目錄

分析流程
模態(tài)分析
靈敏度分析設(shè)置過程
靈敏度數(shù)據(jù)后處理

摘要

白車身靈敏度分析就是確定白車身特性響應(yīng)對板件厚度變化的靈敏度，白車身特性響應(yīng)主要包括車身整體彎扭模態(tài)頻率，車身整體彎扭剛度等。

靈敏度分析是結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)，通過靈敏度分析，可以把白車身板件分為三類：高靈敏板件、低靈敏板件和負(fù)靈敏板件。適當(dāng)加厚高靈敏板件、減薄不靈敏板件和負(fù)靈敏板件，可以實現(xiàn)白車身的性能改進(jìn)和輕量化設(shè)計。

靈敏度分析的關(guān)鍵在于對靈敏度分析進(jìn)行評價，判定板件的靈敏性。本次分享給出車身板件靈敏度分析的過程以及靈敏度評價指標(biāo)。通過分析靈敏度數(shù)據(jù)，判定板件的靈敏性。

分析流程



提取模態(tài)階次信息
首先，在做板件靈敏度分析之前，我們需要現(xiàn)對模型進(jìn)行模態(tài)分析，目的是為了得到我們需要進(jìn)行靈敏度分析對應(yīng)的模態(tài)的階次信息，比如說，本次我們需要了解車身板件厚度對車身一階段扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的靈敏度，我們事先要獲取一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)所在的階次。

靈敏度分析
提取到模態(tài)階次信息后，就可以進(jìn)行板件厚度靈敏度分析了，對于靈敏度分析設(shè)置，我們需要設(shè)置4個量，分別為：

設(shè)計變量（以板件厚度為設(shè)計變量）；
響應(yīng)變量（設(shè)計變量的改變引起響應(yīng)量的改變，響應(yīng)量可為位移，頻率，質(zhì)量，體積等等）；
約束變量（約束響應(yīng)量變化的范圍）；
目標(biāo)值（期望響應(yīng)量達(dá)到的目標(biāo)值）。
舉個數(shù)學(xué)例子來說明以上4個量之間的關(guān)系：
有一個正四邊形，4條邊總長度為 D（約束量），長為 a，寬為 b. 通過改變 a 與 b 長度（設(shè)計變量），其中 a, b 要滿足 a > 2b（約束量），求四邊形圍成的面積 S 最大（響應(yīng)量與目標(biāo)值）。

靈敏度后處理
通過提交Nastran計算，會得到 .f06 結(jié)果文件，通過UltraEdit與Excel 軟件對數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，我們便可得到板件的靈敏度。

模態(tài)分析
在之前的分享中已經(jīng)給出模態(tài)分析的具體過程，讀者可以點擊超鏈接 ‘模態(tài)分析教程’ 回顧一下。在這里就不重復(fù)敘述了，直接給出模態(tài)分析結(jié)果。本次分享將針對白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)進(jìn)行車身板件的靈敏度分析，下圖所示為白車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)，模態(tài)頻率 34.7Hz，對應(yīng)的階數(shù)為第 7 階。



靈敏度分析設(shè)置過程
靈敏度分析是在上面模態(tài)分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行的。用Hypermesh導(dǎo)入上面的模態(tài)分析模型。看到模態(tài)分析的模型樹如下圖所示，注意：在這里模態(tài)工況步名為 "modal" .



首先，點擊Hypermesh右下角 "analysis" 中的 "control card"，進(jìn)入后點擊 "sol"，把原來求解模態(tài)的 "Normal Modes" 改成 "Design optimization". 該設(shè)置表示接下來進(jìn)行的是優(yōu)化分析。



設(shè)計變量設(shè)置
點擊右下角 "analysis" 界面中的 "optimization"


進(jìn)入界面，點擊 “gauge” 進(jìn)行設(shè)計變量的設(shè)置：


進(jìn)入 "gauge" 界面，點擊 "props" 選擇需要分析其靈敏度的板件，下圖為選擇的18組板件。"lower bound" 與 "upper bound" 表示允許板件厚度的上下變化范圍，其余設(shè)置如下圖所示，點擊 "creat" 完成。




完成這一步設(shè)置后，模型樹上將會出現(xiàn)新增的設(shè)計變量（design variables）與設(shè)計變量屬性關(guān)系（design variableproperty relationships），我們剛剛選擇的每一個板件都會對應(yīng)有一組設(shè)計變量，本次共有18組設(shè)計變量。




響應(yīng)量設(shè)置
由于本次靈敏度分析的最終目的是在保證車身動力性能前提下，盡可能減輕重量。所以在這里，需要設(shè)置的響應(yīng)量有兩個，其一是車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率，其二是車身質(zhì)量。同樣，在 "analysis" 界面中點擊 "optimisation" 進(jìn)入以下界面，然后點擊 "response" 設(shè)置響應(yīng)。設(shè)置第一個響應(yīng)，命名為mass，"response type" 選擇 "weight" 表示響應(yīng)量為重量，點擊 "creat" 完成。


同理，點擊 "optimisation" 中的 "response" 設(shè)置第二個響應(yīng)，命名torsion，"response type" 選擇 "freq"，表示響應(yīng)量為頻率(Hz)，"mode number" 填上7 (對應(yīng)的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的階數(shù))，最后，點擊creat完成。


到這里，模型樹上會出現(xiàn)兩個響應(yīng)量(optimization responses)



約束變量設(shè)置
點擊 "optimisation" 界面中的 "dconstraints"（約束），在 "dconstraints" 界面中，命名為c_tor，勾選 "lower bound" = 35，點擊 "response" 選擇 torsion，點擊 "loadsteps" 選擇前面設(shè)置的模態(tài)分析工況步 "modal"，點擊creat完成。該設(shè)置表示約束 - 模態(tài)分析得到的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率值最低要求達(dá)到35Hz.

到這里，模型樹將出現(xiàn)優(yōu)化約束(optimization constraints)



目標(biāo)值設(shè)置
最后一步，設(shè)置目標(biāo)值。點擊 "optimisation" 界面中的 "objective"，選擇 "min"，"response" 選擇 "mass"，點擊 creat 完成。 該設(shè)置表示，優(yōu)化的目標(biāo)為車身總質(zhì)量最小。



到這里，靈敏度分析的4個量就已經(jīng)全部建立完成，最后，完整的模型樹如下圖所示：



靈敏度數(shù)據(jù)輸出設(shè)置
把分析模型導(dǎo)出后綴為 .bdf 計算文件，用 Ultraedit 軟件打開計算文件，然后在圖示程序后面加上以下程序 "DSAPRT(FORMATTED, END = SENS) = ALL"，該段程序表示優(yōu)化分析過程中只輸出靈敏度數(shù)據(jù)，而不進(jìn)行進(jìn)一步的板件厚度優(yōu)化。點擊保存，然后就可以把計算文件提交到Nastran計算。



靈敏度數(shù)據(jù)后處理
提交Nastran計算后，我們會得到一個后綴 .f06 的文件，在這個文件里面存儲著我們需要的板件靈敏度數(shù)據(jù)，用 UltraEdit 軟件打開（PC自帶的文本軟件也能打開 .f06 文件，但不方便操作）。


打開后，拉到文檔幾乎最末端，我們將會看到以下所示的靈敏度數(shù)據(jù) "DESIGN SENSITIVITY MATRIX OUTPUT"，如下圖所示。



在 "RESPonSE TYPE = WEIGHT" 列表中，編號 1~18 表示我們設(shè)置的 18 組設(shè)計變量，跟著后邊的 "GEXAMPL1" 是設(shè)計變量的命名，與 hypermesh 中設(shè)置的18組板件對應(yīng)；"COEFFICIENT" 列數(shù)據(jù)表示質(zhì)量靈敏度，數(shù)值的意義表示對應(yīng)的板件厚度每增加 1mm，車身總質(zhì)量的變化量。同理，在 "RESPonSE TYPE = FREQ" 中，對應(yīng)的 "COEFFICIENT" 列數(shù)據(jù)表示對應(yīng)的板件厚度每增加 1mm，模態(tài)頻率的變化量。下面我們舉個例子說明：

"RESPonSE TYPE = WEIGHT"
1 GEXAMPL1 3.0385E-3 表示設(shè)計變量1 號板件每增加 1mm，車身總重量增加 3.0385E-3 ton；

"RESPonSE TYPE = FREQ"
1 GEXAMPL1 3.3888E-2 表示表示設(shè)計變量1 號板件每增加 1mm，車身一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率增加 3.3888E-2Hz.

以上數(shù)據(jù)分別給出了板件厚度與模態(tài)頻率，質(zhì)量之間的關(guān)系，沒有直接給出質(zhì)量與模態(tài)頻率之間的關(guān)系。為了實現(xiàn)車身輕量化目的，我們在這里引出一個指標(biāo) --- 靈敏度比，即頻率靈敏度與質(zhì)量靈敏度之比，表示車身每增加單位質(zhì)量，對應(yīng)模態(tài)頻率的變化量。我們可以把在 .f06文檔上的靈敏度數(shù)據(jù)復(fù)制出來然后粘貼到 Excel上進(jìn)行處理。

下表是處理后的頻率質(zhì)量靈敏度比。從這個表中，我們就可以找出高靈敏度板件，低靈敏度板件以及負(fù)靈敏度板件。在滿足工藝與其他性能指標(biāo)（強(qiáng)度，碰撞）要求前提下，想辦法減少低靈敏度與負(fù)靈敏度板件厚度，適當(dāng)加厚高靈敏度板件，有助于達(dá)到車身輕量化的目的。