工程约束的车身梁截面优化设计探讨

何国志

【摘 要】对于车身梁截面设计约束问题的一些研究，就是将车身薄壁梁截面形状优化的设计问题和车身截面的厚度以及使用材料等参数进行优化的一个合理的结合。本文主要使用的是以工程设计中的可装配性和可制造性作为设计的重要约束，并对车身梁截面进行多目标的优化方法，经过实践证明这种方法重要把车身的结构和性能以及成本等因素作为目标，通过对梁截面的形状进行特别的编码来实现梁截面在形状和厚度以及材料等方面来对变量的多目标优化模型进行设计。

【关键词】车身设计；截面形状；离散优化；遗传算法

0 前言

在现在的汽车行业有不少关于截面优化的有效方法被发现和使用，在这里列举对截面形状优化问题最早着手的BANICHUK，这种方法是对截面刚度实现最大化的一种有效的优化方。另外，使用离散拓扑优化算法来进行车身的截面形状的设计方法YOSHIMURA 也是一种比较常用和有效的方法。综合这几种优化和设计方法发现想要对车身截面设计进行真正的优化就要开发出适合和适用于汽车行业标准的以及能够满足多方面、多约束的一种优化方法。

1 在车身梁截面设计中存在的工程约束

1.1 形状约束

对于车身形状的设计的优化问题，在实际的使用中发现可以通过抽象的方法，就是把对截面形状起到控制作用的一些坐标点之间的变化，当然这个变化是个连续性的问题。对于车身的截面形状来讲，它的变化可不是任意或者随意的，变化是受到装配已经制造等许多在工程方面的因素的限制的。这里举一个例子，例如车身的B柱是属于多层截面范畴的，它的外板就需要和车门进行装配的操作，当然它的形状就会在一定程度上受到来自车门的外形以及内部装饰的限制，这时候就只能依据对其板形状进行调整来进行局部的形状优化的设计。

1.2 材料约束

现在的情况是车身在材料的选择上一般是使用比较便宜的普通钢板， 但是随着现在对汽车车身强度的要求的加深，高强度的钢板的使用数量在大大的增大，另外一些复合性质的材料还有一些合金性质的材料例如镁、铝合金也在越来越多的使用在车身的部件上，通过实际的调差发现使用的板的厚度都是位于0.5 毫米和3.0 毫米之间这个范围的，作为车身的设计者一定要对材料进行合理的选择，从市场提供的厚度标准的材料里选择适当的材料，依据市场的供应来对材料库设定一个标准，对于在截面设计方面需要的材料要从库认真的选取。

2 车身梁截面优化模块设计

这里介绍的关于车身截面的设计系统是集车身梁截面的设计和管理以及优化等各种功能与一身的一个综合性的软件模块。它主要使用的是NX Open C++语言开发技术，该系统是由四个部分组成的，包括截面的采集和截面的管理以及截面的优化和导出，一般来说通用的电子表格文件是它主要采用的数据库存储的格式和标准，它对数据进行存储和访问时是通过现有的接口进行的。

首先就是截面的采集，这个功能主要是指在系统中存在的可导入的并且把截面形状信息的step 格式以及iges 格式中的中性 CAD 文件，这个文件可以依据上述板上的分类来把截面进行一种自动的分类，结果分成许多条线段，然后再经由交互式定义的截面里的内、外板以及加强板来把截面的信息导入进截面数据库中去，这个截面采集就完成了。

其次是对截面管理，对截面的管理主要由截面形状的编辑和截面属性的编辑以及截面查询、删除等等对数据库的操作组成。

再次是截面的优化，这个环节是对截面特性的计算表示支持的，并对截面的形状和厚度以及使用材料进行优化。使用这个模块再加上结合车身概念设计，就可以依据对截面形状的改变实现车身刚度的优化目标。

最后是截面导出，该系统主要的任务就是把以 step格式或者 iges 格式的性质为中性的CAD 文件导出截面形状。

3 对梁截面优化算法的设计

3.1 优化设计变量的定义

首先要明白截面的形状和材料以及层、厚度等四个因素是组成计变量的重要部分。在这之中，连续变量是形状，层数和材料以及厚度这三个因素是属于离散变量范围的。一般情况下，对于离散变量来讲，它是可以依据设立一个相应的数据库来存储其可取的值进行定义的。另外需要注意的是，对于车身截面的形状优化还要考虑截面在装配上的约束以及在制造上的约束。因为截面优化是属于多目标优化范畴的问题，离散变量以及连续变量组成优化变量，因此遗传算法是比较合适的优化方法。在实际的使用中发现，使用遗传优化方法中遇到的一个重大的困难是约束处理，特别是约束不能很好的显出来的时候，困难会更加的严重，所以要积极的采取措施来把约束问题转化成对优化变量的限制这样来为上述约束创造实现的条件。

3.1.1 截面可制造性约束的转化

在实际使用中的截面，由于其具有可制造性工艺的约束，因此对截面形状的限定比较大，使其不能出现负角以及截面的各层中间都不能出现交叉的问题，如果出现交叉问题就不能通过冲压这种工艺进行操作和加工。本项目中的形状优化变量采用的是在各层板控制点之间的偏移量，这就为可制造性约束的处理和解决创造了很好的条件。

3.1.2 装配约束的设定

由于车身的截面是通过多层板构成的，因此对于形状的调整就会考虑到装配的设计以及位置上存在的约束，所以有些截面形状的组成部分是不能进行形状调整的，但是可以采用在采集截面形状的时候对截面的各个层板命名的方式进行，例如可以命名为内板、外板以及加强板 1、2 。在对设置进行优化时，使用交互的方式来进行，对于参与形状变化的板以及一些控制点就可以进行这一约束的表达，最后转化成对控制点的一种描述。

3.1.3 材料约束设定

眼下的车身在材料的选择上主要以价格便宜的普通钢板为主，随着现代人对车身强度的要求的加深，强度高的钢板使用数量也在逐渐的增多，一些复合材料和镁、铝合金材料在大量的使用在车身的一些部件中，综合实践发板厚度都是在 0.6 毫米和3.0 毫米之间的。本文依据实际的市场调研，建立了一个内容丰富的材料库，主要包括材料力学的参数、价格；再对材料类型以及厚度的选择时要使用材料库中的数据直接调查。

3.2 优化算法的实现

在遗传算法中，该算法通过引入精英策略、密度值估计策略和快速非支配排序策略，其优化结果已经优于其他相似算法，因此在以往的研究中多有采用。本文的优化过程中，NSGA-II 以预期达到的梁截面的性能参数与低的质量作为目标函数，进行带精英策略的快速非支配排序，有效地降低了算法的时间复杂度。

4 结语

总而言之，对于车身概念设计阶段来说，车身梁截面的设计是其非常重要的一项内容，它有着决定性的作用，在本文中笔者研究了与车身骨架截面优化有关问题，把对车身截面形状进行优化的问题与其使用的材料、车身的厚度以及加强板层数等几个变量的优化问题很好的结合在一起，这种方法能够很好的满足设计性能，另外能够把车身优化的成本大大的降低，还能提升优化方面的技术，使得工程人员在概念设计阶段进行截面形状的设计提供指导。

【参考文献】

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[2]高云凯，邵力行，张海华.微型电动车非承载式车身轻量化研究[J].汽车工程，2014（06）：34-36.

[3]胡朝辉，成艾国，陈少伟，等.多材料—多零件规格组合结构多目标优化的应用[J].机械工程学报，2014（10）：12-13.

[责任编辑：朱丽娜]