一种汽车车身低阻低噪协同设计优化方法

摘要

本发明提出了一种基于近似模型的车身低阻、低噪造型协同优化方法，通过协同车身造型参数控制，实现低阻、低阻车身设计。首先对待优化汽车车身进行简化，控制能反映车身造型的特征参数和约束，构建车身造型参数与气动阻力和气动噪声性能影响关系的近似模型，根据不同车型，设计气动阻力和气动噪声影响权重系数，利用协同优化理论对车身进行多学科优化，最终获取较佳的汽车车身造型参数，以实现在最大限度保持原始车型美学造型风格基础上的低阻和低噪声双目标设计。本发明所提出设计方法，克服了当前汽车车身仅考虑降低气动阻力或气动噪声的单一目标，可提高车身设计水平，方法简便可靠。

说明书

技术领域

本发明属于车辆工程领域，具体涉及汽车车身参数设计优化方法。 

背景技术

长期以来，汽车车身造型一直是在美学基础上，通过控制车身造型几何参数，来降低风阻，实现减小油耗。然而随着实用车速的提高，在车辆高速行驶时，由于汽车车身三维复杂曲面所包含的前挡风玻璃、后视镜、天线、门把手、车轮轮罩等边缘突出物产生了极强的风鸣噪声。同时，由于通风换气需要，高速行驶后开启车窗，在车窗A柱、B柱等位置处由于压力脉动，产生了风振噪声。风鸣噪声和风振噪声均属于气流和汽车车身相互作用而产生的气动噪声。这些噪声当车速超过80公里每小时后，气动噪声声压级可达110dB以上。气动噪声的存在严重的影响到车辆的乘坐舒适性，若长时间驾驶员处于强烈的风振噪声中，极易加速疲劳，进而间接的影响到车辆行驶安全性。本发明申请者近年来多项研究成果表明，通过控制车身造型几何参数，可以有效控制气动噪声。 

显然，气动阻力和气动噪声属于不同的两类空气动力学范畴，低阻、低噪之间存在复杂的耦合关系，但两者的目标函数不一致，气动阻力最小的车身，气动噪声不一定最低。 

就目前的公开的技术来看，尚无在车身设计上，即考虑降低气动阻力，又能保证较大的气动噪声的设计方法。 

针对以上技术存在不足，本发明提出了一种汽车车身低阻低噪协同设计优化方法。 

发明内容

本发明方法包括以下步骤： 

步骤一：建立汽车车身外形尺寸与气动阻力和气动噪声近似模型； 

①.建立样本点集与约束：首先根据待优化的具有美学特征的汽车车身，构建造型特征点集X₁＝{X₁₁，X₁₂，……X_1m}和X₂＝{X₂₁，X₂₂，……X_2n}作为设计向量，此处，特征点集分别是根据经验，选取对气动阻力和气动噪声产生影响的位置点进行构建。再根据汽车车身几何参数设计标准(如最小进入角、离去角、最小离 地间隙等)及该车型某些硬点约束(如发动机舱最低点、人机工程下的乘员舱最小高度)分别确定两个特征点集的上下限a≤X_1i≤b和c≤X_2j≤d；在硬点条件约束(即该位置的特征点位置不变)下，进行试验设计(DOE)，即改变汽车车身几何造型特征点X_1i、X_2j，构造新的汽车车身造型，分别应用计算流体力学CFD软件(如：fluent、STAR-CCM+、CFX、STAR-CD等)计算新汽车车身的气动阻力和气动噪声，构建起气动阻力和气动噪声在特征样本点上的在空间分布，得到各样本点处气动阻力系数(Cd)和气动噪声声压级dB)的响应值； 

②.误差样本点剔除和添加：剔除掉样本点中误差偏离大的点，同时添加样本点，以提高模型精度； 

③.根据各样本点和样本点响应值，构建拟合函数即近似代理模型。 

④.可靠性分析：在特征点集X₁、X₂中随机抽取第1m+1和2n+1，生成新的汽车车身几何模型，重新应用计算流体力学CFD技术，计算该样本点下的气动阻力系数Cd和气动噪声dB，对比样本点1m+1和2n+1在近似代理模型中的响应值，判断误差是否在允许范围内，如果满足精度要求，则进入第二步骤；否则重复进行该步骤②、③、④，直到满足工程要求； 

步骤二：对步骤一中建立的近似模型进行单目标优化，将获得的最优阻力系数Cd和声压级dB下的作为多目标优化时的边界设定依据； 

需要说明的是，由于低阻和低噪是模糊概念，存在一定约束条件下极小值，而非最低值。而且，低阻和低噪在车身设计上存在互斥性矛盾，不同风格的汽车造型特征，对低阻和低噪的取舍权重不同，因此不同的气动阻力和气动噪声权重对应不同的优化解(解集)； 

步骤三：构建车身低阻、低噪协同优化数学模型： 

$>\mathrm{Max}:f\left(X\right)=m\left|\frac{\mathrm{Cd}-{\mathrm{Cd}}_0}{{\mathrm{Cd}}_0}\right|+n\left|\frac{\mathrm{dB}-{\mathrm{dB}}_0}{d{B}_0}\right|$>

其中，X为车身特征点参数向量，表征车身不同外形，Cd₀和dB₀是原车身气动阻力系数和声压级，而Cd和dB是优化过程中的中间变量，m和n分别为阻力和噪声学科的权重系数，显然，m+n＝1。 

步骤四：构建协同优化基本框架(如附图1)。 

其中，R1和R2在系统级为约束，在子系统级中属于优化目标，可以保证 优化过程中各参数的一致性，(X_1i-X_1i0)²和(X_2j-X_2j0)²表示汽车车身造型参数相对与原车型造型参数变动量，(Cd-Cd₀)²和(dB-dB₀)²分别表示改变造型后气动阻力系数减小量和气动噪声降低量，为了保证最大限度的保留原始汽车车身美学造型风格，又能兼顾减阻和降噪的需要，子系统级优化目标设计为MinR1和MinR2；X0为系统级参数向量X的初始值,由阻力和噪声两子系统的优化参数向量X1和X2的并集组成，并且满足即两系统有公共的优化参数；a,b,c,d分别两子系统优化参数的上下限，不同参数约束范围不一；阻力系统中0.1是汽车行业公认的理想类车体能达到的气动阻力系数最佳值，75.0是国际标准中对整车气动噪声声压级的限定值。 

步骤五：利用优化算法进行迭代优化，最终得到在最大限度保证原车型美学造型特征条件下的低阻、低噪协同下的最优汽车车身造型。 

附图说明 

图1是协同优化基本框架。 

图2是简单车体模型示意图。 

图3为特征点集示意图。 

具体实施方式

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，结合附图对本发明作进一步描述： 

(1).分别建立可靠的车身外形尺寸与气动阻力和气动噪声近似模型； 

①.构建样本点与约束：首先建立待优化的具有美学造型风格的车身造型特征点集X1＝{x1,z4,z8,z11,y2,x3}和X2＝{z4,z8,z2,y2}作为设计向量，其中：特征参数x1,z4,z8,z11,y2,x3和z2分别表征车头横向曲率，前、后风窗倾角，离去角，侧窗倾角及车头鼻尖高度共7个主要特征造型几何参数；再根据汽车车身设计标准及待优化车型所必须具备的硬点确定约束条件。若以汽车纵对称面、经过车身顶部最高点的铅垂面和经过车身最外侧的水平面的三面交点为原点，则可本实例中的造型参数约束分别为：-980≤x1≤-910，630≤z4≤790，750≤z8≤890，-40≤z11≤50，880≤y2≤950，-750≤x3≤-640，这些约束边界单位是实车造型长度单位毫米；分别通过试验设计(DOE)获得各个学科样本点在空间分布后，通 过分别应用计算流体力学CFD软件(如：fluent、STAR-CCM+、CFX、STAR-CD等)，获得每一样本点处响应值(Cd和dB)； 

②.误差样本点剔除和添加：剔除掉样本点中误差偏离大的点，同时添加样本点，以提高模型精度； 

③.根据各样本点和样本点响应值，构建拟合函数即近似代理模型。 

④.可靠性分析：在特征点集X₁、X₂中随机抽取第1m+1和2n+1，生成新的汽车车身几何模型，重新应用计算流体力学CFD技术，计算该样本点下的气动阻力系数Cd和气动噪声dB，对比样本点1m+1和2n+1在近似代理模型中的响应值，判断误差是否在允许范围内，如果满足精度要求，则进入第二步骤；否则重复进行该步骤②、③、④，直到满足工程要求； 

(2).对步骤一中建立的近似模型进行单目标优化，将获得的最优阻力系数Cd和声压级dB下的作为多目标优化时的边界设定依据； 

需要说明的是，由于低阻和低噪是模糊概念，存在一定约束条件下极小值，而非最低值。而且，低阻和低噪在车身设计上存在互斥性矛盾，不同风格的汽车造型特征，对低阻和低噪的取舍权重不同，因此不同的气动阻力和气动噪声权重对应不同的优化解(解集)； 

(3).构建车身低阻、低噪协同优化数学模型： 

$>\mathrm{Max}:f\left(X\right)=m\left|\frac{\mathrm{Cd}-{\mathrm{Cd}}_0}{{\mathrm{Cd}}_0}\right|+n\left|\frac{\mathrm{dB}-{\mathrm{dB}}_0}{d{B}_0}\right|$>

其中，X为车身特征点参数向量，表征车身不同外形，Cd₀和dB₀是原车身气动阻力系数和声压级，而Cd和dB是优化过程中的中间变量，m和n分别为阻力和噪声学科的权重系数，显然，m+n＝1，此处，若假设降噪和减阻同等重要。则可以选取m＝n＝0.5。 

(4).构建协同优化基本框架(如附图1)。 

其中，R1和R2在系统级为约束，在子系统级中属于优化目标，可以保证优化过程中各参数的一致性，(X_1i-X_1i0)²和(X_2j-X_2j0)²表示汽车车身造型参数相对与原车型造型参数变动量，(Cd-Cd₀)²和(dB-dB₀)²分别表示改变造型后气动阻力系数减小量和气动噪声降低量，为了保证最大限度的保留原始汽车车身美学造型风格，又能兼顾减阻和降噪的需要，子系统级优化目标设计为MinR1和 MinR2；X0为系统级参数向量X的初始值，由阻力和噪声两子系统的优化参数向量X1和X2的并集组成，并且满足即两系统有公共的优化参数；a、b、c、d分别代表两子系统优化参数的上下限，不同参数约束范围不一，本实施例中的系统优化参数上下线描述若以汽车纵对称面、经过车身顶部最高点的铅垂面和经过车身最外侧的水平面的三面交点为原点，则可本实例中的造型参数约束分别为：-980≤x1≤-910，630≤z4≤790，750≤z8≤890，-40≤z11≤50，880≤y2≤950，-750≤x3≤-640，这些约束边界单位是实车造型长度单位毫米；阻力系统中0.1是汽车行业公认的理想类车体能达到的气动阻力系数最佳值，75.0是国际标准中对整车气动噪声声压级的限定值。 

(5).利用优化算法进行迭代优化，最终得到在最大限度保证原车型美学造型特征条件下的低阻、低噪协同下的最优汽车车身造型。