汽车结构概念设计的思考

本文中概念设计指项目早期初版数据TG发布前的零件总体框架设计，众所周知，在整车开发中不同开发阶段下零件设计空间与设计更改所需的成本是不同的，如图所示，越是项目早期，零件设计空间越大，设计更改成本也越低，而越到后期则是相反。项目早期概念阶段很多零件设计尚不成熟，但其设计空间最大，此时确定合理的框架结构设计方向可以有效降低开发成本提高结构效率，然而如何在概念阶段找到较优解决方案且落地下来则并非易事。

前言

 图1

第一，项目早期其设计输入边界具有较大不确定性，无论是零件选型、整车布置、造型以及平台策略都具有一定调整空间，需在后续开发过程中逐步明确与细化，然而可变的设计空间对零件设计是一个巨大的挑战。第二，产品开发需在性能与成本间寻找平衡，而设计者希望两者都探索到极限，因此某些设计指标开发初期往往定义激进且易变，结构设计重心也随之变化。第三，整车开发周期逐年缩短，开发者首要解决的问题是满足开发要求前提下快速上市，是否充分挖掘出结构设计的潜力则成为一个次要选项，结构设计在精益求精与快速上市上也是一对困扰开发者的矛盾。

图2

整车开发过程是一个从整体到局部、由粗到细，逐渐收敛的过程。结构设计上也服从这一趋势，从整体框架设计到局部尺寸与特征设计。项目早期概念阶段则是决定整体框架设计的关键时期，此时需要在设计边界内进行结构选型确定最佳框架传力路径，设计者一般根据经验参考若干上一代车型与竞品车型或者其组合进行初始化设计，并根据空间尺寸结合历史经验给出结构的定性判断，后续基于此判断进行局部优化与细化，项目早期的这种设计往往较为主观，且受到上述诸多因素限制，很难进行多种解决思路的横向对比，找出最适合本项目的全局方案。

制约多框架选型同步评估与选型的主要原因是现有CAD-CAE建模与分析工作链过长，从布置到CAD建模、到CAE建模到CAE分析到优化与反馈CAD

图3

在概念阶段需要一个具有较高柔性的模型，可快速响应输入的变化，并体现关键几何要素，满足结构设计的方向性判断。SFE全参概念模型是这样一种解决方案，SFE概念全参模型可在内部实现CAD建模到CAE仿真的全流程，其工作流程更为轻量化，简化非关键局部特征控制好精度，迭代效率大大提升（如图所示），这符合概念阶段需求。在此建模技术基础上进行模块化拆分与结构化储存可进一步提升建模与开发效率，如不考虑模型差异简单对比建模效率可提升近90%。

图4

在概念阶段需要一个具有较高柔性的模型，可快速响应输入的变化，并体现关键几何要素，满足结构设计的方向性判断。SFE全参概念模型是这样一种解决方案，SFE概念全参模型可在内部实现CAD建模到CAE仿真的全流程，其工作流程更为轻量化，简化非关键局部特征控制好精度，迭代效率大大提升（如图所示），这符合概念阶段需求。在此建模技术基础上进行模块化拆分与结构化储存可进一步提升建模与开发效率，如不考虑模型差异简单对比建模效率可提升近90%。

模型效率提高，使得概念阶段多结构方向的模型矩阵快速评估成为可能，多概念方案的模型矩阵可更大程度覆盖多种拓扑结构选型、多种关键输入。在更大结构尺度上（如环路强弱分布、路径设计）基于定性评估与定量分析进行方案的筛选，并结合历史经验与拓扑优化为项目决策提供更多全局框架的可行方向。对于中等尺度的结构设计如接头形式、梁的位置与尺寸等，则可在此时期进行大样本计算，得到满足若干边界输入下的最佳结构组合。这与以经验为主的结构框架选型与局部仿真优化方式并不矛盾，相反应是各取所长，互为补充。这种基于大样本计算的结构选型可在很大程度上增加经验的设计的广度，且在技术上具有更多扩展性，如基于机器学习模型对结构方案进行大数据分析，在满足一定边界输入范围时预推荐适合的结构框架设计。

图5

在项目早期概念阶段，多学科协同也是一个制约概念开发效率进一步提升的问题。由于性能与重量成本之间，以及不同性能之间经常存在设计冲突，在较短时间内实现多设计指标的平衡是一个较大的挑战。处理多学科协同时，沟通是非常必要的，但往往需要大量反复互相试探的沟通成本，也极耗费工程师精力。因此引入快速的多学科同步迭代技术对概念开发也是非常有益的，在模型和分析工况与指标上可适当精简，达到快速响应的目的。SFE参数化模型在多种常见工程求解器间可快速切换，基于此模型技术做相应开发可一定程度实现快速多学科同步计算与优化。效率的提升，带来的益处不仅仅是开发成本的降低，也能更好实现学科之间的平衡，当然这需要各学科专家与结构优化团队共同的努力。

图6

总之，概念阶段应当尽可能多的进行结构方案研究，在项目早期输入边界区间内探索可行的较优解决方案，此时需要更快的模型响应与更同步的多学科联合优化方法，概念开发阶段应将快速多方案多目标寻优与各学科团队精细评估验证相结合，各取所长开发出更好的汽车产品。