一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法
【專利摘要】本發(fā)明提出了一種基于近似模型的車身低阻、低噪造型協(xié)同優(yōu)化方法，通過協(xié)同車身造型參數(shù)控制，實現(xiàn)低阻、低阻車身設(shè)計。首先對待優(yōu)化汽車車身進行簡化，控制能反映車身造型的特征參數(shù)和約束，構(gòu)建車身造型參數(shù)與氣動阻力和氣動噪聲性能影響關(guān)系的近似模型，根據(jù)不同車型，設(shè)計氣動阻力和氣動噪聲影響權(quán)重系數(shù)，利用協(xié)同優(yōu)化理論對車身進行多學(xué)科優(yōu)化，最終獲取較佳的汽車車身造型參數(shù)，以實現(xiàn)在最大限度保持原始車型美學(xué)造型風格基礎(chǔ)上的低阻和低噪聲雙目標設(shè)計。本發(fā)明所提出設(shè)計方法，克服了當前汽車車身僅考慮降低氣動阻力或氣動噪聲的單一目標，可提高車身設(shè)計水平，方法簡便可靠。
【專利說明】-種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于車輛工程領(lǐng)域，具體涉及汽車車身參數(shù)設(shè)計優(yōu)化方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 長期W來，汽車車身造型一直是在美學(xué)基礎(chǔ)上，通過控制車身造型幾何參數(shù)，來降 低風阻，實現(xiàn)減小油耗。然而隨著實用車速的提高，在車輛高速行駛時，由于汽車車身H維 復(fù)雜曲面所包含的前擋風玻璃、后視鏡、天線、n把手、車輪輪罩等邊緣突出物產(chǎn)生了極強 的風鳴噪聲。同時，由于通風換氣需要，高速行駛后開啟車窗，在車窗A柱、B柱等位置處 由于壓力脈動，產(chǎn)生了風振噪聲。風鳴噪聲和風振噪聲均屬于氣流和汽車車身相互作用而 產(chǎn)生的氣動噪聲。該些噪聲當車速超過80公里每小時后，氣動噪聲聲壓級可達110地W 上。氣動噪聲的存在嚴重的影響到車輛的乘坐舒適性，若長時間駕駛員處于強烈的風振噪 聲中，極易加速疲勞，進而間接的影響到車輛行駛安全性。本發(fā)明申請者近年來多項研究成 果表明，通過控制車身造型幾何參數(shù)，可W有效控制氣動噪聲。
[0003] 顯然，氣動阻力和氣動噪聲屬于不同的兩類空氣動力學(xué)范疇，低阻、低噪之間存在 復(fù)雜的禪合關(guān)系，但兩者的目標函數(shù)不一致，氣動阻力最小的車身，氣動噪聲不一定最低。
[0004] 就目前的公開的技術(shù)來看，尚無在車身設(shè)計上，即考慮降低氣動阻力，又能保證較 大的氣動噪聲的設(shè)計方法。
[0005] 針對W上技術(shù)存在不足，本發(fā)明提出了一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方 法。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明方法包括W下步驟：
[0007] 步驟一：建立汽車車身外形尺寸與氣動阻力和氣動噪聲近似模型；
[0008] ①.建立樣本點集與約束；首先根據(jù)待優(yōu)化的具有美學(xué)特征的汽車車身，構(gòu)建造 型特征點集Xi =找。，X。，……XJ和X2 =化1，X22，……XsJ作為設(shè)計向量，此處，特征 點集分別是根據(jù)經(jīng)驗，選取對氣動阻力和氣動噪聲產(chǎn)生影響的位置點進行構(gòu)建。再根據(jù)汽 車車身幾何參數(shù)設(shè)計標準（如最小進入角、離去角、最小離地間隙等）及該車型某些硬點 約束（如發(fā)動機艙最低點、人機工程下的乘員艙最小高度）分別確定兩個特征點集的上下 限a《Xii《b和C《X2j.《d ;在硬點條件約束（即該位置的特征點位置不變）下，進行試 驗設(shè)計值OE)，即改變汽車車身幾何造型特征點Xii、X2j.，構(gòu)造新的汽車車身造型，分別應(yīng)用 計算流體力學(xué)C抑軟件（如；'111611*、5141?-(111+、〔?！?、5141?-〔0等）計算新汽車車身的氣動 阻力和氣動噪聲，構(gòu)建起氣動阻力和氣動噪聲在特征樣本點上的在空間分布，得到各樣本 點處氣動阻力系數(shù)（Cd)和氣動噪聲聲壓級地）的響應(yīng)值；
[000引②.誤差樣本點剔除和添加；剔除掉樣本點中誤差偏離大的點，同時添加樣本點， W提局模型精度；
[0010] ③.根據(jù)各樣本點和樣本點響應(yīng)值，構(gòu)建擬合函數(shù)即近似代理模型。
[0011] ④.可靠性分析：在特征點集Xi、X2中隨機抽取第lm+1和化+1，生成新的汽車車身 幾何模型，重新應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD技術(shù)，計算該樣本點下的氣動阻力系數(shù)Cd和氣動噪 聲地，對比樣本點lm+1和化+1在近似代理模型中的響應(yīng)值，判斷誤差是否在允許范圍內(nèi)， 如果滿足精度要求，則進入第二步驟；否則重復(fù)進行該步驟②、③、④，直到滿足工程要求；
[0012] 步驟二：對步驟一中建立的近似模型進行單目標優(yōu)化，將獲得的最優(yōu)阻力系數(shù)Cd 和聲壓級地下的作為多目標優(yōu)化時的邊界設(shè)定依據(jù)；
[0013] 需要說明的是，由于低阻和低噪是模糊概念，存在一定約束條件下極小值，而非最 低值。而且，低阻和低噪在車身設(shè)計上存在互斥性矛盾，不同風格的汽車造型特征，對低阻 和低噪的取舍權(quán)重不同，因此不同的氣動阻力和氣動噪聲權(quán)重對應(yīng)不同的優(yōu)化解（解集）；
[0014] 步驟H ;構(gòu)建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型： Cd-Cdo dB-dB〇 Max'. /(X ^ +巧-- CM。 dB。
[0015] 其中，X為車身特征點參數(shù)向量，表征車身不同外形，Cd。和地。是原車身氣動阻力 系數(shù)和聲壓級，而Cd和地是優(yōu)化過程中的中間變量，m和n分別為阻力和噪聲學(xué)科的權(quán)重 系數(shù)，顯然，m+n = 1。
[0016] 步驟四：構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化基本框架（如附圖1)。
[0017] 其中，Rl和R2在系統(tǒng)級為約束，在子系統(tǒng)級中屬于優(yōu)化目標，可W保證優(yōu)化過程 中各參數(shù)的一致性，狂"-Xw)2和狂2j.-X2w)2表示汽車車身造型參數(shù)相對與原車型造型參數(shù) 變動量，（Cd-Cd。) 2和（地-地。)2分別表示改變造型后氣動阻力系數(shù)減小量和氣動噪聲降低 量，為了保證最大限度的保留原始汽車車身美學(xué)造型風格，又能兼顧減阻和降噪的需要，子 系統(tǒng)級優(yōu)化目標設(shè)計為MinRl和MinR2 ;X0為系統(tǒng)級參數(shù)向量X的初始值，由阻力和噪聲 兩子系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)向量Xi和X2的并集組成，并且滿足X, n石*0，即兩系統(tǒng)有公共的 優(yōu)化參數(shù)；a, b，C，d分別兩子系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的上下限，不同參數(shù)約束范圍不一；阻力系統(tǒng)中 0. 1是汽車行業(yè)公認的理想類車體能達到的氣動阻力系數(shù)最佳值，75. 0是國際標準中對整 車氣動噪聲聲壓級的限定值。
[0018] 步驟五；利用優(yōu)化算法進行迭代優(yōu)化，最終得到在最大限度保證原車型美學(xué)造型 特征條件下的低阻、低噪?yún)f(xié)同下的最優(yōu)汽車車身造型。
[001引【專利附圖】

【附圖說明】
[0020] 圖1是協(xié)同優(yōu)化基本框架。
[0021] 圖2是簡單車體模型示意圖。
[0022] 圖3為特征點集示意圖。

【具體實施方式】
[0023] 為了更清楚地說明本發(fā)明實施例的技術(shù)方案，結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步描述：
[0024] (1).分別建立可靠的車身外形尺寸與氣動阻力和氣動噪聲近似模型；
[00巧]①.構(gòu)建樣本點與約束：首先建立待優(yōu)化的具有美學(xué)造型風格的車身造型特 征點集 Xl = {xl，z4, z8, Zll, y2, x3}和 X2 = (z4, z8, z2, y2}作為設(shè)計向量，其中：特 征參數(shù)義1，24,28,211，72，義3和22分別表征車頭橫向曲率，前、后風窗傾角，離去角， 側(cè)窗傾角及車頭鼻尖高度共7個主要特征造型幾何參數(shù)；再根據(jù)汽車車身設(shè)計標準及 待優(yōu)化車型所必須具備的硬點確定約束條件。若W汽車縱對稱面、經(jīng)過車身頂部最高 點的鉛垂面和經(jīng)過車身最外側(cè)的水平面的H面交點為原點，則可本實例中的造型參數(shù) 約束分別為：-980《Xl《-910,630《z4《790,750《z8《890, -40《Zll《50， 880《y2《950, -750《x3《-640,該些約束邊界單位是實車造型長度單位毫米；分別通 過試驗設(shè)計值犯）獲得各個學(xué)科樣本點在空間分布后，通過分別應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD軟 件（如；f luent、STAR-CCM+、CFX、STAR-CD等），獲得每一樣本點處響應(yīng)值（Cd和地）；
[002引②.誤差樣本點剔除和添加；剔除掉樣本點中誤差偏離大的點，同時添加樣本點， W提高模型精度；
[0027] ③.根據(jù)各樣本點和樣本點響應(yīng)值，構(gòu)建擬合函數(shù)即近似代理模型。
[002引④.可靠性分析：在特征點集Xi、X2中隨機抽取第lm+1和化+1，生成新的汽車車身 幾何模型，重新應(yīng)用計算流體力學(xué)CFD技術(shù)，計算該樣本點下的氣動阻力系數(shù)Cd和氣動噪 聲地，對比樣本點lm+1和化+1在近似代理模型中的響應(yīng)值，判斷誤差是否在允許范圍內(nèi)， 如果滿足精度要求，則進入第二步驟；否則重復(fù)進行該步驟②、③、④，直到滿足工程要求；
[0029] (2).對步驟一中建立的近似模型進行單目標優(yōu)化，將獲得的最優(yōu)阻力系數(shù)Cd和 聲壓級地下的作為多目標優(yōu)化時的邊界設(shè)定依據(jù)；
[0030] 需要說明的是，由于低阻和低噪是模糊概念，存在一定約束條件下極小值，而非最 低值。而且，低阻和低噪在車身設(shè)計上存在互斥性矛盾，不同風格的汽車造型特征，對低阻 和低噪的取舍權(quán)重不同，因此不同的氣動阻力和氣動噪聲權(quán)重對應(yīng)不同的優(yōu)化解（解集）；
[0031] (3).構(gòu)建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型： ..^v.、 Cd-Cd。 犯-dB〇 ^ ^ Cd。 dB。
[003引其中，X為車身特征點參數(shù)向量，表征車身不同外形，Cd。和地。是原車身氣動阻力 系數(shù)和聲壓級，而Cd和地是優(yōu)化過程中的中間變量，m和n分別為阻力和噪聲學(xué)科的權(quán)重 系數(shù)，顯然，m+n = 1，此處，若假設(shè)降噪和減阻同等重要。則可W選取m = n = 0. 5。
[0033] (4).構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化基本框架（如附圖1)。
[0034] 其中，Rl和R2在系統(tǒng)級為約束，在子系統(tǒng)級中屬于優(yōu)化目標，可W保證優(yōu)化過 程中各參數(shù)的一致性，狂"-Xw)2和狂2j.-X2w)2表示汽車車身造型參數(shù)相對與原車型造型 參數(shù)變動量，（Cd-Cd。) 2和（地-地。)2分別表示改變造型后氣動阻力系數(shù)減小量和氣動噪 聲降低量，為了保證最大限度的保留原始汽車車身美學(xué)造型風格，又能兼顧減阻和降噪 的需要，子系統(tǒng)級優(yōu)化目標設(shè)計為MinRl和MinR2 ;X0為系統(tǒng)級參數(shù)向量X的初始值， 由阻力和噪聲兩子系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)向量Xl和X2的并集組成，并且滿足X|nJ"2*0，即 兩系統(tǒng)有公共的優(yōu)化參數(shù)；a、b、C、d分別代表兩子系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的上下限，不同參數(shù)約 束范圍不一，本實施例中的系統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)上下線描述若W汽車縱對稱面、經(jīng)過車身頂部 最高點的鉛垂面和經(jīng)過車身最外側(cè)的水平面的H面交點為原點，則可本實例中的造型參 數(shù)約束分別為：-980《Xl《-910,630《z4《790,750《z8《890, -40《Zll《50， 880《y2《950, -750《x3《-640,該些約束邊界單位是實車造型長度單位毫米；阻力系 統(tǒng)中0. 1是汽車行業(yè)公認的理想類車體能達到的氣動阻力系數(shù)最佳值，75. 0是國際標準中 對整車氣動噪聲聲壓級的限定值。
[0035] 巧).利用優(yōu)化算法進行迭代優(yōu)化，最終得到在最大限度保證原車型美學(xué)造型特征 條件下的低阻、低噪?yún)f(xié)同下的最優(yōu)汽車車身造型。
【權(quán)利要求】
1. 一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：建立車身樣本點集與約 束；構(gòu)建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型；構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化基本框架。
2. 如權(quán)利要求1所述，一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：所述的 建立車身樣本點集與約束，即選擇車身造型特征點集Xl和X2作為設(shè)計向量，其中造型特征 點集Xl和X2中分別包含與氣動阻力和氣動噪聲有密切關(guān)系的主要特征造型幾何參數(shù)；所 述的約束是根據(jù)汽車車身設(shè)計標準及待優(yōu)化車型所必須具備的硬點確定約束條件。
3. 如權(quán)利要求1所述，一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設(shè)計優(yōu)化方法，其特征在于：構(gòu)建車 身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學(xué)模型，
其中，X為車身特征點參數(shù)向量，包括征點集Xl和X2,表征車身不同外形特征，Cdc^P dBQ是原車身氣動阻力系數(shù)和聲壓級，而Cd和dB是優(yōu)化過程中的中間變量，m和n分別為 阻力和噪聲學(xué)科的權(quán)重系數(shù)，且m+n = 1。
4. 如權(quán)利要求1所述，本發(fā)明基于構(gòu)建協(xié)同優(yōu)化基本框架，其中Rl和R2在系統(tǒng)級 為約束，在子系統(tǒng)級中屬于優(yōu)化目標，可以保證優(yōu)化過程中各參數(shù)的一致性，（Xli-Xlitl) 2和 (X2j-X2M)2表示汽車車身造型參數(shù)相對與原車型造型參數(shù)變動量，（Cd-Cd tl)2和（dB-dBj2分 別表示改變造型后氣動阻力系數(shù)減小量和氣動噪聲降低量，為了保證最大限度的保留原始 汽車車身美學(xué)造型風格，又能兼顧減阻和降噪的需要，子系統(tǒng)級優(yōu)化目標設(shè)計為MinRl和 MinR2 ;X0為系統(tǒng)級參數(shù)向量X的初始值，由阻力和噪聲兩子系統(tǒng)的優(yōu)化參數(shù)向量Xl和X2 的并集組成，并且滿足X1 HX2 * 0，即兩系統(tǒng)有公共的優(yōu)化參數(shù)；a、b、c、d分別代表兩子系 統(tǒng)優(yōu)化參數(shù)的上下限，不同參數(shù)約束范圍不一，約束邊界單位是實車造型長度單位毫米；阻 力系統(tǒng)中0. 1是汽車行業(yè)公認的理想類車體能達到的氣動阻力系數(shù)最佳值，75. O是國際標 準中對整車氣動噪聲聲壓級的限定值。
【文檔編號】G06F17/50GK104331536SQ201410500438
【公開日】2015年2月4日 申請日期:2014年9月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月26日
【發(fā)明者】谷正氣, 張勇, 尹小放, 梁敏 申請人:湖南工業(yè)大學(xué)