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使用Isight对复杂的CAE优化研究做出简化并实现自动化

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发表于 2016-8-19 12:58:04 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
目前钢材约占车辆重量的六成,重量一直是汽车企业的首要关注的问题,因为重量与燃油效率息息相关。铝、镁和合成材料等越来越可能替代钢材组件。虽然钢材的可靠耐久性经验证,可能一段时间内仍将担当车体的主要材料,但汽车生产商在促进钢车身轻量化方面开始考虑如何做到几近极限。为了充分了解并全面达到极限,汽车厂商开始采用先进的计算机辅助工程(CAE)工具来优化设计,以合理成本满足客户的质量要求,并应对越来越严格的油耗要求、排放标准和碰撞测试要求。
马自达汽车公司(日本广岛)汽车开发部和技术研究中心近期基于公司的CX-5车型开发了钢车体结构跨学科设计优化方法(MDO)。
马自达的技术专家Takehisa Kohira指出:“优化技术对更高性能和轻量化这两大要求之间实现平衡至关重要。”
团队的目标是探寻最轻型钢部件有效组合(按金属板厚度计算),实现刚度、NVH品质、耐用性和抗撞击性四方面目标要求,满足CX-5的“礼帽式”结构要求。团队采用多种不同CAE工具,针对整车车身行为进行建模分析,这些分析工具包括Abaqus、LS-DYNA、Nastran等。Kohira指出:“CAE帮助我们改进设计,提高分析准确度,并减少所需的原型数量。”Abaqus有限元分析(FEA)在车辆开发过程中评估强度、以及整车身组件耐用性和动力总成部件的热应力。
创建一个总体分析系统,首先优化四大目标领域中每个领域的车身行为,再找到将所有最佳特性融合在一起的最终设计,确保尽可能的轻量化,这是一项复杂的分析极具挑战。
在检查目标行为中,刚度静态和动态硬度主要涉及线性计算。而NVH分析则涉及复杂的多物理问题,需要考虑框架元件的物理互动和整车震动。抗撞击性涉及到碰撞的位置和方向,是正面、后面还是侧面,这是非线性的,也是最复杂的。Kohira指出:“侧面碰撞分析只涉及弯曲/屈曲层面的问题,可用近似模型预测。不过,正面和后面碰撞则涉及强非线性问题,牵扯到许多组件的屈曲和轴向挤压,因此重量和性能的综合平衡在这种分析中就极为复杂。
为使所有数据集中达到“最佳性能”车身结构设计中,团队采用了各种试验设计(DOE)方法和近似模型,手动调节不同行为间的参数冲突与约束。车身的各种性能目标都被视为约束条件,设计变量为每个车身组件的材料厚度。Kohira指出:“我们的最终目标是尽可能减轻车重,但通过手动调整数据组织来实现这一目标需要花费极长的时间。”
于是团队采用Isight进行流程自动化和优化设计探索。Kohira指出:“一旦我们使用Isight,就能利用DOE分析技术更加容易的分析最初设计的局限性,随后就能更顺利地做出工程决策。我们能更清晰地看到设计空间,也能对结果获得更好的可视化展示。”
Isight通过拖拉方式帮助工程师集成所有CAE软件到工作流程中,Isight能自动运行权衡性能指标自动调整参数序列满足约束。Kohira指出:“利用Isight,我们能确认、并数值验证设计人员的创意,并能够大幅提升设计者的设计正确性的信心。”
将Isight应用到车身优化问题有一个有趣的效果,就是能根据整体结构性能响应来对组件敏度进行分类。Kohira指出:“在优化过程中,大多数情况下对性能响应较低的部件都能变得更轻。另一方面,对性能影响较大的组件要变得更重厚重。Isight多目标优化帮助我们平衡相互矛盾的需求,同时也能减轻整体重量的需求。”
那么结果如何?团队实现了重量比CX-5前期设计减轻3.4%的目标。多学科设计优化工作方法现在正应用于马自达的创驰蓝天(SKYACTIV)车身技术开发项目中,将通过引擎和传动技术改进以及轻量化的车身、底盘最终提高汽车燃油效率。
展望未来,马自达团队计划对铝、CFRP(碳纤维增强塑料)等其他材料也可采基于Isight自动化多学科多目标寻优MDO系统。Kohira指出:“我们目前已将钢车身设计细化到最大极限。未来设计除了钢材之外还会涉及许多其他新材料,不过我们现在已经拥有了基于Isight的应对更高复杂性的技术解决方案。”

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