基于模块化产品族平台的白车身模块设计方法与流程

本发明涉及一种在概念设计阶段使用的基于模块化产品族平台的跨级别车型白车身结构模块划分及筛选的方法，属于车身设计技术领域，主要用于在设计初期对同一产品族下全系车型的车身结构进行模块分割及装配方式的设计。

背景技术：

随着科学技术的逐年发展和经济环境的日益成熟，世界级汽车厂商在全球一体化的潮流下，开始采用模块化的研发模式，进而减少生产、制造、维修乃至材料运输的成本，缩短新车型的设计研发周期，同时还能通过定制的方式满足不同消费群体甚至不同消费个体的多样化需求，为企业带来巨大优势。目前，基于模块化技术开发的新型平台甚至已经成为市场上各车型的主要卖点。然而，我国汽车工业的模块化技术起步较晚，模块化设计能力的低下成为了限制我国汽车工业发展的一大瓶颈。

汽车车身设计可分为概念设计和详细设计两个阶段。其中，概念设计阶段确定整车的布置方案和结构性能，决定了70％的总体成本；而汽车平台战略的优势又在于实现高度的零部件通用性和车身结构可拓展性。因此，基于模块化设计、制造及生产的思想在概念设计阶段就应该引入。

技术实现要素：

本发明在概念设计阶段，综合考虑多项车身性能指标，在发明者之前所提出的发明方法(专利号cn105787221a)的基础上，提出一种基于模块化生产制造方式的白车身结构模块装配设计方法，在保证车身结构各项性能的前提下，对车身进行基于模块制造的装配结构划分，再根据计算优化结果对各模块进行归类和筛选，为设计者提供了一种实现白车身模块化设计的思路。

本发明的技术方案：

基于模块化产品族平台的白车身模块设计方法，步骤如下：

(1)建立单个车型的优化模型：在提出的发明方法(专利号cn105787221a)的基础上，对同一产品族下每单个车型建立数学模型。为不影响后文叙述，简要说明如下：

以白车身模型所在坐标系为基准，分别在x方向和y方向(底板)以及y方向和z方向(侧围)取若干点，并依照这些点将白车身分块，即分为若干子板和子梁；以分块后的子部件为节点，子部件之间连接关系为边，建立拓扑关系g＝(v，e)，其中v＝{v1，v2，...，vp，...，vp}，e＝{e1，e2，...，eq，...，eq}。式中，{v1，v2，...，vp，...，vp}代表一组节点，共有p个节点，p为节点编号，{e1，e2，...，eq，...，eq}代表一组边，共有q条边，q为边的编号；定义一组由二进制变量γq组成的对原图g的分割向量γ＝(γ1，γ2，...，γq，...，γq)：当γq为0时表示拓扑关系中的边eq被移除，为1时表示该边保留，则分割向量γ可用来表达一种装配方式；以γ为设计变量，车身刚度、制造成本、装配成本为优化目标进行优化，目标函数分别为：

f车身刚度＝位移(g(v，e(γ)))

式中车身刚度函数f车身刚度用拓扑图g(v，e(γ))对应结构的有限元模型计算结果的最大位移来衡量：位移越大即结构变形越大，则刚度越小；comp(k，g(v，e(γ)))代表整车结构按照g(v，e(γ))划分后模型中的第k个子部件；模具面积越小，代表该子部件的制造成本f制造成本越低，焊点数量越少，代表结构的装配成本f装配成本越低。则优化模型对应为：

优化模型为多目标优化问题，优化自变量为一个由0和1组成的二进制向量，不需要特殊的编码过程即可以直接使用遗传算法进行优化计算，迭代种群和迭代代数需经过几次试算后根据收敛情况确定。根据相关研究，对于一般的工程优化问题可设定子代对父代的替换率为50％，交叉概率90％，变异概率10％，并以种群平均适应度函数变化率不超过3％为收敛条件。经过试算，对一般的车型，种群规模为200个，迭代代数为100代即可满足收敛要求。通过优化，可以得到单个车型的最佳装配方式；

(2)在单个车型优化模型的基础上进行保征寻优，实现在产品族内同时考虑多款车型的装配设计。

对每个单车车型都进行装配结构的优化，并对优化结果进行比对。扩大单个车型优化模型中的种群规模，进以保证不同车型在进行并行优化时每代种群中均有足够多的装配结构相同或只有局部不同的个体出现(经过多次试算，种群规模至少应达到单个车型优化模型中的3-4倍)。选取这些个体作为下一次迭代的初始解，直到优化收敛；对于n个车型，分割为m段结构，每段结构由α个子部件构成，则每段装配方式将由(2α-1)个编码决定，即优化模型为：

式中代表两个车型相应位置的装配方式比对，二者相同时计0，不相同计1，则越小代表装配结构越相近；通过在不同模型的种群之间选取保征解，实现多个模型的基于模块化思想的装配方案设计。

(3)完成装配设计的车身结构零部件将作为模块并进行归类。本发明方法中，将模块分为以下四类并进行逐步筛选：

参数模块：新车型设计时需要重新设计的模块；

通用模块：可在所有车型之间进行通用的模块；

柔性模块：但需要进行局部调整的模块；

个性模块：同类车型间通用、不同类车型间不可通用的模块。

(4)首先选取个性模块：根据车型类别和车身结构特征，可直接选出个性模块；

(5)其次选取参数模块：在以某车型为原型车进行新车型设计时，可在多个位置进行尺寸变动。根据装配结果，选取各模块在重设计方向上的坐标点u＝(umin，umax),式中u＝x，y，z，umin为对应方向上的最小坐标值，umax为最大坐标值；对于两个相邻的模块r和r+1，如果有urmax＞ur+1min,则该方向上，存在一个可以通过更改模块r和r+1的尺寸来改变整车尺寸的位置。如果urmax＝ur+1min，则可通过仅更改模块r或r+1中的一个来实现整车尺寸的变动。如果有三个模块相邻，并存同时有urmax＞ur+1min，ur+1max＞ur+2min，urmax＞ur+2min，则对车身结构在相应位置进行尺寸变动时，需要同时改动r，r+1和r+2三个模块；由此，可以找出可以对车身尺寸进行调整的位置及相应需要进行改动的模块。制造新车型时，选取不同的调整位置会增加不同的附加成本，概念设计阶段主要考虑制造成本f制造成本和f装配成本。由于此时的尺寸更改不会太大并可能不确定，因此以车身性能函数f车身刚度作为约束进行校验，要求满足预定义刚度选取附加成本最小的位置作为主要重设计区域，对应需要改动的模块即为参数模块。如果该位置不能满足性能需求，则返回重新选择。则优化模型可表示为：

(6)最后选择柔性模块；约束所有未筛选的模块为通用模块，即各设计参数均有t车型1＝t车型2＝…＝t车型n。在当前约束下对各车型进行优化，优化目标为最大化车重模块质量(compk)和车身性能f车身刚度。根据设计者需求设定两个优化目标的选择区间及最优解，并与设计要求的及进行比对，根据解的情况及δst值释放其t车型1＝t车型2＝…＝t车型n的约束(即设计参数无需再与其他车型内相应参数保持一致)：如果某车型的优化结果且至少有一个＝不成立(如果两个＝均成立，则已经满足要求)，则释放该车型中δst最低的模块所对应的设计参数约束，该模块成为柔性模块；反之，如果某车型的优化结果且至少有一个＝不成立，则释放δst最高的模块所对应的设计参数约束，该模块成为柔性模块。更改约束后，进入下一轮迭代，直到所有车型满足设计要求，余下未被选择的模块即为通用模块，最终完成全部种类模块的筛选。

本发明由于采取以上技术方案，具有以下优点：1、本发明基于车身性能、装配和制造成本对白车身结构进行了装配结构的划分，同时考虑了基于模块共享的跨级别车型的装配结构划分情况，实现了基于模块化平台的产品族设计；2、对装配结构的划分结果进行了模块的归类和筛选，进一步确定并提高了车身零部件的共享情况；3、本发明相比于灵敏度方法，不再受限于参数伸缩型产品族设计，而是进一步实现了标准化互换模块的模块配置型产品族设计，更适用于各汽车企业现行的生产制造模式。

附图说明

图1是应用本发明方法进行模块化设计的同一产品族下三种示例车型，其中：

图1(a)是某三厢车型的白车身结构；

图1(b)是某两厢车型的白车身结构；

图1(c)是某suv车型的白车身结构。

图2是本发明实施优化设计的白车身底板模型，其中：

图2(a)是尺寸较小的三厢车型和两厢车型的白车身底板；

图2(b)是尺寸较大的suv车型的白车身底板。

图3是应用本发明方法对底板进行预分割后的对应拓扑连接关系图，其中：

图3(a)是三厢车型和两厢车型的底板对应拓扑图；

图3(b)是suv车型的底板对应拓扑图。

图4是基于模块化制造方式可能出现的三种装配方式。

图4(a)是以添加模块的方式加长底板；

图4(b)是以拉伸模块的方式加长底板；

图4(c)是同时以拉伸模块和添加模块的方式加长底板。

图5是应用本发明方法得到的底板模块分割方式，其中：

图5(a)是三厢车型和两厢车型的底板划分方式；

图5(b)是suv车型的底板划分方式。

图6是车身侧围的装配划分结果及重设计时尺寸变化位置。

图7是将本发明方法应用于整个乘员舱后得到的设计方案，其中：

图7(a)是三厢车型的模块设计方案；

图7(b)是两厢车型的模块设计方案；

图7(c)是suv车型的模块设计方案。

具体实施方式

下面结合附图和技术方案，进一步说明本发明进行详细的描述。

如图1所示分别为同一产品族内的三厢(图1a)、两厢(图1b)及suv(图1c)三款车型，其中三厢车型和两厢车型的轴距相当，suv车型相比另两款车型的尺寸更大，轴向差距可达300mm。本发明方法主要用于对图中这样尺寸差别较大的传统意义上的“跨级别”车型进行基于模块化制造的装配设计。对于尺寸差距较小的“同级别”车型，将本发明方法根据实际情况进行简化应用即可。

根据实际制造、装配工艺水平进行白车身底板的制造单元预分割，根据车身结构的对称性可仅以左半车身为研究对象，以底板为例，分割状况如图2中红色点划线所示。在车身模型所在坐标系中的x轴和y轴方向分别选取适当的分割点将车身沿两个方向分别分割为x段和y段，则预分割单元共有(x×y)块。通过控制x和y的数量可以控制底板预分割块数。对于跨级别车型而言，预分割单元通常会在y方向上相差x块到2x块。

将各车型底板进行预分割后的结构图转化为对应的拓扑连接关系图，拓扑图中的顶点对应预分割单元，拓扑图中的边对应各单元之间的连接关系。依照x轴和y轴的方向依次进行编号，单元集排序编号为v1，v2，…,vp，连接关系集排序编号为e1,e2,…,eq,k号子部件四个顶点坐标为a、b、c、d为子板顺时针方向四个节点编号，x、y、z为顶点坐标。依此对产品族内每个待研究车型建立起一一对应的拓扑模型，如图3所示,其中图3a为两厢车型和三厢车型的底板拓扑关系图，图3b为suv车型的底板拓扑关系图。

对实际结构而言，一个部件的连接关系有两种可能：作为整体进行冲压和分开冲压再进行焊接。拓扑图中，当连接两节点的边存在时，代表两块预分割单元同属一个部件内部，不存在焊缝；当连接两节点的边不存在时，代表两块预分割单元之间断开后焊接，存在焊缝。由此可见，拓扑图中可根据由一组0、1变量组成的数组作为结构的分割向量，变量取1时表示对应边存在，取0时表示边不存在。该组数组同时作为优化计算中遗传算法的个体编码。

车身概念设计阶段需要考虑的结构性能指标至少需要包含车身刚度(影响驾驶感受、nvh性能和安全性能等)、可装配性(影响制造难度、装配成本和结构可靠性等)、以及可制造性(评估制造风险及成本)三个方面。本发明方法中以这三种性能指标为优化目标，对结构的装配方式进行求解。各项性能指标的评估方法为：

1.车身刚度：在同一载荷下使用有限元模型中预定义节点处位移来评估，变形越大，刚度越差；

2.可制造性：以模具面积近似估算制造成本，第k个子部件的模具面积近似为：

3.可装配性：以焊点数量近似衡量，本方法中焊点间距设定为30mm，则可知结构中第l个焊缝的焊点数量为：(y向)或(x向)。

将该设计转化为数学上的多目标优化问题，则优化变量为分割点的位置和拓扑图中各边的连接情况，约束为实际制造中涉及的分割单元尺寸、刚度、成本等方面内容，目标函数将上述三项性能指标转换为：

f车身刚度＝min{位移(g(v，e(γ)))}

对设计中所涉及的几个车型均按照该优化模型进行优化。结合适用于多目标优化问题的遗传进化算法进行计算，可得到最优pareto解集，解集中的每个个体即为一个分割向量，对应为一种底板分割方式。在一组分割向量中，每一段由γ＝0or1的编码均可对应为一种对应位置的装配方式。如图4所示，e6-e12的三种不同组合可对应为该段底板的三种不同装配方式，其他部分的编码不变则可保证对应部件在几种不同装配方式之间的通用。由于跨级别车型之间通常相差一段底板模块，因此可以通过这种方式进行模块共享度的求解。在对每个车型均求得优化解集后，在解集中选取出局部特征一致的个体，再从中根据设计需求选取最终结果，则可在跨级别车型之间实现模块共享。图5即为所得到的结果。

使用上述方法可得到基于模块化设计的车身装配方式，然而待装配零部件中，哪些可被共享，哪些不能被共享仍然无法确定。因此，本发明方法进一步提出了几种模块的分类和对应的筛选方法。以如图6所示的侧围为例，为按照上述方法计算得到的一种基于模块化设计的装配方式。在以此为参照进行新车型设计时，可在保持整体结构不变的前提下对其中的某几个模块进行更换。如需要加长轴距，既可通过更换模块2、3达到效果，又可更换模块4、5，而其它模块不变。考虑到车身结构性能的要求，有些模块还需要增厚和减薄。因此，模块可大致分为四类：不同车型之间明显不同的个性模块，尺寸上有较大变动的参数模块，无需任何更改的通用模块、仅改变板厚的柔性模块。其中，通用模块和柔性模块均属于共享模块，个性模块可在同一大类车型不同细分车型间进行共享，如三厢车型专用模块等。

参数模块基本无法在任何车型之间进行共享，额外成本最高；个性模块通常可在同一大类车型下不同细分车型之间进行通用共享，额外成本较高；柔性模块只需要对冲压模具的凹模或者凸模进行小幅调整修改，额外成本较低；通用模块可以被所有车型使用，额外成本最低。

使用前文提出的基于模块化设计方法后得到的结果，可根据观察直接找出个性模块，不需要研究筛选个性模块的方法。

参数模块是在设计新车型时需要被重新设计并进行替换的模块，因此，在筛选参数化模块时，应以更换模块时的制造成本和装配成本为优化目标，车身性能为约束，即在保证车身性能没有损失的前提下，令成本最少。根据车型设计时所涉及的尺寸变化位置对更换模块对应的成本进行优先级排序，并优先考虑低成本的位置进行模块更换，即设定为参数模块。如图6中，在车身轴距方向发生改变时，可从i、ii、iii、iv四个位置分别进行变动，在车身高度方向发生改变时，可从i、ii两个位置发生变动。轴向iii方向和高度i方向分别为两个方向上更换模块时成本最低的位置，则优先考虑模块4、5为轴向参数模块，1,2,4为高度向参数模块。

在选取成本最低的模块作为参数化模块后，需要对每个车型分别进行一次优化，看是否能够满足性能和车重要求。如果无法满足，则需要重新选取成本第二低的模块作为参数模块，再次进行单车型优化，依次类推，直到优化结果满足要求。

确定个性模块和参数模块后，则需再筛选出柔性模块，余下的即为共享模块。在对车身结构进行了参数模块的替换之后，柔性模块主要用于在厚度上和局部细节进行一部分调整，以求新车型满足刚度和轻量化的要求。因此，车身刚度、重量等方面的性能指标是主要用来筛选柔性模块的标准。

如果在选择参数模块后将余下的所有零部件均视为通用模块，可能出现两种问题：1、某些车型使用了厚度较厚的通用模块后导致车身重量较重，不满足轻量化需求；2、某些车型使用了厚度较薄的通用模块后导致车身性能较差，不满足刚度、强度等要求。针对可能出现的这两种问题，本发明方法提出了一种“弱约束，强目标”的逐步释放通用模块约束至柔性模块的方法。在该部分优化问题中，主要的约束有两种：不同车型间进行并行优化时的平台约束(相同设计参数在不同车型间保持一致的约束)和各车型优化问题中的性能约束。“弱约束”指第二种，即在优化过程中弱化以车身性能为函数的约束，将其视为目标函数与车身重量同时进行优化，再根据结果逐步释放平台约束。

该部分工作的问题主要在于：无法选择释放合适的参数变量作为柔性模块的设计变量，在多个车型进行并行优化时，在不同车型在存在未知约束时(未完成柔性模块的筛选时需要逐步释放约束，即还有不合理的约束存在于模型中)进行等式约束下的优化较难控制优化方向，存在收敛性方面的困难。采用弱化约束将其转化为目标函数后再通过释放约束进行优化方向的控制的方法可以得到较为广阔的解集空间，更方便根据设计者的需要对优化解集进行调整，同时每次迭代后均可根据结果选择下一次该释放平台约束的变量，从而在严格保证车身性能的同时实现了柔性调节模块的筛选。

本发明方法中主要根据δst的大小进行约束的释放。δst＝s×δt,s为该模块的面积，δt为该模块增加1单位性能指标所需增加的板材厚度，由优化当前点所求的灵敏度函数得到。δst即为提供相对1单位刚度所需要增加的材料重量。使用本发明方法时，首先将当前待筛选模块均视为通用模块，即同一零部件在所有车型间均保持一致，然后对各车型进行并行优化，并与不考虑模块化设计时的性能进行对比。如果某一车型的性能合格但车重较重无法满足预定轻量化要求，则将该车型中δst高的零部件筛选为柔性模块并对该部件进行减重，即在性能牺牲最小的代价下最大化减重，然后再次进行优化对余下的零部件继续进行筛选；如果某一车型的车重较轻但性能不合格，则将该车型中δst低的零部件筛选为柔性模块并对该部件进行增强，即在增加重量最少的代价下增强结构性能。如此往复，直到所有车型满足预定要求。

对发明算例中的三款车型，依次按照以上方法进行优化计算，可得到一种设计方式如图7所示，其中图7(a)为三厢车型模块设计结果，图7(b)为两厢车型模块设计结果，图7(c)为suv车型模块设计结果。图中的蓝色部分为通用模块，红色部分为参数模块，黄色部分为个性模块，绿色部分为柔性模块。优化设计的零部件共享率及轻量化结果如表1所示。表中可见，与每个车型单独优化的轻量化结果相对比，基于模块化设计制造的轻量化结果有一定损失，但均控制在10％以下，而共享率已提高至40％甚至60％，可以有效较少企业的各方面成本。

表1模块化设计结果

通过以上算例研究，我们得到了一种基于模块化理念设计的白车身分块装配方式。这种分块方式在满足并优化了车身性能约束、制造成本、装配成本的前提下，提高了同一产品族内不同产品个体之间零部件的通用性，大大减少汽车生产制造、零部件运输等方面的成本。该结果可为设计者提供一种乃至多种车身模块化制造的方案，满足设计者提高零部件共享度的需求。

在当下以模块化思想为主要研发方向的趋势下，在概念设计阶段必须要在考虑到模块化研发方式的前提下进行装配结构的设计与优化，而这样的研发思想必然要涉及到多个车型的开发，并直接影响着之后企业相当长的一个产品族生命周期内的从研发到生产到销售的所有环节的时间和成本。概念设计阶段的设计方案要求设计者权衡工艺要求、成本控制、结构性能等多方面因素，在保证产品性能的同时在每个环节都最大限度地减少各种成本。本发明方法为设计者在车身概念设计阶段提供一种新的思路，实现了车身结构中各类模块的分割、归类及筛选，能够得到实现基于整个产品族的模块共享方式，提高模块共享度，降低成本，该方法在车身逆向设计和正向设计中都具有重要的意义。

以上列举了具体实例来详细阐述本发明基于模块化设计思想实现模块化产品族平台的车身设计，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出更多的变形和改进。因此所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。