CN108920780A - 一种基于应变能的车身结构优化设计方法 - Google Patents

Abstract

一种基于应变能的车身结构优化设计方法，包含车身结构有限元模型建立及模块划分、基于应变能计算刚度贡献率对车身结构优化模块进行筛选、建立刚度分布数学模型，以车身结构刚度贡献分布均匀化为约束条件，实现车身结构优化设计。本发明通过计算车身结构各模块的刚度贡献率来评价各模块所占刚度贡献的比重，实现车身结构刚度的合理分布，相比传统零部件抗疲劳轻量化方法，具有定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势；能够快速筛选出车身结构优化对象，改善结构应力集中的问题，提高车身结构疲劳寿命，减轻车身质量，大大提高优化效率。

Description

一种基于应变能的车身结构优化设计方法

发明领域

本发明涉及一种基于应变能的车身结构优化设计方法，属于车辆车身优化设计技术领域。

背景技术

车辆车身的疲劳寿命是影响车辆行驶安全性和可靠性的关键因素，对车身进行结构优化是提高车身疲劳寿命的有效手段，而目前针对车身的抗疲劳结构优化主要是结合灵敏度方法和优化算法对疲劳寿命进行优化，然而当车身结构的优化变量数量较多时，这种方法操作流程复杂且费时，无法快速有效地对车身结构进行抗疲劳优化。

车身结构产生疲劳破坏的力学本质是应力集中，而刚度突变又是产生应力集中的根本原因，因此对于车身结构的抗疲劳优化的研究可以从协调车身结构的刚度着手。目前车身结构刚度设计主要关注结构的整体刚度，只能定性地指出车身结构刚度相对薄弱的区域，但是对于各区域的结构刚度具体强弱关系没有定量的判断，也就无法将车身结构的刚度设计目标分解到各模块中去。

发明内容

本发明针对现有的车身结构优化对象筛选方法的不足，导致无法快速有效地对车身结构进行优化设计的问题，提供一种基于应变能的车身结构优化设计方法。本发明的方法包括车身结构优化模块筛选方法以及基于该筛选方法的车身优化设计方法。

本发明的车身结构优化模块筛选方法能够定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势。基于该筛选方法的车身优化设计方法是将刚度贡献均匀化作为约束条件，用于实现车身结构的优化设计。这一整套方法包含车身结构有限元模型建立及模块划分、刚度贡献率计算、刚度分布数学模型建立等流程，以车身结构刚度贡献分布均匀化为约束条件，最终实现车身结构优化设计。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤1

依据结构部件将车身结构划分为若干模块；建立车身结构有限元模型，在建立有限元模型时，同一模块内网格编号连续；

所述结构部件是指车架横梁、纵梁、保险杠、尾梁、底梁、前牵引横梁、后牵引横梁、支座、吊耳、龙门梁、小龙门梁、接头A、接头B、接头C、接头D和附件；功能型的加强筋并入相应位置的结构部件中；

步骤2

对车身整体结构进行弯曲工况与扭转工况刚度仿真，得到车身各模块中每一个单元的应变能值；对各模块每一个单元的应变能值求和得到车身各模块的应变能V_i；对车身各模块的应变能V_i求和得到车身整体结构应变能V₀；

步骤3

按式(1)计算车身各模块的刚度贡献率：

式中，V₀为车身整体结构应变能，V_i为模块i的应变能；

步骤4

按式(2)确定模块的单位质量刚度贡献率，定义为刚度相对贡献率ξ_i：

ξ_i＝η_i/m_i (2)

式中，m_i为第i个模块的质量；

步骤5

计算车身各模块的刚度相对贡献率ξ_i，从高至低排序，筛选刚度相对贡献率位于高端的最前的20％的模块以及位于低端的最后的20％的模块；

步骤6

将步骤5筛选出的模块的特征参数作为变量，输入步骤1中有限元模型中，计算得到不同特征参数变量条件下的车身各模块的刚度相对贡献率数据；对得到的数据进行拟合，得到各模块的刚度相对贡献率与筛选出的模块的特征参数之间的弯曲工况函数关系式F_Wξi与扭转工况函数关系式F_Nξi；

步骤7

对步骤6的函数关系式F_Wξi和F_Nξi求方差，再求其平均值，得到刚度分布协调函数S，

式(3)中：n是划分模块的个数；

步骤8

以刚度分布协调函数S、强度、刚度为约束条件，以筛选出的模块的特征参数作为变量，对优化目标建立优化函数，进行目标优化求解。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤2中，车身各模块中每一个单元是指每一个网格所对应的单元。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，式(1)

按以下步骤得到：

根据刚度贡献率定义，有：

式(4)中，η_i为车身结构模块i对车身结构整体的刚度贡献率；K_i为第i个模块的刚度；K为车身结构的整体刚度；

当车身结构整体刚度均匀发生相同比例λ的微小改变，那么车身结构整体刚度的改变量ΔK_a为：

ΔK_a＝λK

使车身结构某一特定模块i刚度均匀发生同比例改变，则模块i的刚度改变量ΔK_i＝λK_i，此时车身结构整体刚度改变量为ΔK_p，当λ→0时，则有ΔK_p→ΔK_i；根据式(4)，则有：

由位移的倒数来表征相对刚度，则式(5)可表示为：

式(6)中，u₁为各模块刚度均发生微小改变后车身的结构位移，u₂为仅模块i刚度发生微小改变后车身的结构位移，u₀为车身刚度改变前的结构位移；

当λ→0时，有u₁→u₂，且有u₀-u₂＜＜u₁，u₀-u₁＜＜u₂，则式(6)可变形为：

根据动能定理，结构的总应变能与结构位移有如下关系：

综合式(7)、(8)，刚度贡献率可以表示为：

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，模块的特征参数选自模块板厚、弹性模量、截面形状中的至少一种。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤6中，拟合方法选自响应面模型、正交多项式模型、克里格模型、神经网络模型中的一种得到拟合的函数关系式F_Wξi、F_Nξi。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，采用二次响应面模型拟合，得到的弯曲函数关系式F_Wξi与扭转函数关系式F_Nξi为：

式中，a_Wi,b_Wij,c_Wikl为弯曲工况中F_Wξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；x_Wj,x_Wk,x_Wl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数，j,k,l为1～n之间的整数；a_Ni,b_Nij,c_Nikl为弯曲工况中F_Nξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；x_Nj,x_Nk,x_Nl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，

根据步骤5得到的车身各模块的刚度相对贡献率ξ_i；刚度相对贡献率小的模块作为轻量化的优化对象；刚度相对贡献率大的模块作为刚度强化的优化对象。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，优化目标选自车身质量、车身疲劳寿命中的至少一种。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，优化车身质量和/或车身疲劳寿命时，约束条件为：

刚度分布协调函数S值范围在0～0.1；

强度以施加的应力小于材料的许用应力，即σ＜[σ]；

刚度不小于原车身设计刚度，即K_W≥K_W0，K_N≥K_N0；

其中K_W为弯曲刚度、K_W0为原车身的设计弯曲刚度、K_N为扭转刚度、K_N0为原车身设计扭转刚度。

本发明一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，

优化车身质量时，优化函数为：

优化车身疲劳寿命时，优化函数为：

优化车身质量和车身疲劳寿命时，优化函数为：

本发明建立的基于应变能的车身结构优化设计方法有效地计算出车身结构各模块的刚度贡献，并用刚度相对贡献率来评价各模块所占刚度贡献的比重，最终实现车身结构刚度的合理分布，相比传统零部件抗疲劳轻量化方法，本发明有益效果是：

1.本发明的车身结构优化模块筛选方法能够定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势；

2.本发明将车身结构细化分成若干模块，用刚度相对贡献率定量地评价各模块的刚度贡献大小，刚度相对贡献率较大的模块作为加强对象，刚度相对贡献率较小的作为轻量化对象。该方法能够快速筛选出车身结构优化对象，大大提高优化效率；

3.本发明从协调车身结构的刚度着手，通过车身结构刚度贡献均匀化，改善结构应力集中的问题，从而提高车身结构疲劳寿命。

附图说明

图1基于应变能的车身结构优化设计方法流程图；

图2车架三维模型简化图；

图3a为车架结构模块划分的轴测图；

图3b为图3a中车架绕主轴旋转180°后在水平面旋转90°的结构模块划分轴测图；

具体实施方式

本发明实施步骤如图1所示。下面本发明结合某型号矿用自卸车车架来说明本发明的具体实施过程。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。所述方法包括以下步骤：

步骤1

首先对车架结构零部件三维模型进行简化处理，简化后的车架三维几何模型如图2所示。

在划分局部模块时，依据结构特点与设计需求进行划分。划分情况如图3所示。将车架共划分为16个模块，分别为纵梁、前牵引横梁、保险杠、尾梁、底梁、前牵引横梁、后牵引横梁、支座、吊耳、龙门梁、小龙门梁、接头A、接头B、接头C、接头D和附件，每个模块既相对独立又相互联系。

同时需要注意的是，划分网格时需要分区划分网格，以保证各模块网格编号的连续性，结合车架分区情况，对车架的16个模块分别划分网格。

步骤2

利用车架有限元模型，分析车架扭转工况：根据矿用自卸车在矿山实际工作情况，在车架左前悬架位置施加2.86×10⁵N集中作用力，方向竖直向下。释放左前悬架所有自由度，约束车架右前悬垂直方向平动自由度和后悬架三方向平动自由度。建立相应的载荷步进行计算。提取计算数据，计算扭转刚度。分析车架弯曲工况：根据矿用自卸车在矿山实际工作情况，将车架货物和车厢载重质量以集中载荷形式施加与车架上，然后约束车架前悬架销轴位置侧向和垂直方向自由度，释放其纵向自由度，约束后悬架销轴位置三个方向平动自由度。建立相应的载荷步进行计算。提取计算数据，计算弯曲刚度。

仿真过程中，在HyperMesh中的control-card设置以下几个卡片，以便在Patran软件中求出模块的刚度贡献。这些卡片分别为PARAM、Global-Case-Control、TITLE、SUBTITLE和ESE。这些卡片主要是为了生成刚度信息，并生成op2文件。

步骤3

根据步骤2的基础上，在Patran软件读取软件求解车架刚度时生成的车架刚度信息文件(chejia.op2)，求出各模块的刚度贡献，主要包括对各单元刚度贡献的计算(即提取每个单元的Strain EnergyΔV_SE并进行求和)以及运用统计求和法(Result Utilities中的Summation函数)求出各模块的刚度贡献。以纵梁为例，如在划分网格时纵梁的单元编号为1～27305，那么首先利用Patran提取单元(如单元1)的Strain EnergyΔV_SE1，其他单元类似。然后利用Patran下Result Utilities中的Summation函数功能对纵梁各单元(单元1～27305)做统计求和处理。为了统计求和时提高计算及处理效率，要求各模块划分网格时单元编号连续。经过上述计算，纵梁模块的刚度贡献即可求出。根据式(1)同理求出车架其它模块的刚度贡献率η_i和刚度相对贡献率，弯曲、扭转工况下车架16个模块的刚度相对贡献率分别见表1、2，其中车架的对称结构如纵梁、接头等仅取了其中一侧的刚度贡献率数据。

表1车架各模块扭转工况质量、刚度贡献率及刚度相对贡献率

表2车架各模块弯曲工况质量、刚度贡献率及刚度相对贡献率

然后根据式(2)求出车架每个模块的刚度相对贡献率ξ_i，见数据表1。

ξ_i＝η_i/m_i (2)

步骤4

1)首先根据表1和表2中扭转和弯曲工况下车架16个模块的刚度贡献数据，筛选出刚度相对贡献率较大和较小的模块，本例选取了尾梁、支座、接头A、纵梁、前牵引横梁、托架、保险杆横梁及小龙门梁8个模块为设计对象。

2)以筛选的8个模块板厚为输入变量，采用优化拉丁超立方抽样方法选取了90组仿真样本点，仿真并计算出在各自样本点组合下的各模块的刚度相对贡献率，利用二次响应面法建立板厚与各模块刚度相对贡献率之间的数学关系，得到刚度分布模型。各零部件的参数变量原始值及其取值范围如表2所示。

表2车架的参数变量原始值及取值范围

步骤5

建立的刚度分布模型可进一步应用于车架的抗疲劳轻量化优化设计中。以前面筛选出的8个模块的板厚为设计变量，以强度约束、刚度约束和各个模块刚度贡献分布均匀化为约束条件，具体的，应力不超过材料的许用应力，刚度不小于初始车架刚度，刚度分布协调函数小于某个值S₀，根据设计经验，S₀取值范围在0～0.1之间，以车架疲劳寿命最大和质量最小为优化目标，建立车架的抗疲劳轻量化模型，如下所示：

建立优化模型并求解。

表4优化前后车架疲劳寿命及质量对比

表5优化前后车架各模块刚度相对贡献率对比

从表4可以看出，优化后车架疲劳寿命跟原始模型对比增加了62.2％，且车架质量减轻了11.2％。表5列出了车架各模块优化前后的刚度相对贡献率值的对比，可以看出，优化前刚度相对贡献率较大的模块优化后值有所减小，而刚度相对贡献率较小的模块有所增加，总体来看优化后的各模块的刚度相对贡献率值差别不大，趋于均匀，表示车架各模块的刚度分布更为均匀。

本发明建立的基于应变能的车身结构优化设计方法能够有效地计算出车身结构各模块的刚度贡献率大小，定量地评价各模块的刚度贡献，这就能大大提高了优化对象筛选效率。然后根据刚度贡献率计算结果筛选优化对象，这样解决了车身结构设计变量数目过多带来的优化效率大大降低的问题。同时能将车身结构的刚度设计目标分解到车身各模块之中，通过刚度贡献均匀化处理，使车身结构刚度分布更加合理。刚度贡献均匀化后车身各模块的刚度均匀过度，减少了由于刚度突变带来的应力集中问题，从而提高了车身抗疲劳能力，提升了疲劳寿命。具体实施方式中以车身抗疲劳轻量化为优化目标进行优化设计，达到了预期的效果，证明了该方法的有效性。

Claims (10)

1.一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1

依据结构部件将车身结构划分为若干模块；建立车身结构有限元模型，在建立有限元模型时，同一模块内网格编号连续；

步骤2

对车身整体结构进行弯曲工况与扭转工况刚度仿真，得到车身各模块中每一个单元的应变能值；对各模块每一个单元的应变能值求和得到车身各模块的应变能V_i；对车身各模块的应变能V_i求和得到车身整体结构应变能V₀；

步骤3

按式(1)计算车身各模块的刚度贡献率：

式中，V₀为车身整体结构应变能，V_i为模块i的应变能；

步骤4

按式(2)确定模块的单位质量刚度贡献率，定义为刚度相对贡献率ξ_i：

ξ_i＝η_i/m_i (2)

式中，m_i为第i个模块的质量；

步骤5

计算车身各模块的刚度相对贡献率ξ_i，从高至低排序，筛选刚度相对贡献率位于高端的最前的20％的模块以及位于低端的最后的20％的模块；

步骤6

将步骤5筛选出的模块的特征参数作为变量，输入步骤1中有限元模型中，计算得到不同特征参数变量条件下的车身各模块的刚度相对贡献率数据；对得到的数据进行拟合，得到各模块的刚度相对贡献率与筛选出的模块的特征参数之间的弯曲工况函数关系式F_Wξi与扭转工况函数关系式F_Nξi；

步骤7

对步骤6的函数关系式F_Wξi和F_Nξi求方差，再求其平均值，得到刚度分布协调函数S，

式(3)中：n是划分模块的个数；

步骤8

以刚度分布协调函数S及强度、刚度为约束条件，以筛选出的模块的特征参数作为变量，对优化目标建立优化函数，进行目标优化求解。

2.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，

步骤2中，车身各模块中每一个单元是指每一个网格所对应的单元。

3.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，

式(1)

按以下步骤得到：

根据刚度贡献率定义，有：

式(4)中，η_i为车身结构模块i对车身结构整体的刚度贡献率；K_i为第i个模块的刚度；K为车身结构的整体刚度；

当车身结构整体刚度均匀发生相同比例λ的微小改变，那么车身结构整体刚度的改变量ΔK_a为：

ΔK_a＝λK

使车身结构某一特定模块i刚度均匀发生同比例改变，则模块i的刚度改变量ΔK_i＝λK_i，此时车身结构整体刚度改变量为ΔK_p，当λ→0时，则有ΔK_p→ΔK_i；根据式(4)，则有：

由位移的倒数来表征相对刚度，则式(5)可表示为：

式(6)中，u₁为各模块刚度均发生微小改变后车身的结构位移，u₂为仅模块i刚度发生微小改变后车身的结构位移，u₀为车身刚度改变前的结构位移；

当λ→0时，有u₁→u₂，且有u₀-u₂＜＜u₁，u₀-u₁＜＜u₂，则式(6)可变形为：

根据动能定理，结构的总应变能与结构位移有如下关系：

综合式(7)、(8)，刚度贡献率可以表示为：

4.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，模块的特征参数选自模块板厚、弹性模量、截面形状中的至少一种。

5.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，步骤6中，拟合方法选自响应面模型、正交多项式模型、克里格模型、神经网络模型中的一种得到拟合的函数关系式F_Wξi、F_Nξi。

6.根据权利要求5所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，采用二次响应面模型拟合，得到的弯曲函数关系式F_Wξi与扭转函数关系式F_Nξi为：

式中，a_Wi,b_Wij,c_Wikl为弯曲工况中F_Wξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；x_Wj,x_Wk,x_Wl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数，j,k,l为1～n之间的整数；a_Ni,b_Nij,c_Nikl为弯曲工况中F_Nξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；x_Nj,x_Nk,x_Nl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数。

7.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，根据步骤5得到的车身各模块的刚度相对贡献率ξ_i；刚度相对贡献率小的模块作为轻量化的优化对象；刚度相对贡献率大的模块作为刚度强化的优化对象。

8.根据权利要求7所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，步骤8中，优化目标选自车身质量、车身疲劳寿命中的至少一种。

9.根据权利要求1-7任意一项所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，步骤8中，优化车身质量和/或车身疲劳寿命时，约束条件为：

刚度分布协调函数S值范围在0～0.1；

强度以施加的应力小于材料的许用应力，即σ＜[σ]；

刚度不小于原车身设计刚度，即K_W≥K_W0，K_N≥K_N0；

其中K_W为弯曲刚度、K_W0为原车身的设计弯曲刚度、K_N为扭转刚度、K_N0为原车身设计扭转刚度。

10.根据权利要求9所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，步骤8中，优化车身质量时，优化函数为：

优化车身疲劳寿命时，优化函数为：

优化车身质量和车身疲劳寿命时，优化函数为：