马自达如何使用Isight对CAE优化研究做出简化

2016-10-24 by:CAE仿真在线来源:互联网

一个世纪以来,钢一直是车体的主要材料。钢材紧跟汽车工业发展的进步要求。改进的耐腐蚀性、更精致的机械属性、高强度特性,以及先进的制造技术。钢材满足生产制造工艺,使得钢材占据普通道路车辆的主要材料的地位,目前钢材约占车辆重量的六成。

不过,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。

多学科设计优化(MDO)流程图展现出汽车设计中减重的复杂与挑战,这会涉及到一系列关键的性能参数。

马自达CX-5车身侧面框架组装部分的初步分析图显示针对一系列行为参数优化性能后的重量减少(白色标签)和重量增加(粉色标签)情况。

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。”

Isight流程自动化和设计优化软件帮助马自达在自动化工作流程中设置解决了MDO中挑战,大幅减少了分析设置和运行时间。

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。”