一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設計優(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，構建車身造型參數(shù)與氣動阻力和氣動噪聲性能影響關系的近似模型，根據(jù)不同車型，設計氣動阻力和氣動噪聲影響權重系數(shù)，利用協(xié)同優(yōu)化理論對車身進行多學科優(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造型風格基礎上的低阻和低噪聲雙目標設計。本發(fā)明所提出設計方法，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)同設計優(yōu)化方法

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

【背景技術】
[0002] 長期W來，汽車車身造型一直是在美學基礎上，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范疇，低阻、低噪之間存在 復雜的禪合關系，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來看，尚無在車身設計上，即考慮降低氣動阻力，又能保證較 大的氣動噪聲的設計方法。
[0005] 針對W上技術存在不足，本發(fā)明提出了一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設計優(yōu)化方 法。


【發(fā)明內容】

[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)化的具有美學特征的汽車車身，構建造 型特征點集Xi =找。，X。，……XJ和X2 =化1，X22，……XsJ作為設計向量，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建。再根據(jù)汽 車車身幾何參數(shù)設計標準（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 驗設計值OE)，即改變汽車車身幾何造型特征點Xii、X2j.，構造新的汽車車身造型，分別應用 計算流體力學C抑軟件（如；'111611*、5141?-(111+、〔?！丁?141?-〔0等）計算新汽車車身的氣動 阻力和氣動噪聲，構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值，構建擬合函數(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，重新應用計算流體力學CFD技術，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值，判斷誤差是否在允許范圍內， 如果滿足精度要求，則進入第二步驟；否則重復進行該步驟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 和低噪的取舍權重不同，因此不同的氣動阻力和氣動噪聲權重對應不同的優(yōu)化解（解集）；
[0014] 步驟H ;構建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學模型： 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科的權重 系數(shù)，顯然，m+n = 1。
[0016] 步驟四：構建協(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)明實施例的技術方案，結合附圖對本發(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.構建樣本點與約束：首先建立待優(yōu)化的具有美學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 過試驗設計值犯）獲得各個學科樣本點在空間分布后，通過分別應用計算流體力學CFD軟 件（如；f luent、STAR-CCM+、CFX、STAR-CD等），獲得每一樣本點處響應值（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值，構建擬合函數(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，重新應用計算流體力學CFD技術，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值，判斷誤差是否在允許范圍內， 如果滿足精度要求，則進入第二步驟；否則重復進行該步驟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 和低噪的取舍權重不同，因此不同的氣動阻力和氣動噪聲權重對應不同的優(yōu)化解（解集）；
[0031] (3).構建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學模型： ..^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科的權重 系數(shù)，顯然，m+n = 1，此處，若假設降噪和減阻同等重要。則可W選取m = n = 0. 5。
[0033] (4).構建協(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。
【權利要求】
1. 一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設計優(yōu)化方法，其特征在于：建立車身樣本點集與約 束；構建車身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學模型；構建協(xié)同優(yōu)化基本框架。
2. 如權利要求1所述，一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設計優(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. 如權利要求1所述，一種汽車車身低阻低噪?yún)f(xié)同設計優(yōu)化方法，其特征在于：構建車 身低阻、低噪?yún)f(xié)同優(yōu)化數(shù)學模型，
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 阻力和噪聲學科的權重系數(shù)，且m+n = 1。
4. 如權利要求1所述，本發(fā)明基于構建協(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