CN108984994B - 一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及结构设计方法领域，具体涉及一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，包括以下步骤：S1.定义设计空间及边界条件；S2.拓扑优化得到力传递路径；S3.根据拓扑结果设计零件概念模型。通过本发明提供的汽车零件结构的设计方法，根据零件中力的传递路径进行设计，设计思路更有针对性，确保设计得到的零件能够满足性能要求，设计得到的结构重量轻，零件的性能优于现有的零件。

Description

一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法

技术领域

本发明涉及一种结构设计方法，特别是一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法。

背景技术

汽车上的零件具有数目繁多、结构和运行工况复杂的特点。现有技术中，对汽车上的零件进行结构设计时，通常是设计人员根据自己的经验，在现有结构的基础上进行小范围的调整。这种调整往往缺乏针对性，设计的结构受设计人员经验水平的影响较大，甚至可能出现调整后的新结构的不能满足零部件性能要求的情况。

发明内容

本发明的发明目的在于：针对现有技术结构设计方法存在的设计方向盲目的问题，提供一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，包括以下步骤：

S1.定义设计空间及边界条件；

S2.拓扑优化得到力传递路径；

S3.根据拓扑结果设计零件概念模型。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S3之后，还包括以下步骤：

S4.验证零件概念模型是否符合性能要求。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S1中，具体包括以下步骤：

S101.获取设计硬点及边界条件；

S102.定义基础设计空间，确保基础设计空间与零件周围的结构不发生干涉；

S103.前处理；

S104.计算得到初始性能参数。

作为本发明的优选方案，所述步骤S104在Optistruct求解器中进行。

作为本发明的优选方案，在步骤S2中，包括：

S201.定义单元尺寸；

S202.设置质量响应变量、质量分数响应变量和位移响应变量；

S203.设置质量分数约束和最大位移约束；

S204.设置优化目标。

作为本发明的优选方案，按如下数据定义拓扑参数：

在步骤S201中：Parameters选项中mindim尺寸为基础单元尺寸的0.3-0.5倍,maxdim尺寸为基础单元尺寸的4-6倍。

作为本发明的优选方案，按如下数据定义拓扑参数：

在步骤S202中：Response_1＝mass,作用区域为整个初始设计空间；

Response_2＝massfrac,作用区域为整个初始设计空间；

Response_n＝static displacement,作用区域为所有硬点所在的节点(其中n＝1,2,3,…i)。

作为本发明的优选方案，按如下数据定义拓扑参数：

在步骤S203中：Deconstraints选项中对Response_2约束lower bound，该参数为目标质量与初始设计空间质量的比值；

Dconstraints选项中对Response_n约束uper bound(其中n＝1,2,3,…i),该参数为各工况中响应点的最大位移的5-20倍,Loadsteps＝all。

作为本发明的优选方案，按如下数据定义拓扑参数：

在步骤S204中，设置Min-response＝mass。

作为本发明的优选方案，在所述步骤S3中，包括以下步骤：

S301.对所述拓扑优化结果进行分区离散；

S302.基于拓扑后的单元密度进行抽象拟合；

S303.采用基础结构及其组合提供所需要的刚度，拟合各个分区中的基础结构组合，得到零件整体的概念模型。具体的，基础结构是指板、管、梁等结构。

作为本发明的优选方案，在步骤S301中，分区离散是指，根据单元密度分布及硬点分布状态对拓补优化结构进行分区得到局部特征区域，使每个局部特征区域包含若干个设计硬点。

本发明提供的一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法的有益效果在于：

1.根据零件中力的传递路径进行设计，设计思路更有针对性，确保设计得到的零件能够满足性能要求；

2.基于拓扑优化结果进行结构设计，使得到的结构重量轻；

3.设计得到的零件的性能高于现有的零件。

附图说明

图1是本发明实施例1提供的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法的流程图。

图2是本发明实施例2中的基础设计空间的结构示意图。

图3是本发明实施例2中的拓扑优化结果示意图。

图4是本发明实施例2中的汽车前副车架的概念模型示意图。

图5是现有技术中的汽车前副车架与实施例2中的汽车前副车架概念模型的模态对比，其中上图是现有技术中汽车前副车架模态，下图是实施例2中的汽车前副车架概念模型的模态。

图标：1-基础设计空间；2-第一区；3-第二区；4-第三区；5-第四区；6-第五区。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作详细的说明。

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

请参阅图1。本发明提供了一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，这种设计方法包括以下步骤：

S1.定义设计空间及边界条件；

S2.拓扑优化得到力传递路径；

S3.根据拓扑结果设计零件概念模型；

S4.验证零件概念模型是否符合性能要求。

步骤S1包括以下步骤：

S101.获取设计硬点及边界条件；

S102.定义基础设计空间；

S103.前处理；

S104.计算得到初始性能参数。

在步骤S101中，收集设计部门给定的相关输入条件，包括设计硬点、边界条件等。在步骤S102中，根据零件周围结构的位置，划分出待设计的零件材料所被允许存在的最大空间，该空间即为基础设计空间。

在步骤S103中，根据待设计的零件所采用的材料，对基础设计空间赋予材料属性。在步骤S104中，将前处理结果提交Optistruct求解器计算，求得初始性能参数。

步骤S2包括以下步骤：

S201.定义单元尺寸；

S202.设置质量响应变量、质量分数响应变量和位移响应变量；

S203.设置质量分数约束和最大位移约束；

S204.设置优化目标。

将步骤S2中得到的，经过优化设置的模型提交到Optistruct求解器中计算，得到拓补优化结果。

进一步的，在步骤S204结束后，还包括以下步骤：

S205.检验结果是否合理，若结果不合理，再次进行步骤S201、S202、S203和S204。

步骤S3包括以下步骤：

S301.对所述拓扑优化结果进行分区离散；

S302.基于拓扑后的单元密度进行抽象拟合；

S303.采用基础结构及其组合提供所需要的刚度，拟合各个分区中的基础结构组合，得到零件整体的概念模型。

在步骤S301中，根据设计硬点的分布状态对拓扑结果进行分区，使每个所述分区包括若干个硬点。具体的，若该零件的设计硬点为对称布置，则以对称轴为界，对对称轴一侧的拓扑优化结果进行分区和结构设计，对称轴另一侧的结构由对称得到。

在步骤S302中，根据各个硬点周围的单元密度分布状态，忽略细小、容易引起歧义、断开的拓补结构特征，将有助于提升各向刚度的拓补结构特征(单元密度大，无细小、断开的局部区域)作为结构设计的主要参考对象。其中，有助于提升各向刚度的拓扑结构特征是指：单元密度大，无细小或断开的局部特征区域。通过各个局部特征区域内的参考对象确定出相应局部特征区域的定性刚度。

具体的，板用于提供沿板面方向的刚度。板与沉台结合，能够用于提供沿板面方向和沿板面法线方向的刚度。板与加强筋结合，能够用于提供沿板面方向和沿板面法线方向的刚度。板与翻边结合，能够用于提供沿板面方向和沿板面法线方向的刚度。管用于提供沿空间各向的刚度，还能够用于加强抗弯和抗扭性能。

具体的，在基础设计空间中定义直角坐标系XYZ，拓扑结果显示基础设计空间中某一处的单元密度较大，则根据该处的力传递方向确定采用的基础特征。如：拓扑结果显示，基础设计空间中，某一处单元沿X方向和Z方向分布较多，则在该处设置沿XZ平面布置的，若该处同时还具有沿Y方向分布的单元，则在该板上设置加强筋或沉台或翻边，或直接在该处设置管。

通过上述方式，能够根据拓扑优化得到的结果，将板、管、梁等基础特征组合，从而在各个局部特征区域内得到与优化结果所显示的刚度吻合的钣金结构。

在步骤S303中，组合各个分区的基础结构，在各个分区中得到零件分区结构，然后将各个分区中的零件分区结构拼接，得到零件整体的概念模型。

在步骤S4中，在得到的概念模型上施加载荷，进行模型验证，验证概念模型能够满足零件的使用要求。如果概念模型能够满足要求，则结束概念设计阶段；如果概念模型不能够满足要求，则重复步骤S3，再次进行概念模型的设计。

实施例2

请参阅图2-图5。本实施例提供了一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法在汽车前副车架设计中的应用。汽车前副车架为钣金件。

根据实施例1所述，按以下步骤进行汽车前副车架的结构设计：

S1.定义汽车前副车架的设计空间及边界条件；

S2.拓扑优化得到力在汽车前副车架中的传递路径；

S3.根据拓扑结果设计汽车前副车架的概念模型。

S4.验证汽车前副车架的概念模型是否符合性能要求。

在步骤S1中，包括以下步骤：

S101.获取汽车前副车架的设计硬点及边界条件；

S102.定义汽车前副车架的基础设计空间1；

S103.前处理；

S104.计算得到汽车前副车架的初始性能参数。

具体的，步骤S103在hypermesh软件中完成，步骤S104在Optistruct求解器中完成。

步骤S2包括以下步骤：

S201.定义单元尺寸；

S202.设置质量响应变量、质量分数响应变量和位移响应变量；

S203.设置质量分数约束和最大位移约束；

S204.设置优化目标。

步骤S2在Optistruct求解器中完成，具体的：

在步骤S201中：Parameters选项中mindim尺寸为基础单元尺寸的0.3-0.5倍,maxdim尺寸为基础单元尺寸的4-6倍。步骤S201用于控制拓扑优化过程中的单元尺寸。

在步骤S202中：Response_1＝mass,作用区域为整个初始设计空间。该操作用于设置质量响应变量。

Response_2＝massfrac,作用区域为整个初始设计空间。该操作用于设置重量分数响应变量。

Response_n＝static displacement,作用区域为所有硬点所在的节点(其中n＝1,2,3,…，i)。该操作用于针对所有硬点设置位移响应变量。

在步骤S203中：Deconstraints选项中对Response_2约束lower bound，该参数为目标质量与初始设计空间质量的比值。该操作用于设置质量分数约束，让拓扑优化结构收敛于这个所设定的约束范围内。

Dconstraints选项中对Response_n约束uper bound(其中n＝1,2,3,…i),该参数为各工况中响应点的最大位移的5-20倍,Loadsteps＝all。该操作用于设置最大位移约束。

在步骤S204中，设置Min-response＝mass。该操作用于将“质量最小”设定为优化目标。

步骤S3包括以下步骤：

S301.对拓扑优化结果进行分区离散；

S302.基于拓扑后的单元密度进行抽象拟合；

S303.组合各个分区的零件分区结构，得到零件整体的概念模型。

步骤S301、S302、S303在CATIA软件中进行。

具体的，由于汽车前副车架上的硬点对称布置，因此，在步骤S301中，以汽车前副车架的对称轴为界，拓扑优化结果中位于对称轴左侧的区域为第一区2，将拓扑优化结果中位于对称轴右侧的区域按硬点个数分为第二区3、第三区4、第四区5、第五区6。

在步骤S302中，忽略细小、断开的拓扑结构特征，以单元密度大，无细小、断开的局部特征区域作为参考对象，以定性确定各个区域所需要的刚度，并通过板、管、梁等基础结构及其组合提供各个局部特征区域所需要的刚度。

具体的，在第二区和第三区，单元密度较小，因此，第二区和第三区可采用较为简单的结构。

在第四区5，需要得到较高的X、Y、Z向刚度，以及需要较高的弯扭刚度。因此，在第四区5，采用板与加强筋配合的结构提供X、Y、Z向刚度，并组合管结构提供弯扭刚度。

在第五区6，需要得到较高的X、Z向刚度，以及需要较高的弯扭刚度。因此，在第五区6，采用两块相对设置的板，两块板之间通过管以及板相连，已提供所需要的X、Z向刚度和弯扭刚度。

组合上述的结构特征，再使该结构特征沿汽车前副车架的中心轴对称，得到汽车前副车架的概念模型。

步骤S4中，将上述的概念模型导入到Abaqus中，对概念模型的强度进行验证，以及将上述的概念模型导入到Nastran中，对概念模型的刚度和模态进行验证。若结果可接受，则设计过程结束。若结果不可接受，则再次进行步骤S303。

根据验证结果可以看出，根据本发明提供的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法设计得到的汽车前副车架，相比于现有技术中的汽车前副车架具有更高的固有模态频率，因此，有利于整车NVH(噪声、振动与声振粗糙度)性能的提升。

综上所述，本发明提供的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法的有益效果在于：

1.根据零件中力的传递路径进行设计，设计思路更有针对性，确保设计得到的零件能够满足性能要求；

2.基于拓扑优化结果进行结构设计，使得得到的结构重量轻；

3.设计得到的零件的性能优于现有的零件。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.定义设计空间及边界条件；具体包括以下步骤：

S101.获取设计硬点及边界条件；

S102.定义基础设计空间；

S103.前处理；

S104.计算得到初始性能参数；

S2.拓扑优化得到力传递路径；

S201.定义单元尺寸；

S202.设置质量响应变量、质量分数响应变量和位移响应变量；

在步骤S202中：Response_1＝mass,作用区域为整个初始设计空间，用于设置质量响应变量；

Response_2＝massfrac,作用区域为整个初始设计空间，用于设置质量分数响应变量；

Response_n＝static displacement,作用区域为所有硬点所在的节点，其中n＝1,2,3,…，i，用于针对所有硬点设置位移响应变量；

S203.设置质量分数约束和最大位移约束；

在步骤S203中：Deconstraints选项中对Response_2约束lower bound，该参数为目标质量与初始设计空间质量的比值，用于设置质量分数约束，让拓扑优化结构收敛于所设定的约束范围内；

Dconstraints选项中对Response_n约束uper bound，其中n＝1,2,3,…i,该参数为各工况中响应点的最大位移的5-20倍,Loadsteps＝all，用于设置最大位移约束；

S204.设置优化目标；

在步骤S204中，设置Min-response＝mass，用于将“质量最小”设定为优化目标；

S3.根据拓扑优化结果设计零件概念模型；

S301.对所述拓扑优化结果进行分区离散；

在所述步骤S301中，分区离散是指，根据单元密度分布及硬点分布状态对拓补优化结构进行分区得到局部特征区域，使每个局部特征区域包含若干个设计硬点；

S302.基于拓扑后的单元密度进行抽象拟合；

根据各个硬点周围的单元密度分布状态，忽略细小、容易引起歧义、断开的拓补结构特征，将单元密度大，无细小或断开的局部特征区域作为结构设计的参考对象；拓扑结果显示基础设计空间中某一处的单元密度较大，则根据该处的力传递方向确定采用的基础特征；将板、管、梁基础特征组合，从而在各个局部特征区域内得到与优化结果所显示的刚度吻合的钣金结构；

S303.采用基础结构及其组合提供所需要的刚度，拟合各个分区中的基础结构组合，得到零件整体的概念模型。

2.根据权利要求1所述的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，其特征在于，在所述步骤S3之后，还包括以下步骤：

S4.验证零件概念模型是否符合性能要求。

3.根据权利要求1所述的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，其特征在于，所述步骤S104在Optistruct求解器中进行。

4.根据权利要求1所述的基于有限元的汽车钣金件结构设计方法，其特征在于，按如下数据定义拓扑参数：

在步骤S201中：Parameters选项中mindim尺寸为基础单元尺寸的0.3-0.5倍,maxdim尺寸为基础单元尺寸的4-6倍。

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