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【汽车与环境】观致汽车研究院高级总师石磊:基于 PMDO 架构,采用 M-Cubic(M3)技术的电动汽车轻量化设计

盖世汽车综合 2018-12-09 16:22:00
核心提示:2018年汽车与环境创新论坛-盖世直播!

2018年12月7日-8日,以“创新驱动、技术引领”为主题的2018第六届“汽车与环境”创新论坛在上海·安亭正式举办。本次论坛完整覆盖汽车行业技术领域的研讨,旨在进一步促进整车企业与零部件企业之间对技术发展趋势的探讨、加强汽车行业专家之间的交流互动、增强整车与零部件企业的交流、搭建合作平台,通过活动促进汽车零部件产业创新转型升级、打造更具竞争力的整零协同创新关系,助力实现向汽车强国的转变。以下是观致汽车研究院高级总师石磊的发言:

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观致汽车研究院高级总师 石磊

大家好,我是石磊,我之前是在长城汽车技术中心,长城之前是在福特北美全球研究与创新中心,今天很开心能够来到这里跟大家分享。在昨天的主题演讲中,吉利杨总、蔚来沈总等他们都提到平台化、平台架构概念,今天来自Atair德国的Lars Fredniksson博士与Richard Ren博士讲了基于仿真驱动的产品开发及其MDO轻量化,接下来我要分享的是如何结合首次提出的先进PMDO技术进行电动车架构开发,如何考虑诸多信息不确定条件下进行前瞻性产品架构开发。

以下是我今天主要分享概要,分别从产品族定义、策略及M3架构、PMDO开发与实施等方面进行阐述。在这个之前我们经常谈到如何减重,比如通过高强度材料、新工艺、新结构等去进行减重甚至进行性能提升,我们所关注的是一个产品、一个车型,在考量成本约束、时间约束条件下进行产品性能开发。然而,在早期的平台架构开发时探讨平台性能、平台轻量化话题少之又少,架构的开发是一个公司发展的关键,也是一个产品竞争力和价值的体现,它所涉及不只是一款车、两款车,是涉及到未来8-10年系列产品开发问题。

大家知道产品族是由一系列车型构成,而产品族的关键在于平台的开发,通常平台是有一组共用的系统、子系统及零部件集合而成的最基本的集合体,开发一组构成平台的最基本集合体,如前舱、车体、转向系统等,对该基本组成体中的某些参数,如轮距、轴距、动力配置等,在一定的许可条件下进行有策略的变更,而保持绝大部分的子系统或零部件共用,在此基础上配以不同的上车体、内饰与附件,达到不同车身的开发要求。在车辆开发中用一个平台同时承载不同车型的开发及生产制造过程,是零部件、子系统最大化共用与产品个性化的平衡,这种平衡策略可以在满足成本、周期、质量的要求下满足车型个性要求。然而,平台的背后最核心的是产品架构,平台的开发逃不过架构开发,通常架构分为电子电器架构、动力总成架构、底盘架构、车身内外饰架构,架构定义了产品的设计边界带宽及输出性能、质量、尺寸、成本等带宽。

我们回过头来看看全球现在主流的平台是有哪些,如大众MQB、沃尔沃SPA架构,在这开发了沃尔沃S、V、XC系列车型;另外一个是雷诺开发的是基于模块化的产品平台,横夸A0、A甚至是B级全系列车型。

大家从我们的B、C到D-Segment平台可以看出,三个平台里面电子电器架构是共用的,后期根据产品市场定位、客户人群会有适当的调整,底盘架构也会因车型定位不同而有适应性变更或升级。

下面我们提谈谈M-Cubic技术,它是一种基于模块化的多材料空间框架的结构思路,衍生的一种柔性高、可扩展性强、轻量化程度高、结构效能高的一种经济性架构。模块化通常指下车体模块,主要是前地板、中地板、后地板,P/T动力模块,电池模块,前悬模块、后悬模块、制动及轮胎模块。

从下面这个图我们可以看到,下车体的平台,底盘、架构整个的设计和集成是工作重点和难点。另外,给大家介绍一下Space Frame的概念,它是基于生物仿真学的概念,最大化也最优化地设计电池周边的结构,最大化提高结构刚性,保护电池安全性,电池包结构不但承载,而且能有效传递侧向、纵向载荷。电池包对车身具有一定的性能贡献量,而传统设计思想还是有较大的创新性。刚才来自瑞典钢材公司的沈总讲到超高强度冷辊压成型结构件,在电池包结构设计上是完全可以采用的。在材料轻量化上,目前我们还是主推高强度钢最为材料轻量化的首选,在车身铝合金的应用上我们还是比较慎重。

我们在设计的任何一款车,都要满足的整车的性能要求,尤其在平台的早期,或者架构早期开发当中,我们需要考虑它的安全性,NVH性能,耐久与行驶性,安全性需要基于平台的生命周期,预测未来周期内的碰撞安全法规的变化点,作为架构的开发的设计输入。对于NVH性能,早期我们主要控制下车体结构性能。

整车设计是一个多复杂多物理的耦合系统,MDO是一个解决复杂多物理耦合系统的很好技术,可以自适应地平衡产品成本、周期、性能之间的关系,它能更好的帮助你决策,给出你更多决策的方案。MDO的概念可以简单用二维图来阐述,水平轴代表设计参数,如:结构路径、材料类型、板厚、焊点位置、工艺方式、动力选型等等。纵坐标是产品成本、重量、性能、安全等,任何产品设计都需要满足我们的设计目标,如图中蓝色、桔色区域各代表安全、NVH性能属性空间,重叠区域是我们要寻求的满足性能约束指标的设计区域,最终设计方案落在重叠区域。二维图示大家很容易想象工程问题设计要求,如果是多维的空间那就复杂了,难以形象表达。

在介绍PMDP之前,先介绍一下分析与设计的区别,我们传统虚拟验证只是对设计数据做一个计算,它只是一个分析,还算不上设计,设计需要考虑更新的方向,需要做DSA灵敏度分析,需要做优化给出最佳的设计方案,两者存在本质区别。那么PMDO是什么?是基于平台的MDO设计技术,这个概念当前还没有人提,这是我们第一次提出来基于平台化的MDO技术做产品族的集成和优化。由于时间问题,这里我简单讲述目前PMDO存在的问题及其挑战。

第一个是产品设计计算时间,计算资源需求量大,如果一个企业计算资源不够的话这个应用起来也是很困难,第二个问题强非线性问题,如何将来准确的替代拟合模型就尤为重要。第三个问题如何在早期把平台化的工作考虑到产品设计当中,它的难度相对于一个产品开发就更加困难了,如何在高维空间,如何筛选我们关注的设计空间与性能空间的重要因素是当前PMDO解决的主要问题。

PMDO典型的特征有:第一:工程问题规模非常庞大复杂;第二是多物理系统耦合,考虑平台架构设计耦合度更加高;第三:它的变量是有很多的功能共用。针对这些问题,我们也做了一些基础的研究性工作。大家知道,无论在仿真当中还是工程定义当中,我们有很多不确定性,打个比方,我们做工程做材料的,我们做10次单独拉伸实验,它的结果都不一样,到底采用哪种试验结果?首先我们提出基于贝叶斯决策论量化现实中的不确定性因素。其次,现在不同钢厂出来的产品一致性也有很大的差别,同时针对不同线性程度的数据,我们也提出了一个非常有效的近似的模型,能够很快速的量化不确定性的参数,有效提高预测准确性与有效性。另外,单款车可能是100个变量,100个设计参数,单款车的有6大板块的性能要求,单款车考虑安全等等,整个约束目标可能超过100,如果考虑一个平台,设计变量可能变成300个,约束目标也可能超出300个,这就导致设计空间复杂度更高,传统的算法很难求解最后的工程方案,基于此,我们提出了基于数据挖掘的技术来压缩我们工程设计空间,简化我们问题的求解。

其次,我们提出了Model Library的方案,它是基于一个模型统筹几大板块的属性,原来从一个Model统筹一款车上,现在从一个Model统筹几款车的设计,建立高度集成化、高度自动化的模型流程,能快速、高效的满足同一平台不同的计算工况要求。这种技术同时可拓展到实际的单车型开发项目,会打打减少人力投入,降低人力成本同时有效缩短数字化验证时间,对企业来说是非常好的事情。

第三,接下来的工作就是Integration了,怎么把这个过程集成起来,如何把刚才讲的这些技术能够把它统筹在我们的集成化的平台做这个事情。无论从数据的处理,从数据的输出,到Intgrator,我们开发了很多的In-house代码,能有效链接模型、HPC、Integrator模块。

类似于整车开发过程中整车到系统到零部件目标设定一样,在产品族设计中,我们也分成两个级别,我们从产品族的设计到整车的设计称为Product Family Level,从整车的设计再到系统和零部件Variant Level。同时,我们定义两个空间,第一个是设计空间,如在这个平台架构里面,到底未来用材的趋势怎么定位,带宽是什么?未来的工艺带宽是什么?尺寸带宽是什么?第二个是输出空间,输出带宽也是很重要的,也就是我们属性空间、如性能带宽、成本带宽、重量带宽等,设计空间与输出空间之间是相互映射的。

我们原来的设计从整车或系统的设计是把所有问题放在一起求解,因涉及参数、约束指标庞大,通常导致问题复杂而无法求解。这里,采用分级优化策略进行产品族设计,首先从产品族维度提出设计目标与约束要求,比如产品开发成本、生命周期内的销量等,找出我们的每一款车设计指标和承担的定位属性,其次从个别Variant整车设计维度进行整车开发,它采取了两级优化的理念,简化负责工程问题,方便问题求解。

这是比较抽象了,如何将早期物理系统进行问题构建,整个核心就是在怎么解这个工程问题,大家可以看到,这个里面说白了问题都回归到数学上的问题了,最终我们要解决的是如何确定和识别共用模块、平台零部件,比如说在这里面哪些零部件、工艺需要共用。其次,非共用件到底结构是什么,哪些是共用,哪些是两两共用,哪些是单独设计。

原始的设计我们都是确定新的设计,任何设计是你告诉我板材的厚度是什么,告诉我用什么材料,现在在平台的设计和架构的设计里面这种都是可变的,可能现在这个板材用DP980、DP800,是变化的,所以现在整个的设计问题就变得从原来的确定设计到现在的早期的不确定性设计,我们也会给你选择,会给你方案一、方案二、方案三,后面都可以选择,我们把笼统的方案一、方案二、方案三的变量全部考虑在方案当中。大家知道产品一旦定型以后其他方案都是确定的了,但是早期很多东西不确定的,我们给的重量信息是1.5吨-2.0吨的带宽,早期考虑这种带宽条件下,如何设计出更robust的前端结构,可满足1.5-2.0吨的重量范围的承载要求变得更加重要了。

以下是一个简单的结果,整车性能属性的相关系数完全可以通过大数据方式获得,这个其实就回归到统计学上了,这些定义好设计空间和输出空间就可以运用数学方法找到我们的Cluster,我们的工程师在不确定性的状态做设计,通常我们会叫做随机设计,但是随机设计需要用大量统计学知识,要求工程师能够将工程问题转化到数学问题,将复杂问题简单化,在数学领域进行方案求解,反扑到工程验证。以下这个表展示了三款车性能的比较,大家可以看到基于变量的影响,最后三款车的性能指标的可靠性的相似,为什么很相似?因为它的底盘很多是共用的。我们要保证它不会因为工艺有翻天覆地的变化,不会因为成本有翻天覆地的变化,导致产品设计的变化。

今天给大家分享了一个从产品族、产品架构的角度来看如何思考轻量化、如何开展轻量化工作,提出了一种全新的PMDO技术,能有效解决平台架构开发中属性平衡问题。我的演讲到此为止,谢谢!

主持人:谢谢石博士。

嘉宾:感谢您说的分享,我想问一个问题,您说整个平台的轻量化是60%,这个是怎么计算的?

石磊:60公斤关于平台这一块我们占到55%,其他45%是三个不同的贡献量。就是他们共用件的减重达不到60%,但是我们可靠度是90%,如果我们可靠度放高一点就没有那么多了。未来法规变化可能更加严苛,但是没有关系在平台架构设计中以可靠性来保障。

2019年1月17日,盖世汽车将组织新能源与智能网联领域优质供应商走进观致汽车进行深度技术交流,希望通过这次活动的举办,让更多有先进技术的供应商能与观致汽车的同事进行交流与洽谈,让更多供应商的先进技术有机会应用到观致产品上。活动详情:https://m.gasgoo.com/topic/sns/zjgz2019/

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文章标签: 轻量化 电动汽车 电池

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