参数化模型数据库的建立及应用

冯明松，邓文字，吴健余，任旭奎，陆宇帆

(1.上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西柳州 545007；2.上海典凡信息科技有限公司，上海 201101)

0 引言

目前，汽车工业快速发展，研发是汽车工业的核心基础，而早期研发又是整个研发流程中的重中之重。各大整车企业都在加大早期研发的投入，力争在研发早期能尽快多发现并解决问题，以此来提高整个研发流程的效率和质量，从而有效降低整个研发流程的成本和风险。

在白车身概念设计阶段，引入参数化开发流程，对车型开发周期、车身性能都起到积极影响。在设计团队没有完整数据时，利用参数化模型的特性，快速建立概念车身模型，可以快速得到早期可以指导设计的CAE有限元分析模型，及时掌握概念模型的性能，使早期设计更加高效、合理。

目前，OEM厂商将参数化模型，主要用于单一车型开发，即每开发一款车，都重建一个整车参数化模型，模型的通用性和重复利用率普遍偏低，相较于传统CAD建模手段，对参考车型初始建模的时间，常规建模并没有明显优势。因此，降低白车身参数化建模入门门槛并提高建模效率，让参数化模型更易在早期开发中被OEM厂商所采纳并应用，使用参数化数据库建模必将成为一种有效手段。

本文作者在某平台数据库的研究项目中，总结一种参数化数据库使用方法，适用于跨平台的各类车型。建立统一的建模标准规范，并按照数据库管理规范把模型进行归档成库，达到灵活调用各模块的目的。当有现成的模块直接调用，只需调整模块中的各项参数，即可完成新车型的建模时。无论是建模难度和建模时间都大大降低。

1 SFE-CONCEPT介绍

在概念开发阶段,设计部门只能提供车型设计参数和预估的模型结构以及参考车型等少量信息,车身设计往往处于概念状态,按照常规 CAE 分析方法,因无法构建供分析所需的有限元模型,使 CAE分析滞后于设计,不能及时了解整车性能表现,增加产品重复设计和修改风险,不利于开发周期的控制[1]。

SFE-CONCEPT软件是德国SFE(Gesellschaft für Strukturanalyse in Forschung und Entwicklung mbH-Company for Structural Analysis Research and Development Ltd.)公司推出的一款完全面向 CAE 分析与优化的 CAD 设计软件，是第一款实现“分析驱动设计”的软件。可为新车型的研发特别是在早期概念设计阶段提供全方位的设计方案。

SFE CONCEPT软件平台提供了一个全新的解决方案，采用隐式全参数化的描述产品拓扑结构，将复杂的产品结构以断面、梁、接头和自由曲面等形式模块化体现出来，大大缩短了建模时间，如图1所示。同时又能将工程师的设计想法转化为设计变量用于优化分析，并最终方便地转化为后续面向装配或面向制造的CAD模型。

图1 新设计方案

传统的参数化技术指设计人员通过一系列抽象参数的输入，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]。

相对地，隐式参数化模型是运用SFE-CONCEPT基于基点、基线、截面3种基本元素，生成更高级的元素[3]。基本元素点、线、面之中，点是模型中唯 一包含(x，y，z)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[4]。截面可分为基准截面和局部截面，基准截面储存在模型数据库中，梁和接头都是调用基准截面生成的，在梁或接头各区域特定位置，针对局部位置创建的基准截面，称为局部截面，当CAE数据输入变更时，仅需通过这些局部截面的更改，即可实现梁和接头的变更，从而快速实现整车模型结构的变化。

高级元素包括梁、接头、曲面，梁在整车数据库模型中应用广泛，依附于基线，随基线曲率变化而变化。接头可视作是一种特殊的梁[5]，通过自动计算得到几何结构。整车数据库模型中有些薄板件可通过曲面快速实现，主要可由基线和连接线组成曲面的边。

利用映射创建零部件各参数化模型之间的连接关系[6]。通过映射关系建立零件之间的参数化装配关系。因为所有参数在逻辑上互相关联，所有每一个参数的变化都会使它周边与之关联的参数发生相应变化[7]。在整车数据库模型搭建中，出现大量多层面相叠加的情况。为简化建模，运用多层面建模技术和映射连接技术，在这些隐式参数化模型中建立一层几何面[8]，通过后续软件自动识别，在几何面上定义的属性即可。这种一层定多层技术优点包括：

(1)几何简单，模型迭代快。

(2)方便后续优化中快速修改。

(3)利于后续生成高质量有限元模型。映射技术是隐式化参数模型的关键，当映射面映射到目标体上就会与目标相融合。

2 基于SFE-CONCEPT参数化模型数据库的特点

不同于传统SFE建模，建立SFE参数化模型数据库时，前期需要花费一定时间，对SFE参数化模型数据库建模，进行相应的规划。通过对国内外多款车型的主要截面和接头的拓扑结构进行分析，可以发现其拓扑结构都是“大同小异”，主要差异就是尺寸大小的不同。就是说，主要截面和接头在各个车型之间通过尺寸调整可以做到有效互换以断面和接头的通用性为基准，灵活地处理各种拓扑连接的数据库。利用SFE模块化技术，将整车分解到截面与接头层面，这是实现数据库的技术基础。以截面和接头拓扑结构为主导的数据库适用于每一个企业。就是说，不在整车宏观层面上考虑模块的通用性问题(如前舱、侧围、前/后地板总成是否通用等等)，而将着眼点放在截面和接头拓扑结构的通用性上面，在这个微观层面上，各种迥异的车型都能体现出通用性。

数据库的最大特点是充分发挥模块化的优势，可以高效地衍生不同拓扑结构的各种车型。数据库对一个企业的平台规划要求不高，不局限于特定的车身架构，可以在“局部模块”的层面上快速完成各种整车结构的拼接和组合。

为保证通用性和灵活性，该数据库搭建的整体思路可概括为：化繁为简，有效拆分，干净灵活。

综上所述，数据库的两大特点是：

(1)不局限于工程平台且兼容工程平台，不受零件结构朿缚，可通过核心车型及局部拓扑模块完成大批量车型衍生，即以最少的数据量覆盖企业的全部车型。

(2)无重复建模工作，即所有新建模型均以数据库原则建立并存储到数据库中，后续开发中遇到类似的拓扑结构可以直接调用数据库模型。

3 基于SFE-CONCEPT参数化模型数据库的建立原则

针对建立跨平台的数据库时，为了使数据库适用于跨平台的不同车型，需要对不同车型进行调研，从而使建立的各个数据库模块，可以满足跨平台不同车型，通过数据库模块，能够快速、简单、有效地修改结构，实现不同车型的数据库模块通用。

所以，该类型的数据库要着重规划截面和接头。截面要尽可能做到有广泛的通用性。复杂的模块要做有效的拆分，保证在从一个梁到另一个梁、从一个接头到另一个接头衍生的过程中，尽量避免重新建模而多做尺寸上的调整。

模块建立完成后，都需要分别归档到数据库中。数据库并不意味对应一个模块只能归档一个，这归档的模块能够适应所有不同的车型通用。不同拓扑、结构、搭接形式的模块，都应当分别归档，而数据库的则体现在已归档的数据库模块能够对跨平台车型进行快速地替换或者更改。

前期数据库建模工作量较大，需要多个人员协同合作。因为不同人员的建模习惯、方式的差异，可能导致各自新建的不同模块，在之后调用数据库，拼接整车或者衍生全新车型时，模块与模块之间无法进行有效的拼接与替换。如此建立出的数据库，并不能达到预期的效果，数据库的建立也就失去了意义。因此建立数据库时，需要先对跨平台不同车型进行模块数量的规划，然后针对每个模块建立一个统一的建模标准。具体要求如下：

(1)逻辑清晰：针对跨平台多款不同车型，划分的各模块，其建模标准逻辑清晰，能够合理满足各种不同车型结构，而不会出现按照模块建模标准，无法准确表达特定拓扑结构的情况。

(2)结构简明：跨平台不同车型，会包含许多特有的局部特征，而这些特征通常只适应于特定的一些车，并不能广泛地适应于其他车型。比如和造型相关的局部特征。建模标准中，一些跟车型相关特有的局部特征，应当全部省略，模块的框架结构保留。最终归档的数据库模块能够保持高度的通用性。

(3)流程详细：对于每个模块的建模方法、流程都应该有详细的规定，工程师可以根据各个模块的建模标准，快速修改或者快速新建出符合通用性数据库，并且能够实际投入使用的模块。

4 参数化模型数据库在开发中的调用与拼装流程

SFE参数化模型数据库当扩充到一定体量，各个模块的结构、搭接形式都有足够的储备时，可以通过从数据库里选型，挑选出所需搭接结构的模块，进行SFE整车数据的搭建。

在白车身早期概念开发，针对不同的开发策略，运用SFE参数化模型数据库不同方式的建模，具体开发策略分为现有车型衍生和开发全新车型两种。

4.1 现有车型衍生

在同平台或前代车型数据的基础上，进行衍生、开发，可运用参数化模型数据库，进行快速SFE逆向建模。根据具体的网格数据，对应每个模块的搭接形式，从数据库挑选岀结构近似的模块进行调用。并根据具体数据，对挑选出的各个模块进行相应地修改。

完成每个模块调用与修改，进行SFE整车模型的拼装。对应详细CAE现有数据，调用SFE参数化模型数据库模块拼装的整车，必须和CAE数据相同。包括已归档的模块与模块之间的搭接方式，以及已归档模块之外的一些非通用数据。

非通用数据只适用于特定车型，无法归档到数据库中，划分到特定的某一模块。即使划分出，也无法做到很高的通用率，因为要考虑到适用性，若模块很复杂，选型调用后修改时反而更加浪费时间，结果适得其反，浪费更多时间的同时，导致建模变得更复杂，模型不稳定。

因此，在进行逆向建模时，针对这些并未归档到数据库中的非通用件，需要根据具体网格，分别进行逆向SFE建模。针对这些非通用件的建模方法，原则就是，模型简洁、搭接稳定、易添加易删除。完成非通用件的SFE建模后，再与已归档的模块进行拼接，搭建成完整的SFE整车数据。

图2为现有车型衍生建模流程。

图2 现有车型衍生建模流程

4.2 开发全新车型

根据开发的车的类型：SUV、MPV或者三厢车，进行模块选型，考虑拓扑结构与搭接方式。利用输入的参考车型(若没有参考车型可与项目组讨论确定相关结构拓扑结构)确定相关拓扑结构。发现具体模块内部与参考结构略有不同，则调用该模块并修改到与对标车拓扑形式一致。

各模块选型完成后，根据早期输入的数据，比如：CAS、截面数据、总布置数据与一些约朿面数据，对应模块作岀相应的调整与更改。所有调用模块根据输入数据，修改完成之后，再进行整车拼装。

由于没有具体车型可用来参考，针对具体结构、细节，实际在拼车过程中，会存在模块间数据的冲突。当多模块间尺寸上产生数据冲突时，需根据情况，改变各模块本身的尺寸结构以及调整模块间的搭接形式，并在整车中进行相应的调整。

所有调用的模块拼接完成后，包含了白车身车大部分部件。剩余的一些未单独划分归档的小支架、加强件等，需根据情况，从已归档整车中调用或另外新建。最后搭建成完整的SFE整车数据。

图3为开发全新车型建模流程。

图3 开发全新车型建模流程

5 SFE参数化模型数据库的扩展

早期SFE参数化模型数据库初步搭建完成后，只包括建立初数据调研后，挑选的多款车型不同形式的各模块。后续数据库拓展，通过调用已有数据库的模块，进行新车型的衍生以及优化时，模块产生新结构、模块间产生新搭接形式等，新的模块按照数据库模块的建模标准修改完成后，再归档入SFE参数化模型数据库中。具体流程如图4所示。

图4 数据库拓展流程

6 SFE参数化模型数据库的应用效果

6.1 建模效率的提高

SFE参数化模型数据库采用模块化架构，快速重新生成，合并和修改用户自定义模型构件，实现高效快速得到新开发车型的目的。

参数化白车身传统项目，采用SFE-CONCEPT软件，遵循“基点—基线—截面—梁—接头—附属性—构建特征(面、筋、肋、连接单元)”的步骤，搭建出整车模型，而SFE参数化模型数据库项目利用已搭建好的模块化结构，通过替换对应模块即快速实现模型变更得到整车结构。即模型的可变化程度高，高效率的映射关系(基点、基线、截面、连接线、梁、接头、自由面、PID、多层翻遍等)快速地映射到相对应的目标上，数据库模型采用点的位置、线的曲率和截面形状，相关零部件通过映射建立参数化装配关系，所有参数间都有联系，改变任何一个参数，模型结构会发生改变，而连接关系保持不变。因此，模型的连续性并未发生改变，利用已建立好的Beam、Joint，改变各参数可快速实现参数化白车身结构多样性变化，大大缩短了优化时间。

数据库模型采用了隐式参数化的设计，此方法并非利用传统的数学描述实现结构修改，数据库中的隐式参数化模型，将各个零部件间的拓扑关系通过数学映射方法来实现的。这样CAE输入的各版本数据，针对不同的结构部件，可以自动调用数学映射来自动实现此部件到其他部件上的映射改变，后期在进行白车身多目标优化中，利用数据库中搭建的隐式参数化SFE模型能达到快速改变各参数的目的，从而大大提高了建模效率，缩短了优化时间。

6.2 成本的节约

数据库模型项目较SFE非数据库项目，在模型搭建方面，建模速度显著提高。利用数据库进行衍生新车型的建模时间，由传统SFE建模的平均40多个工作日缩短为20个工作日(利用数据库建模的时间包含了新建数据库模块的归档时间)，建模效率提升50%，建模费用相应减少。

早期开发中，CAE分析时间点被提前1/2，相关研发部门介入时间点整体提前，项目整体开发周期减短，节约了经费投入。

7 结束语

根据多平台车型数据进行调研，建立SFE参数化模型数据库。数据库建立参数模型，能充分发挥模块化的优势，高效衍生不同的拓扑结构，在模块的层面上，快速完成整车的拼接组合。并且数据库兼容不同平台，通过核心车型能不断衍生出新车型，避免了重复建模工作。

同时在白车身早期开发阶段，引入围绕SFE参数化平台的设计开发的数据库，在项目早期基于设计方案和SFE参数化模型数据库搭建参数化模型，建模时间缩短1/2，效率提升50%。

参数化模型数据库技术已经成功应用于某平台数据库的研究项目中，通过数据库技术，成功衍生出新车型。在此基础上，用数据库搭建的模型，对碰撞、NVH等性能进行多目标优化，并取得了显著成效，对建立有企业特色的自主车型研发体系以及提升企业品牌形象具有重要价值。