CN101504682A - 基于cae结构分析的汽车主模型结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于CAE结构分析的汽车主模型结构优化设计方法，包括下列步骤：(1)将汽车主模型分切成数块模块；(2)对各模块进行模块结构初步设计，初步确定模块形状、壁厚、加强筋的布局和形状；(3)应用CAE结构分析对完成初步设计的各模块组合成的汽车主模型进行下列分析模拟；(4)通过CAE结构分析得到了汽车主模型整体结构强度刚度的分布情况。若显示某一模块的强度、刚度超过允许值，则返回步骤(1)、(2)，提出改进结构的优化方案，再进行下一轮分析模拟。本发明采用CAE结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，为汽车主模型的模块合理设计提供了依据。

Description

基于CAE结构分析的汽车主模型结构优化设计方法

技术领域

本发明涉及一种机械产品的优化设计方法，特别涉及一种汽车主模型结构优化设计方法，属于机械工程技术领域。

背景技术

汽车主模型是汽车现代工业中必不可少的检验环节和质量控制工具，作为汽车1：1的“量规”，用以检测汽车零部件的装配尺寸、匹配关系、外观尺寸和运动功能，其外形尺寸精度和定位精度都必须在几十丝以内。现有汽车主模型的设计通常对总体结构进行分块设计，并对分块结构进行详细设计，然后进行加工生产和检验检测。

由于汽车主模型的精度要求很高，如何保证主模型在安装、运输、使用和保存等过程中的尺寸精度，汽车主模型的模块设计或结构设计是否合理，是否会在使用中由于受力出现较大变形，如何控制产品的受力变形都是设计的难点，汽车主模型对周围环境的温度变化比较敏感，因此环境温度造成的热变形会影响尺寸的精度，从而影响主模型检测的效能，而现有的汽车主模型的设计没有充分考虑热变形问题。

目前汽车主模型的设计主要依赖于设计人员在经验基础上的定性分析。由于缺乏可靠的设计依据，缺乏理论指导，设计安全系数较大，设计结构偏于保守，汽车主模型使用材料均为昂贵的进口航空用铝合金，材料成本非常高，汽车主模型结构的保守设计大大增加了汽车主模型的生产成本。如果由于模块设计或结构设计依靠经验设计的不合理导致出现产品修改的问题，往往会造成汽车主模型总体设计的失败，而一个汽车主模型的成本为数百万元，经济上的损失巨大。

发明内容

为了克服现有的汽车主模型设计中存在的设计安全系数较大、设计结构偏于保守、没有充分考虑热变形问题等造成的汽车主模型生产成本的增加，以及会导致汽车主模型总体设计失败的问题，本发明提出一种基于CAE(计算辅助工程)分析的汽车主模型结构优化设计方法，该方法能设计出结构合理的汽车主模型，该汽车主模型大大降低了汽车主模型的生产成本，规避了汽车主模型总体设计失败的风险。

本发明通过以下技术方案予以实现。

一种基于CAE结构分析的汽车主模型结构优化设计方法，包括下列步骤：

1)将汽车主模型分切成数块模块；

2)对各模块进行模块结构初步设计，初步确定模块形状、壁厚、加强筋的布局和形状；

3)应用CAE结构分析对完成初步设计的各模块组合成的汽车主模型进行下列分析模拟：

a.对汽车主模型由于环境温度升高所产生的热变形进行分析；

b.对汽车主模型吊装时的受力和变形进行分析；

c.对汽车主模型在运输过程中受到振动时的受力和变形进行分析；

d.对汽车主模型受到冲击载荷时的受力和变形进行分析；

e.对汽车主模型在其他受力工况下的受力和变形进行分析；

4)通过CAE结构分析得到了汽车主模型整体结构强度刚度的分布情况；若显示某一模块的强度超过许用应力、变形超过许用变形，则返回步骤(1)、步骤(2)，提出改进结构的优化方案；

5)若步骤(4)的显示汽车主模型整体结构强度刚度的分布符合要求，则汽车主模型完成最终设计，并将汽车主模型整体结构强度刚度的分布记录建成数据库。

本发明采用CAE结构分析取代了传统的经验判断和强度校核计算方法，提高了验证分析的能力和准确性，为汽车主模型的模块合理设计提供了依据。本发明利用CAE结构分析对汽车主模型的热变形进行了分析模拟，并据此进行了结构优化，有效地提高了汽车主模型结构抑制变形的能力，提高了产品设计的可靠性和稳定性；利用CAE结构分析对主模型在各种工况情况下进行受力和变形分析，得到主模型整体结构强刚度的分布情况，从而优化设计方案，节约产品材料；通过CAE结构分析，提高了产品研制的成功率，避免了由于汽车主模型使用中的产品变形，造成整体失效等风险；通过CAE结构分析方法，得到了指导设计的有效分析数据，方便设计人员总结出结构设计的经验，可以归纳形成出设计的规范和标准。

本发明的优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释，这些实施例，是参照附图仅作为例子给出的。

附图说明

图1是本发明的流程图；

图2是本发明的30步骤的汽车主模型的网格划分和边界条件施加的示意图；

图3是本发明的30步骤的汽车主模型内部应力分布图；

图4是本发明的30步骤的汽车主模型变形分布图；

图5是本发明对汽车主模型车头横梁的第一设计方案的变形分布图；

图6是本发明对汽车主模型车头横梁的第二设计方案的变形分布图；

图7是本发明对汽车主模型车头横梁的第三设计方案的变形分布图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

如图1所示，为了便于加工、装配、检测，步骤10将汽车主模型分切成数块模块，如车头、车头横梁、车前窗、车门等模块。步骤20对各模块进行模块结构初步设计，初步确定模块形状、壁厚、加强筋的布局和形状。步骤30应用CAE结构分析对完成初步设计的各模块组合成的汽车主模型进行下列分析模拟：

a.对汽车主模型由于环境温度升高所产生的热变形进行分析；

b.对汽车主模型吊装时的受力和变形进行分析；

c.对汽车主模型在运输过程中受到振动时的受力和变形进行分析；

d.对汽车主模型受到冲击载荷时的受力和变形进行分析；

e.对汽车主模型在其他受力工况下的受力和变形进行分析；

步骤40对通过CAE结构分析得到了汽车主模型整体结构强度刚度的分布情况进行分析；若显示某一模块的强度超过许用应力、变形超过许用变形，则返回步骤10、步骤20，提出改进结构的优化方案；若步骤40的显示汽车主模型整体结构强度刚度的分布符合要求，则汽车主模型完成最终设计。步骤50将汽车主模型的体结构强度、刚度的分布记录建成数据库。

图2～图7所示以某一款汽车主模型为例，按照本发明的方法对其进行CAE结构分析的过程：

图2所示为汽车主模型在单位振动工况下的CAE建模和边界条件，先将所需的CAD数据进行网格划分和简化工作，并将实际工况下的边界条件和约束情况施加在主模型CAE模型上，对汽车主模型进行本发明步骤30的CAE结构分析。

图3为经过步骤30的CAE结构分析的汽车主模型内部应力分布图，通过CAE结构分析，找到结构受力最大的区域—后车门横梁1，图3右侧的是表征应力值的色条，上端的应力值最大，下端的应力值最小，后车门横梁1中如圆圈标示处的应力值最大，最大应力值为6.74MPa。由于汽车主模型选用的航空铝合金材料，该应力不会造成材料的破坏和永久变形，证明此工况条件下的结构设计满足设计要求。

图4为经过步骤30的CAE结构分析的汽车主模型内部应力分布图，汽车主模型通过CAE结构分析，找到汽车主模型上最大变形位置—车头横梁2，图4右侧的是表征变形值的色条，上端的变形最大，下端的变形值最小，车头横梁2中如圆圈标示处的变形最大，最大变形为0.0892mm。由于此处结构壁薄，结构之间间隙只有0.085mm，存在部件之间发生破化的风险，需要返回步骤10、步骤20，对此处结构进行优化设计，即改变车头横梁2的结构，以减小其变形量。

图5～图7示出了对汽车主模型车头横梁2的优化设计过程。车头横梁2按照下述三个设计方案进行CAE结构分析，从而，改善车头横梁2的结构，进行优化设计。

在本发明的步骤20阶段，车头横梁2的结构含有以下四个设计参数：

1.壁厚：现有设计厚度1.2mm，厚度限制1.55mm；

2.筋条高度：现有设计高度1.5mm，高度限制1.85mm；

3.筋条厚度：现有设计厚度0.8mm，厚度限制1.03mm；

4.圆角半径：现有设计半径20mm，半径限制45.7mm。

优化设计的3套方案如下：

方案1：壁厚至1.5mm，筋条高度不变，筋条厚度至1mm，圆角半径：至40mm；

方案2：壁厚不变，筋条高度至1.8mm，筋条厚度至1mm，圆角半径至40mm；

方案3：壁厚至1.4mm，筋条高度至1.6mm，筋条厚度至1mm，圆角半径至40mm。

按照本发明的步骤30阶段，对以上3种设计方案进行CAE结构分析，得到了各种更新设计的变形值分布和局部的最大变形结果。从分析结果中可以看出，结构修改对整体结构变形的影响非常小，但在局部区域的影响较大。图5车头横梁2方案1的CAE结构分析结果为圆圈标示处的最大变形值为0.079mm；图6车头横梁2方案2的CAE结构分析结果圆圈标示处的最大变形值为0.087mm；图7车头横梁2方案3的CAE结构分析结果圆圈标示处的最大变形值为0.080mm；

其中方案1和方案3达到了预计的效果，最大变形值均低于0.085mm，方案2中局部的最大变形值为0.087mm，没有达到设定要求。综合考虑后最终选择方案3作为最终的设计方案。

本发明利用CAE结构分析对汽车主模型在各种工况情况下进行受力和变形分析，得到汽车主模型整体结构强刚度的分布情况，从而可以优化设计方案，降低制造成本。

除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (1)

1.一种基于CAE结构分析的汽车主模型结构优化设计方法，其特征在于：包括下列步骤：

1)将汽车主模型分切成数块模块；

2)对各模块进行模块结构初步设计，初步确定模块形状、壁厚、加强筋的布局和形状；

3)应用CAE结构分析对完成初步设计的各模块组合成的汽车主模型进行下列分析模拟：

a.对汽车主模型由于环境温度升高所产生的热变形进行分析；

b.对汽车主模型吊装时的受力和变形进行分析；

c.对汽车主模型在运输过程中受到振动时的受力和变形进行分析；

d.对汽车主模型受到冲击载荷时的受力和变形进行分析；

e.对汽车主模型在其他受力工况下的受力和变形进行分析；

4)通过CAE结构分析得到了汽车主模型整体结构强度刚度的分布情况；若显示某一模块的强度超过许用应力、变形超过许用变形，则返回步骤(1)、步骤(2)，提出改进结构的优化方案；

5)若步骤(4)的显示汽车主模型整体结构强度刚度的分布符合要求，则汽车主模型完成最终设计，并将汽车主模型整体结构强度刚度的分布记录建成数据库。

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