CN107315850A - 一种车身结构拓扑设计方法 - Google Patents

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李海鹏
葛广跃
李乐乐
梁春永
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Abstract

本发明公开了一种车身结构拓扑设计方法，包括如下步骤：第一步：建立车身结构拓扑优化模型，利用Hypermesh软件中把各个有限元模型部件组合成整车CAE模型，在不影响整体布局的前提下，删除驾驶室内部零件，然后把该整车CAE模型导出为IGES格式；第二步：车身结构拓扑优化，基于车身弯曲和扭转两个工况，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化，根据优化的迭代结果对车身的概念结构设计提供指导。本发明的有益效果为，利用本申请拓扑优化技术得到最优拓扑解后，根据该结果，设计出CAD模型，并在此基础上运用形貌和尺寸的优化技术，设计更详细准确的模型。

Description

一种车身结构拓扑设计方法
技术领域
本发明涉及车身轻量化设计技术领域，特别是涉及一种车身结构拓扑设计方法。
背景技术
伴随着汽车工业自主开发能力的增强，汽车市场竞争的日趋激烈，使得汽车企业必须设计自主品牌、靠低成本、高质量来占领市场。为了达到此目的，最主要的工作就是降低产品的开发成本、缩短开发周期、提高产品的性能质量。这使得CAE分析在产品开发过程中变得越来越重要。
概念设计是确定汽车性能、外形与内饰等主要方面的初步设计。从时间上，缩短整个汽车设计周期最关键的是要做好汽车概念设计阶段的工作，从而减少重复设计的工作量。该阶段是车身结构设计中保证性能的重要阶段，这个阶段留下的缺陷往往很难在后续的设计中弥补，因而在车身的开发过程中受到广泛重视。而结构拓扑优化可以大大改善结构的性能或在保持原刚度不变的情况下减轻结构的重量，从节能环保角度带来直接的经济效益。
基于此，本发明提供一种车身结构拓扑设计方法。
发明内容
本发明的目的是提供一种车身结构拓扑设计方法，以满足人们对车身结构轻量化的设计需求。
为实现本发明的目的，本发明提供了一种车身结构拓扑设计方法，包括如下步骤：
第一步：建立车身结构拓扑优化模型，利用Hypermesh软件中把各个有限元模型部件组合成整车CAE模型，在不影响整体布局的前提下，删除驾驶室内部零件，然后把该整车CAE模型导出为IGES格式；
第二步：车身结构拓扑优化，基于车身弯曲和扭转两个工况，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化，根据优化的迭代结果对车身的概念结构设计提供指导，具体包括：
第1步，模拟扭转工况和车身弯曲工况下的车身受力情况；
第2步，对两个工况下的车身模型利用Hypermesh软件进行静力分析；
第3步，对两个工况进行优化参数定义；
设计目标：车身的体积最小化；
约束：扭转工况下的位移；
设计变量：车身设计空间的单元密度分布；
第4步，在优化参数定义完之后，提交Optistruct模块进行拓扑优化计算。
与现有技术相比，本发明的有益效果为，利用本申请拓扑优化技术得到最优拓扑解后，根据该结果，设计出CAD模型，并在此基础上运用形貌和尺寸的优化技术，设计更详细准确的模型。
附图说明
图1所示为本申请的方法流程示意图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
应当说明的是，本申请中所述的“连接”和用于表达“连接”的词语，如“相连接”、“相连”等，其既可以指代某一部件与另一部件直接连接，也可以指代某一部件通过其他部件与另一部件相连接。
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
如图1所示，为重卡驾驶室拓扑优化的实施例。
(1)建立重卡车身拓扑优化模型
在Hypermesh中把各个有限元模型部件组合成整车CAE模型，在不影响整体布局的前提下，删除驾驶室内部零件，然后把该整车CAE模型导出为IGES格式。采用CATIA软件打开该IGES文件，在此基础上建立CAD模型。该CAD模型只考虑车身的整体尺寸大小以及一些主要的形状特征，留出车窗、车门的设计空间。车身的材料属性定义为第三章有限元分析时所用的钢材料属性。钢板厚度设置为3mm。
(2)重卡车身拓扑优化
基于车身弯曲和扭转两个工况，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化，根据优化的迭代结果对车身的概念结构设计提供指导。
第二步：车身结构拓扑优化，基于车身弯曲和扭转两个工况，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化，根据优化的迭代结果对车身的概念结构设计提供指导，具体包括：
第1步，模拟扭转工况和车身弯曲工况下的车身受力情况；
第2步，对两个工况下的车身模型利用Hypermesh软件进行静力分析；
第3步，对两个工况进行优化参数定义；
设计目标：车身的体积最小化；
约束：扭转工况下的位移；
设计变量：车身设计空间的单元密度分布；
第4步，在优化参数定义完之后，提交Optistruct模块进行拓扑优化计算。
其中，重卡车身有限元模型的建立包括如下步骤：
第1步：有限元网格模型建立，通过自适应有限元分析进行网格划分；
自适应网格划分是有限元分析中网格划分的主要思想方法之一。自适应是一种自动近似的技术，程序可以自行减少由于网格划分不当引起的误差，而不需要人为地指定单元的大小。自适应有限元分析的最基本思想就是通过事后误差估计，对计算结果误差较大的区域进行局部网格优化。自适应有限元分析的网格划分，要求不仅在生成初始网格时能完全自动有效，而且应具有极强的、面向整个分析域的网格控制能力和局部网格修正能力。并且进行自适应有限元分析有一个非常重要的前提条件，就是能在任意的几何分析域内产生任意密度分布的网格。
第2步：有限元模型几何清理，包括面的清理、细小特征处理、网格特征线的划分；
在建立几何模型的过程中，有可能发生几何特征缺失或者产生一些不必要的小碎面，这些几何错误都需要进行清理，否则会影响有限元模型的质量、计算的精度和速度，具体的方法是进行缝合、修补或合并。
第3步：单元类型的选择及材料属性，
在建立车身零件有限元模型时，考虑到这些薄板冲压件既能抵抗平行于其平面方向的拉压力，又能抵抗弯曲和扭转的载荷，应选用符合这两种特性的单元类型，而板壳单元具有一定的厚度，能够充分描述这些特征，所以采用板壳单元来建模；
第4步，网格划分及质量评估，使用Hypermesh软件的Automesh面板来进行网格划分；在Automesh面板中划分网格后，还要对网格进行检查，如果有大量的网格不合格，可以再次用Automesh面板对已存在的网格单位再次进行划分；而对于少量不合格的网格要进行手工修改其单元的性状；
质量评估，通常包括以下几项指标：单元最小尺寸、最大长度，单元边长比，翘曲角，三角形单元最小内角、最大内角，四边形单元最小内角、最大内角；
第5步，焊点处理，零件之间主要通过点焊连接在一起，在不同部位点焊的间距和焊接方式也不同。焊点的建模是否正确，对整个模型的准确性和计算结果的误差有极大的影响，因此，焊点的建模对车身建模有着非常重要的意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (2)

1.一种车身结构拓扑设计方法，其特征在于，包括如下步骤：
第一步：建立车身结构拓扑优化模型，利用Hypermesh软件中把各个有限元模型部件组合成整车CAE模型，在不影响整体布局的前提下，删除驾驶室内部零件，然后把该整车CAE模型导出为IGES格式；
第二步：车身结构拓扑优化，基于车身弯曲和扭转两个工况，在保证车身刚度的前提下使车身的体积最小化，根据优化的迭代结果对车身的概念结构设计提供指导，具体包括：
第1步，模拟扭转工况和车身弯曲工况下的车身受力情况；
第2步，对两个工况下的车身模型利用Hypermesh软件进行静力分析；
第3步，对两个工况进行优化参数定义；
设计目标：车身的体积最小化；
约束：扭转工况下的位移；
设计变量：车身设计空间的单元密度分布；
第4步，在优化参数定义完之后，提交Optistruct模块进行拓扑优化计算。
2.根据权利要求1所述的一种车身结构拓扑设计方法，其特征在于，所述有限元模型通过下述的步骤建立：
第1步：有限元网格模型建立，通过自适应有限元分析进行网格划分；
第2步：有限元模型几何清理，包括面的清理、细小特征处理、网格特征线的划分；
第3步：单元类型的选择及材料属性，
在建立车身零件有限元模型时，考虑到这些薄板冲压件既能抵抗平行于其平面方向的拉压力，又能抵抗弯曲和扭转的载荷，应选用符合这两种特性的单元类型，而板壳单元具有一定的厚度，能够充分描述这些特征，所以采用板壳单元来建模；
第4步，网格划分及质量评估，使用Hypermesh软件的Automesh面板来进行网格划分；在Automesh面板中划分网格后，还要对网格进行检查，如果有大量的网格不合格，可以再次用Automesh面板对已存在的网格单位再次进行划分；而对于少量不合格的网格要进行手工修改其单元的性状；
质量评估，通常包括以下几项指标：单元最小尺寸、最大长度，单元边长比，翘曲角，三角形单元最小内角、最大内角，四边形单元最小内角、最大内角；
第5步，焊点处理，零件之间主要通过点焊连接在一起，在不同部位点焊的间距和焊接方式也不同。
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