工程決策。我們能更清晰地看到設(shè)計(jì)空間,也能對(duì)結(jié)果獲得更好的可視化展示?！?/span>

Isight通過(guò)拖拉方式幫助工程師集成所有CAE軟件到工作流程中,Isight能自動(dòng)運(yùn)行權(quán)衡性能指標(biāo)自動(dòng)調(diào)整參數(shù)序列滿足約束。Kohira指出:“利用Isight,我們能確認(rèn)、并數(shù)值驗(yàn)證設(shè)計(jì)人員的創(chuàng)意,并能夠大幅提升設(shè)計(jì)者的設(shè)計(jì)正確性的信心?！?/span>

Isight流程自動(dòng)化和設(shè)計(jì)優(yōu)化軟件幫助馬自達(dá)在自動(dòng)化工作流程中設(shè)置解決了MDO中挑戰(zhàn),大幅減少了分析設(shè)置和運(yùn)行時(shí)間。

將Isight應(yīng)用到車身優(yōu)化問(wèn)題有一個(gè)有趣的效果,就是能根據(jù)整體結(jié)構(gòu)性能響應(yīng)來(lái)對(duì)組件敏度進(jìn)行分類。Kohira指出:“在優(yōu)化過(guò)程中,大多數(shù)情況下對(duì)性能響應(yīng)較低的部件都能變得更輕。另一方面,對(duì)性能影響較大的組件要變得更重厚重。Isight多目標(biāo)優(yōu)化幫助我們平衡相互矛盾的需求,同時(shí)也能減輕整體重量的需求?！?/span>

那么結(jié)果如何?團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了重量比CX-5前期設(shè)計(jì)減輕3.4%的目標(biāo)。多學(xué)科設(shè)計(jì)優(yōu)化工作方法現(xiàn)在正應(yīng)用于馬自達(dá)的創(chuàng)馳藍(lán)天(SKYACTIV)車身技術(shù)開(kāi)發(fā)項(xiàng)目中,將通過(guò)引擎和傳動(dòng)技術(shù)改進(jìn)以及輕量化的車身、底盤(pán)最終提高汽車燃油效率。

展望未來(lái),馬自達(dá)團(tuán)隊(duì)計(jì)劃對(duì)鋁、CFRP(碳纖維增強(qiáng)塑料)等其他材料也可采基于Isight自動(dòng)化多學(xué)科多目標(biāo)尋優(yōu)MDO系統(tǒng)。Kohira指出:“我們目前已將鋼車身設(shè)計(jì)細(xì)化到最大極限。未來(lái)設(shè)計(jì)除了鋼材之外還會(huì)涉及許多其他新材料,不過(guò)我們現(xiàn)在已經(jīng)擁有了基于Isight的應(yīng)對(duì)更高復(fù)雜性的技術(shù)解決方案?！?/span>