基于隐式参数化的白车身建模方法

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 parametrization

QU Xiaobin, DAI Yi

(Technical Center, SAIC MOTOR Co., Ltd., Shanghai 201804, China)

Abstract： As to the fact that lots of manpower and time are spent for conceptual design of new vehicle type in traditional method, by which many CAD models and CAE models need to be established for 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 parametrization modeling of vehicle body are introduced, and the vehicle body modeling ideas based on implicit parametrization are briefed; the front of the body in white is modeled for a vehicle; the crash simulations based on the parametrization model and the original finite element model are analyzed and compared, and the results indicate that it is feasible to use the implicit parametrization modeling method to perform conceptual vehicle development, which can implement the rapid evaluation on vehicle structure performance in early development.

Key words： implicit parametrization; vehicle body in white; conceptual design; multilayer plane modeling; mapping link; crash simulation; finite element

0 引 言

将CAE技术应用于设计研发流程，已在全球汽车行业内受到广泛认可，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巨大的价值.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到，因此只有在得到最终设计模型后才能进行仿真分析.在车型研发的早期设计阶段，一般需要研究大量的车身结构待选方案，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］

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］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间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图1.控制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.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

(b)基准线

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［3］，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)接头

(c)曲面

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―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.［4］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层几何面描述多层平面.［5］与同时创建2~3层平行几何面的方式相比，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间的几何关系，还要实现物体间的信息传递，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.［6］以图3所示的座椅横梁为例，创建1根简单且孤立的梁模型几乎没有实际意义，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.

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颠覆.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.因此，在典型的隐式参数化车身模型中，大部分部件都由梁构建而成（接头也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出；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，这种梁模型更显示出优势：(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 基于有限元模型的白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可体现其形状变化.

(a)车身侧围

(b)B柱截面位置

(c)截面形状

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，实现部件间的拓扑关系定义，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.

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，同时对耦合后的白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工况：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柱下方和中央通道等5个输出点x向加速度曲线进行对比分析，见图6~9.

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改型或优化提供支持，实现CAE驱动设计.

参考文献：

［1］ 张峰, 李兆前, 黄传真. 参数化设计的研究现状与发展趋势［J］. 机械工程师, 2002(1): 13-15.

ZHANG Feng, LI Zhaoqian, HUANG Chuanzhen. The research status quo and development trends of parameterized design［J］. Mech Engineer, 2002(1): 13-15.

［2］ 庄蔚敏, 陈东平. 概念设计阶段轿车参数化分析模型及控制参数优化研究［J］. 汽车技术, 2003(5): 5-8.

ZHUANG Weimin, CHEN Dongping. Study on passenger car parameterized analysis model and optimization of control parameters during concept design phase［J］. Automobile Technol, 2003(5): 5-8.

［3］ 黄金陵, 娄永强, 龚礼洲. 轿车车身结构概念模型中接头的模拟［J］. 机械工程学报, 2000(3): 78-81.

HUANG Jinling, LOU Yongqiang, GONG Lizhou. Joint modeling method in the concept model of car body structure［J］. J Mech Eng, 2000(3): 78-81.

［4］ ZIMMER H, PRABHUWAINGANKAR M. Implicitly parametric crash and NVH analysis models in the vehicle concept design phase［C］ // Proc LS-DYNA user forum, Bamberg, 2005: 61-69.

［5］ HILMANN J, PAAS M, HAENSCHKE A, et al. Automatic concept model generation for optimisation and robust design of passenger cars［J］. Adv Eng Software, 2007, 38(11-12): 795-801.

［6］ 陈玉杰, 张代胜. 客车车身结构概念设计中的优化分析［J］. 机械, 2007, 34(12): 14-17.

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