车身结构概念设计系统多目标优化模块设计
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３～５ ］ 。 一阶扭转振型频率， 从而达到避开共 振的 目的 ［
引起其他子目标性 能 的 降 低， 同时使各子目标均达 到最优一般是不可能的。解决这样的问题需要在各 子目标之间进行协 调 权 衡 和 折 中 处 理， 使各子目标 函数尽可能达到最优。传统的多目标优化问题采用 线性加权法、 层次优化法、 目标规划法等把多目标问 题转换为单目标问题。文献 ［ ７ ］ 对某轿车提出了拓 扑优化和尺寸优化 两 种 结 构 优 化 方 案， 研究了在增 加较少质量的条件 下 提 高 低 阶 频 率 的 方 法， 具有指 导意义。本文采用折衷规划法结合平均频率法研究 了同时考虑车身结构刚度和低阶模态的多目标优化
板厚优化前后对比及取用值tabthicknessbeforeafteroptimizationactuallyadoptedvaluemm板件类别优化前优化后取用值200门槛纵梁外板850门槛纵梁内板400门槛纵梁加强板800地板横梁外板950地板横梁内板700地板纵梁外板800地板纵梁内板500地板纵梁加强板900顶盖后纵梁加强板800后风窗上横梁外板600后风窗上横梁内板各指标对比验证tabindexvalue参数原模型综合多目标优化验证刚度多目标优化对比白车身质量kg184888185000185032弯曲刚度nmm625341169056972755扭转刚度196722295284322181模态一阶弯曲频率hz262612648326271模态一阶扭转频率hz374363791437438中数据得到刚度模态综合多目标优化后的弯曲刚度提高59模态一阶弯曲频率提高85一阶扭转频率提高06在允许范围内本次刚度模态综合多目标优化达到了预期目的提供了最优的参数设计和改进方案
[ ( ∑ ω Ｃ ρ －Ｃ )
ｋ ｋ ＝１ ｋ ， ｍ ａ ｘ ｋ ， ｍ ｉ ｎ
１ ２
ｍ
Ｃ （ ）－Ｃ ｋ ｋ ， ｍ ｉ ｎ
２
＋ （ １ ）
２ （ １－ω ）
(
（ ） Λ Λ ρ ｍ ａ ｘ－ Λ Λ ｍ ａ ｘ－ ｍ ｉ ｎ
) ]
２
式中 Ｆ （ ） — — —综合目标函数 ρ ｍ — — —静态工况个数 — — —第 ｋ 个工况的权重 ω ｋ Ｃ 、 Ｃ — — —第 ｋ个工况柔度目标函数的 ｋ ， ｍ ａ ｘ ｋ ， ｍ ｉ ｎ 最大值和最小值 — — —柔度目标函数的权重 ω （ ） — — —平均频率 Λ ρ 、 — — —频率目标函数最大值和最小值 Λ Λ ｍ ａ ｘ ｍ ｉ ｎ 式（ １ ） 综 合 考 虑 刚 度 和 模 态 两 方 面 优 化 目 标， 对于静态结构刚度 多 目 标 优 化 目 标 函 数， 可以采用
１ １ ２ １ Ｌ ｉ ｕＢ ａ ｏ ｙ ｕ ｅ Ｈ ｏ ｕＷｅ ｎ ｂ ｉ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＨ ｏ ｎ ｇ ｚ ｈ ｅ Ｈ ｕＰ ｉ ｎ ｇ
（ １ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ａ ｕ ｔ ｏ ｍ ｏ ｔ ｉ ｖ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ１ １ ６ ０ ２ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ２ ． Ｓ ｃ ｈ ｏ ｏ ｌ ｏ ｆ Ｍｅ ｃ ｈ ａ ｎ ｉ ｃ ａ ｌ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎＵ ｎ ｉ ｖ ｅ ｒ ｓ ｉ ｔ ｙｏ ｆ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ，Ｄ ａ ｌ ｉ ａ ｎ１ １ ６ ０ ２ ４ ，Ｃ ｈ ｉ ｎ ａ ）
２ ］ 阶段 ［ 。
引言 汽车车身概念设计阶段，首先要实现对车身分 析模型的快速构造和对结构尺寸的编 辑修改，其 次 是快 速 实 现 多 个 方 案 的 性 能 比 较 和 结 构 优 化 设 计
［ １ ］
车身刚度包括静刚度和动刚度。车身静刚度一 般包括弯曲刚度和扭转刚度。动刚度用车身低阶模 态来衡量， 其模态频 率 应 与 载 荷 的 激 振 频 率 相 差 较 大。汽 车 在 工 作 过 程 中， 动 载 荷 较 小 时，可 忽 略 不
Ａ ｂ ｓ ｔ ｒ ａ ｃ ｔ Ｉ ｎｏ ｒ ｄ ｅ ｒｔ ｏａ ｖ ｏ ｉ ｄｍ ｏ ｄ ｉ ｆ ｙ ｉ ｎ ｇｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅｂ ｏ ｄ ｙｒ ｅ ｐ ｅ ａ ｔ ｅ ｄ ｌ ｙｉ ｎｔ ｈ ｅｌ ａ ｔ ｅ ｒｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｓ ｔ ａ ｇ ｅ ，ｔ ｈ ｅｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅｉ ｎｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔＣ Ａ Ｅｓ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ（ Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ）ｗ ａ ｓｄ ｅ ｖ ｅ ｌ ｏ ｐ ｅ ｄ ． Ａｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎａ ｌ ｇ ｏ ｒ ｉ ｔ ｈ ｍｗ ａ ｓｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｅ ｄｗ ｉ ｔ ｈｔ ｈ ｅｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅ ｓｏ ｆ ｂ ｏ ｄ ｙｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓａ ｎ ｄ ｍ ｏ ｄ ａ ｌ ．Ｔ ｈ ｅｗ ｈ ｏ ｌ ｅｂ ｏ ｄ ｙｓ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅｐ ｅ ｒ ｆ ｏ ｒ ｍ ａ ｎ ｃ ｅｃ ｏ ｕ ｌ ｄｂ ｅｉ ｍ ｐ ｒ ｏ ｖ ｅ ｄｏ ｎｔ ｈ ｅｐ ｒ ｅ ｍ ｉ ｓ ｅｔ ｈ ａ ｔ ｍ ａ ｓ ｓ ｏ ｆ ｂ ｏ ｄ ｙｄ ｉ ｄ ｎ ｔ ｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ．Ｔ ｈ ｅｂ ａ ｓ ｉ ｓｆ ｏ ｒ ｒ ｅ ａ ｌ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｏ ｆ ｂ ｏ ｄ ｙｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ ｉ ｎｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｓ ｔ ａ ｇ ｅｗ ａ ｓ ｐ ｒ ｏ ｖ ｉ ｄ ｅ ｄ ，ｓ ｏｔ ｈ ｅｔ ｉ ｍ ｅ ａ ｎ ｄｃ ｏ ｓ ｔｗ ｅ ｒ ｅｅ ｃ ｏ ｎ ｏ ｍ ｉ ｚ ｅ ｄ ．Ｃ ｏ ｍ ｂ ｉ ｎ ｉ ｎ ｇｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｐ ｒ ｏ ｃ ｅ ｓ ｓｏ ｆａｃ ｏ ｎ ｃ ｒ ｅ ｔ ｅｂ ｏ ｄ ｙｍ ｏ ｄ ｅ ｌ ，ｔ ｈ ｅｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｗ ａ ｓ ｃ ａ ｒ ｒ ｉ ｅ ｄｏ ｎ ．Ｔ ｈ ｅ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ，ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎｓ ｔ ｉ ｆ ｆ ｎ ｅ ｓ ｓ ，ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｂ ｅ ｎ ｄ ｉ ｎ ｇ ｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙａ ｎ ｄ ｆ ｉ ｒ ｓ ｔ ｔ ｏ ｒ ｓ ｉ ｏ ｎｆ ｒ ｅ ｑ ｕ ｅ ｎ ｃ ｙｏ ｆｂ ｏ ｄ ｙｗ ｅ ｒ ｅｉ ｎ ｃ ｒ ｅ ａ ｓ ｅ ｄ ．Ｔ ｈ ｅｖ ａ ｌ ｉ ｄ ｉ ｔ ｙａ ｎ ｄｃ ｏ ｒ ｒ ｅ ｃ ｔ ｎ ｅ ｓ ｓｏ ｆｔ ｈ ｅｐ ｒ ｏ ｐ ｏ ｓ ｅ ｄｍ ｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎｍ ｏ ｄ ｕ ｌ ｅｗ ａ ｓ ｖ ｅ ｒ ｉ ｆ ｉ ｅ ｄ ． Ｋｅ ｙｗ ｏ ｒ ｄ ｓ Ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅｂ ｏ ｄ ｙ ，Ｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ，Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅｏ ｐ ｔ ｉ ｍ ｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎ ，Ｌ ｉ ｇ ｈ ｔ ｗ ｅ ｉ ｇ ｈ ｔ 设计过程， 优化的思 想 在 概 念 设 计 开 始 的 阶 段 就 被 引入， 以寻找最 优 的 方 案，并 将 其 贯 穿 于 整 个 设 计
９ ］ ， 通常把刚度最 折衷规划法研究多 目 标 优 化 问 题 ［
１ 车身结构概念设计系统
车身结构 概 念 设 计 系 统 （ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ Ｃ Ａ Ｅ ， 简称为 Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） ， 基于汽车行业 常用的 软 件 Ｕ Ｇ／ Ｎ Ｘ 平 台 进 行 二 次 开 发， 以Ｃ Ａ Ｅ技 术为核心，融合 了 参 数 化 设 计、 模板技术和优化方 法等先进的设计分 析 技 术， 可快速建立参数化概念 车身的几何模型； 生成有限元网格模型和边界约束 载荷； 通过调用外部求解器 Ｎ Ｘ／ Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ进行 刚 度 和 模态计算， 生成后处理视图和产品设计报告； 还可对 概念车身的梁和板组合结构进行灵敏度分析及参数 优化、 形状优化， 指导和帮助用户得到满意的设计方 案， 最终实现“ 分析驱动设 计” 这一新的概念设计理
Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎｏ ｆ Ｍｕ ｌ ｔ ｉ ｏ ｂ ｊ ｅ ｃ ｔ ｉ ｖ ｅＯｐ ｔ ｉ ｍｉ ｚ ａ ｔ ｉ ｏ ｎＭｏ ｄ ｕ ｌ ｅｉ ｎＶ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅ Ｂ ｏ ｄ ｙＳ ｔ ｒ ｕ ｃ ｔ ｕ ｒ ｅＣ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ Ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎＳ ｙ ｓ ｔ ｅ ｍ
２０１１年 ４月
农 业 机 械 学 报
第４ ２卷 第 ４期
车身结构概念设计系统多目标优化模块设计
刘宝越 １ 侯文彬 １ 张红哲 ２ 胡 平 １
（ １ ． 大连理工大学汽车工程学院，大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ；２ ． 大连理工大学机械工程学院，大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
【 摘要】 为了避免汽车车身设计后期的反复 修 改， 开发了车身结构概念设计系统（ Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） 的多目标优化 模块， 设计了以车身结构刚度和模态为设计目标的多 目 标 优 化 算 法， 可实现在车身质量不增加的前提下提高车身 总体结构性能， 从而为概念设计阶段实现车身轻量 化 提 供 依 据， 节 约 时 间 和 成 本。 最 后 结 合 具 体 车 型 的 概 念 设 计 过程， 对该车身进行了多目标优化设计， 提高了该车身的弯曲刚度、 扭转刚度、 一 阶 弯 曲 频 率 和 一 阶 扭 转 频 率， 验证 了多目标优化模块的有效性和正确性。 关键词：车身 概念设计 多目标优化 轻量化 中图分类号：Ｕ ４ ６ ３ ８ ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ０ １ ２ ９ ８ （ ２ ０ １ １ ） ０ ４ ０ ０ 机 械 学 报 ２０１１年
计，只 需进行静 刚 度分析。若所受动 载荷较大，或 者虽然不大，但作用力的频率与车身结 构 的某 一固 有频率接近时，就 可 能 引 起 结 构 共 振， 造成车身强 度破坏或产生不允许的大变形。此时在分析汽车静 刚度的同时， 必须对汽车的结构进行动力学分析， 即 动刚度分析。一般 情 况， 通过改变车身结构来提高 车身的低阶模态固 有 频 率， 即一阶弯曲振型频率和
８ ］ 算法， 其多目标优化综合目标函数 ［ 为 ２ ｍ ｉ ｎ Ｆ （ ）＝ ω ρ
为了实现车身的最 优 化 设 计， 实现车身的轻量化和 降低成本， 需要 对 车 身 进 行 优 化 设 计。 在 车 身 的 概 念设计阶段， 对车身 的 结 构 性 能 进 行 优 化 可 保 证 后 续的设计参数更加合理可靠。但是一般的优化设计 仅仅对其中某个指 标 进 行 单 一 目 标 的 优 化， 很难得 到满足实际车身设 计 需 要 的 最 优 结 构 参 数， 因为对 单一目标优化可能会对其他结构性能产生不利的影 响。因此需要进行以多个结构性能指标同时作为优 化目标的多目标优化。 本 文 通 过 对 多 目 标 优 化 算 法 的 研 究， 在车身结 Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） 中构建多目标优化模 构概念设计系 统 （ 块， 对轿车白车身快 速 建 立 参 数 化 的 几 何 模 型 和 有 限元模型， 支持以车 身 板 厚 和 截 面 形 状 为 设 计 变 量 的多目标优化设计。
。以并行 工 程 为 主 要 模 式 的 现 代 车 身 设 计 方
法要求设计与分析 并 行， 车身结构分析贯穿于整个
收稿日期：２ ０ １ ０ ０ ４ ０ ８ 修回日期：２ ０ １ ０ ０ ６ ２ ３
８ ６ ３计划） 资助项目（ ２ ０ ０ ９ Ａ Ａ ０ ４ Ｚ １ ０ １ ） 、 国家自然科学基金资助项目（ １ ０ ８ ０ ２ ０ １ ８ ） 和辽宁省自然科学基金资助 国家高技术研究发展计划（ 项目（ ２ ０ ０ ９ ２ １ ５ ３ ） 作者简介：刘宝越， 硕士生， 主要从事车身结构概念设计阶段多目标优化研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｂ ａ ｏ ｙ ｕ ｅ ｌ ｉ ｕ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 通讯作者：侯文彬， 副教授， 主要从事车身结构概念设计研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｈ ｏ ｕ ｗ ｂ ＠ｄ ｌ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ
引起其他子目标性 能 的 降 低， 同时使各子目标均达 到最优一般是不可能的。解决这样的问题需要在各 子目标之间进行协 调 权 衡 和 折 中 处 理， 使各子目标 函数尽可能达到最优。传统的多目标优化问题采用 线性加权法、 层次优化法、 目标规划法等把多目标问 题转换为单目标问题。文献 ［ ７ ］ 对某轿车提出了拓 扑优化和尺寸优化 两 种 结 构 优 化 方 案， 研究了在增 加较少质量的条件 下 提 高 低 阶 频 率 的 方 法， 具有指 导意义。本文采用折衷规划法结合平均频率法研究 了同时考虑车身结构刚度和低阶模态的多目标优化
板厚优化前后对比及取用值tabthicknessbeforeafteroptimizationactuallyadoptedvaluemm板件类别优化前优化后取用值200门槛纵梁外板850门槛纵梁内板400门槛纵梁加强板800地板横梁外板950地板横梁内板700地板纵梁外板800地板纵梁内板500地板纵梁加强板900顶盖后纵梁加强板800后风窗上横梁外板600后风窗上横梁内板各指标对比验证tabindexvalue参数原模型综合多目标优化验证刚度多目标优化对比白车身质量kg184888185000185032弯曲刚度nmm625341169056972755扭转刚度196722295284322181模态一阶弯曲频率hz262612648326271模态一阶扭转频率hz374363791437438中数据得到刚度模态综合多目标优化后的弯曲刚度提高59模态一阶弯曲频率提高85一阶扭转频率提高06在允许范围内本次刚度模态综合多目标优化达到了预期目的提供了最优的参数设计和改进方案
[ ( ∑ ω Ｃ ρ －Ｃ )
ｋ ｋ ＝１ ｋ ， ｍ ａ ｘ ｋ ， ｍ ｉ ｎ
１ ２
ｍ
Ｃ （ ）－Ｃ ｋ ｋ ， ｍ ｉ ｎ
２
＋ （ １ ）
２ （ １－ω ）
(
（ ） Λ Λ ρ ｍ ａ ｘ－ Λ Λ ｍ ａ ｘ－ ｍ ｉ ｎ
) ]
２
式中 Ｆ （ ） — — —综合目标函数 ρ ｍ — — —静态工况个数 — — —第 ｋ 个工况的权重 ω ｋ Ｃ 、 Ｃ — — —第 ｋ个工况柔度目标函数的 ｋ ， ｍ ａ ｘ ｋ ， ｍ ｉ ｎ 最大值和最小值 — — —柔度目标函数的权重 ω （ ） — — —平均频率 Λ ρ 、 — — —频率目标函数最大值和最小值 Λ Λ ｍ ａ ｘ ｍ ｉ ｎ 式（ １ ） 综 合 考 虑 刚 度 和 模 态 两 方 面 优 化 目 标， 对于静态结构刚度 多 目 标 优 化 目 标 函 数， 可以采用
１ １ ２ １ Ｌ ｉ ｕＢ ａ ｏ ｙ ｕ ｅ Ｈ ｏ ｕＷｅ ｎ ｂ ｉ ｎ Ｚ ｈ ａ ｎ ｇＨ ｏ ｎ ｇ ｚ ｈ ｅ Ｈ ｕＰ ｉ ｎ ｇ
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２ ］ 阶段 ［ 。
引言 汽车车身概念设计阶段，首先要实现对车身分 析模型的快速构造和对结构尺寸的编 辑修改，其 次 是快 速 实 现 多 个 方 案 的 性 能 比 较 和 结 构 优 化 设 计
［ １ ］
车身刚度包括静刚度和动刚度。车身静刚度一 般包括弯曲刚度和扭转刚度。动刚度用车身低阶模 态来衡量， 其模态频 率 应 与 载 荷 的 激 振 频 率 相 差 较 大。汽 车 在 工 作 过 程 中， 动 载 荷 较 小 时，可 忽 略 不
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９ ］ ， 通常把刚度最 折衷规划法研究多 目 标 优 化 问 题 ［
１ 车身结构概念设计系统
车身结构 概 念 设 计 系 统 （ ｖ ｅ ｈ ｉ ｃ ｌ ｅｃ ｏ ｎ ｃ ｅ ｐ ｔ ｄ ｅ ｓ ｉ ｇ ｎ ｉ ｎ ｔ ｅ ｌ ｌ ｉ ｇ ｅ ｎ ｔ Ｃ Ａ Ｅ ， 简称为 Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） ， 基于汽车行业 常用的 软 件 Ｕ Ｇ／ Ｎ Ｘ 平 台 进 行 二 次 开 发， 以Ｃ Ａ Ｅ技 术为核心，融合 了 参 数 化 设 计、 模板技术和优化方 法等先进的设计分 析 技 术， 可快速建立参数化概念 车身的几何模型； 生成有限元网格模型和边界约束 载荷； 通过调用外部求解器 Ｎ Ｘ／ Ｎ ａ ｓ ｔ ｒ ａ ｎ进行 刚 度 和 模态计算， 生成后处理视图和产品设计报告； 还可对 概念车身的梁和板组合结构进行灵敏度分析及参数 优化、 形状优化， 指导和帮助用户得到满意的设计方 案， 最终实现“ 分析驱动设 计” 这一新的概念设计理
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２０１１年 ４月
农 业 机 械 学 报
第４ ２卷 第 ４期
车身结构概念设计系统多目标优化模块设计
刘宝越 １ 侯文彬 １ 张红哲 ２ 胡 平 １
（ １ ． 大连理工大学汽车工程学院，大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ；２ ． 大连理工大学机械工程学院，大连 １ １ ６ ０ ２ ４ ）
【 摘要】 为了避免汽车车身设计后期的反复 修 改， 开发了车身结构概念设计系统（ Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） 的多目标优化 模块， 设计了以车身结构刚度和模态为设计目标的多 目 标 优 化 算 法， 可实现在车身质量不增加的前提下提高车身 总体结构性能， 从而为概念设计阶段实现车身轻量 化 提 供 依 据， 节 约 时 间 和 成 本。 最 后 结 合 具 体 车 型 的 概 念 设 计 过程， 对该车身进行了多目标优化设计， 提高了该车身的弯曲刚度、 扭转刚度、 一 阶 弯 曲 频 率 和 一 阶 扭 转 频 率， 验证 了多目标优化模块的有效性和正确性。 关键词：车身 概念设计 多目标优化 轻量化 中图分类号：Ｕ ４ ６ ３ ８ ２ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ０ ０ ０ １ ２ ９ ８ （ ２ ０ １ １ ） ０ ４ ０ ０ 机 械 学 报 ２０１１年
计，只 需进行静 刚 度分析。若所受动 载荷较大，或 者虽然不大，但作用力的频率与车身结 构 的某 一固 有频率接近时，就 可 能 引 起 结 构 共 振， 造成车身强 度破坏或产生不允许的大变形。此时在分析汽车静 刚度的同时， 必须对汽车的结构进行动力学分析， 即 动刚度分析。一般 情 况， 通过改变车身结构来提高 车身的低阶模态固 有 频 率， 即一阶弯曲振型频率和
８ ］ 算法， 其多目标优化综合目标函数 ［ 为 ２ ｍ ｉ ｎ Ｆ （ ）＝ ω ρ
为了实现车身的最 优 化 设 计， 实现车身的轻量化和 降低成本， 需要 对 车 身 进 行 优 化 设 计。 在 车 身 的 概 念设计阶段， 对车身 的 结 构 性 能 进 行 优 化 可 保 证 后 续的设计参数更加合理可靠。但是一般的优化设计 仅仅对其中某个指 标 进 行 单 一 目 标 的 优 化， 很难得 到满足实际车身设 计 需 要 的 最 优 结 构 参 数， 因为对 单一目标优化可能会对其他结构性能产生不利的影 响。因此需要进行以多个结构性能指标同时作为优 化目标的多目标优化。 本 文 通 过 对 多 目 标 优 化 算 法 的 研 究， 在车身结 Ｖ Ｃ Ｄ Ｉ Ｃ Ａ Ｅ ） 中构建多目标优化模 构概念设计系 统 （ 块， 对轿车白车身快 速 建 立 参 数 化 的 几 何 模 型 和 有 限元模型， 支持以车 身 板 厚 和 截 面 形 状 为 设 计 变 量 的多目标优化设计。
。以并行 工 程 为 主 要 模 式 的 现 代 车 身 设 计 方
法要求设计与分析 并 行， 车身结构分析贯穿于整个
收稿日期：２ ０ １ ０ ０ ４ ０ ８ 修回日期：２ ０ １ ０ ０ ６ ２ ３
８ ６ ３计划） 资助项目（ ２ ０ ０ ９ Ａ Ａ ０ ４ Ｚ １ ０ １ ） 、 国家自然科学基金资助项目（ １ ０ ８ ０ ２ ０ １ ８ ） 和辽宁省自然科学基金资助 国家高技术研究发展计划（ 项目（ ２ ０ ０ ９ ２ １ ５ ３ ） 作者简介：刘宝越， 硕士生， 主要从事车身结构概念设计阶段多目标优化研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｂ ａ ｏ ｙ ｕ ｅ ｌ ｉ ｕ ＠１ ６ ３ ． ｃ ｏ ｍ 通讯作者：侯文彬， 副教授， 主要从事车身结构概念设计研究， Ｅ ｍ ａ ｉ ｌ ：ｈ ｏ ｕ ｗ ｂ ＠ｄ ｌ ｕ ｔ ． ｅ ｄ ｕ ． ｃ ｎ