CN109829257B - 汽车车架轻量化优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种汽车车架轻量化优化方法，所述方法包括如下步骤：根据预设建模参数，对所述汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型；根据预设扭转刚度边界条件，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析，以确定所述汽车车架中的车架中间横梁对应的优化区域，并对所述车架中间横梁进行结构优化；根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚。本发明提出的汽车车架轻量化优化方法，可保证汽车车架的整体扭转刚度以及弯曲刚度，进一步提高了产品质量。

Description

汽车车架轻量化优化方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，特别涉及一种汽车车架轻量化优化方法。

背景技术

随着国家对节能减排要求的提高及汽车行业竞争的加剧，如何应用先进的结构设计技术对汽车车架进行结构设计，来进实现车架的减重轻量化，从而满足国家日趋严厉的法规要求及提升产品竞争力，成为未来汽车主机厂生存的关键因素。

平台化开发技术，即在满足性能带宽的前提下尽可能地实现通用化及轻量化，使得各种车型如SUV及MPV车型大量通用车身零部件，从而最大限度的降低研发成本、生产成本及管理成本。轻量化技术影响汽车的燃油经济型、动力性能、制动性能，如何实现轻量化提高产品竞争力是各个汽车企业迫在眉睫的一项紧迫任务。

然而，当前国内仍有部分汽车生产厂商，不具备有效的通用化及轻量化开发技术，使得产品开发周期长、成本高，导致竞争能力不强的问题。

发明内容

基于此，本发明的目的是为了解决现有技术中，前国内仍有部分汽车生产厂商，不具备有效的通用化及轻量化开发技术，使得产品开发周期长、成本高，导致竞争能力不强的问题。

本发明提出一种汽车车架轻量化优化方法，其中，所述方法包括如下步骤：

根据预设建模参数，对所述汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型；

根据预设扭转刚度边界条件，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析，以确定所述汽车车架中的车架中间横梁对应的优化区域，并对所述车架中间横梁进行结构优化；

根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲刚度边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚。

本发明提出的汽车车架轻量化优化方法，首先根据预设建模参数，对汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型，然后设置扭转刚度边界条件，进行拓扑优化后可以确认得到汽车车架中车架中间横梁对应的优化区域，保证该汽车车架的扭转刚度；再根据弯曲刚度边界条件，对该车架两侧的主梁进行尺寸优化，得到最优截面尺寸以及料厚，从而在保证汽车车架扭转刚度以及弯曲刚度的同时，最大程度上减轻了该汽车车架的重量，实现了轻量化。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，在根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲刚度边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚的步骤之后，所述方法还包括：

判断经优化后的所述汽车车架的结构强度是否符合对应的出厂强度标准；

若否，则对制作所述汽车车架的材料牌号进行更换直至符合所述出厂强度标准。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，所述预设扭转刚度边界条件具体设置为：

在所述汽车车架的车架前端连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在所述车架前端连接点处限制z方向位移，在所述左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在所述右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析需满足如下条件设置：

将所述车架实体模型的单元属性设置为体积分数响应以及拓扑优化的变量；

将所述车架实体模型中的前板簧加载点的位移设置为位移响应；

将所述车架实体模型中的约束体积分数的上限值设置为0.3。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，对所述车架实体模型进行拓扑优化时，扭转作用力的施加方法为：

在所述汽车车架的所述前板簧加载点的左右两侧分别施加在竖直方向上方向相反的作用力。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，所述预设弯曲刚度边界条件具体设置为：

在所述汽车车架的左侧主梁前悬架连接点、右侧主梁前悬架连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在所述左侧主梁前悬架连接点处限制y方向以及z方向位移，在所述左侧主梁前悬架连接点处限制z方向位移，在所述左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在所述右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚的方法包括如下步骤：

根据所述车架实体模型，基于SFE软件进行参数化建模得到壳体网格模型；

对基于所述SFE软件参数化建模后的所述壳体网格模型，基于isight多学科优化算法对所述汽车车架的截面及料厚进行优化以得到最优的截面尺寸以及料厚。

所述汽车车架轻量化优化方法，其中，在所述预设建模参数中，所述车架实体模型对应的网格尺寸为5～15mm，翘曲度<10°，长宽比<10，坍塌度<0.15，雅各比<0.7，对所述汽车车架进行实体化建模的软件为hyperworks。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明第一实施例提出的汽车车架轻量化优化方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提出的汽车车架轻量化优化方法的流程图；

图3为本发明第二实施例中进行实体化建模所参考的基础车架的结构示意图；

图4为本发明第二实施例中所建立的车架实体模型的结构示意图；

图5为本发明第二实施例中的扭转刚度边界条件示意图；

图6为本发明第二实施例中的弯曲刚度边界条件示意图；

图7为本发明第二实施例中的所述车架实体模型经拓扑优化后的结构示意图；

图8为本发明第二实施例中经拓扑优化以及尺寸优化改进后的汽车车架的示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的首选实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容更加透彻全面。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

当前国内仍有部分汽车生产厂商，不具备有效的通用化及轻量化开发技术，使得产品开发周期长、成本高，导致竞争能力不强的问题。

为了解决这一技术问题，本发明提出一种汽车车架轻量化优化方法，请参阅图1，对于本发明第一实施例提出的汽车车架轻量化优化方法，方法包括如下步骤：

S101，根据预设建模参数，对所述汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型。

在本步骤中，对汽车车架进行实体化建模的软件为hyperworks。上述的预设建模参数，具体设置为：网格尺寸为5～15mm，翘曲度<10°，长宽比<10，坍塌度<0.15，雅各比<0.7。

在此需要补充说明的是，在进行建模时，车架空间的设计可参照基础车架进行。其中，该基础车架指的是市场上在售的某一款热门车型的车架，更具有参考价值。

S102，根据预设扭转刚度边界条件，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析，以确定所述汽车车架中的车架中间横梁对应的优化区域，并对所述车架中间横梁进行结构优化。

在建立了车架实体模型之后，为了保证该汽车车架的扭转刚度，在本步骤中，首先设置扭转刚度边界条件，然后对上述的车架实体模型进行拓扑优化，确定汽车车架中的车架中间横梁的区域，其中该车架中间横梁将直接影响着扭转刚度。

对于上述的扭转刚度边界条件而言，在本步骤中，具体设置为：在汽车车架的车架前端连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在车架前端连接点处限制z方向位移，在左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移。

根据上述的扭转刚度边界条件，在汽车车架的前板簧加载点的左右两侧分别施加在竖直方向上方向相反的作用力，以对扭转刚度进行响应测试。并经拓扑优化后可得到汽车车架中的车架中间横梁对应的优化区域。在确定了车架中间横梁的优化区域之后，对该车架中间横梁进行结构优化。

需要补充的是，在进行拓扑优化时，需要设置如下拓扑优化条件：

(1)将车架实体模型的单元属性设置为体积分数响应以及拓扑优化的变量；

(2)将车架实体模型中的前板簧加载点的位移设置为位移响应；

(3)将车架实体模型中的约束体积分数的上限值设置为0.3。

在此需要指出的是，对该车架中间横梁进行优化的步骤，一般是通过人工经验来完成，凭借实际优化经验对该车架中间横梁的结构不断进行改变，以提高该车架中间横梁的结构强度，进而提高该汽车车架的扭转刚度。

S103，根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲刚度边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚。

如上所述，在完成了汽车车架扭转刚度的测试以及对应的拓扑优化之后，还需要对上述汽车车架的弯曲刚度进行测试分析。

在本步骤中，首先设置弯曲刚度边界条件，具体为：在汽车车架的左侧主梁前悬架连接点、右侧主梁前悬架连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在左侧主梁前悬架连接点处限制y方向以及z方向位移，在左侧主梁前悬架连接点处限制z方向位移，在左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移。

在进行了弯曲刚度边界条件约束之后，在汽车车架相对两侧的主梁的中部分别施加一竖直方向向下的作用力，然后对该汽车车架的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚。

具体的，在对汽车车架的主梁进行尺寸优化时，首先根据车架实体模型，基于SFE软件进行参数化建模得到壳体网格模型；然后对基于SFE软件参数化建模后的所述壳体网格模型，基于isight多学科优化算法对汽车车架的截面及料厚进行优化以得到最优的截面尺寸以及料厚。

本发明提出的汽车车架轻量化优化方法，首先根据预设建模参数，对汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型，然后设置扭转刚度边界条件，进行拓扑优化后可以确认得到汽车车架中车架中间横梁对应的优化区域，保证该汽车车架的扭转刚度；再根据弯曲刚度边界条件，对该车架两侧的主梁进行尺寸优化，得到最优截面尺寸以及料厚，从而在保证汽车车架扭转刚度以及弯曲刚度的同时，最大程度上减轻了该汽车车架的重量，实现了轻量化。

下面以一个具体的实例对本发明的具体实施方案作出更加详细地叙述。请参阅图2至图8，对于本发明第二实施例提出的汽车车架轻量化优化方法，其具体实施方式如下所述：

S201，对汽车车架进行实体建模得到车架实体模型。

在本步骤中，对汽车车架进行实体化建模的软件为hyperworks。上述的预设建模参数，具体设置为：网格尺寸为5～15mm，翘曲度<10°，长宽比<10，坍塌度<0.15，雅各比<0.7。

在此需要补充说明的是，在进行建模时，车架空间的设计可参照基础车架进行。其中，该基础车架指的是市场上在售的某一款热门车型的车架，更具有参考价值。

S202，扭转刚度边界条件设置。

在建立了车架实体模型之后，为了保证该汽车车架的扭转刚度，需要先进行扭转刚度边界条件设置。具体的，在本步骤中，扭转刚度边界条件为(请参阅图5)：在汽车车架的车架前端连接点SPC3、左侧主梁后悬架连接点SPC123以及右侧主梁后悬架连接点SPC13分别施加位移约束，其中在车架前端连接点SPC3处限制z方向位移，在左侧主梁后悬架连接点SPC123处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在右侧主梁后悬架连接点SPC13处限制x方向位移以及z方向位移。

S203，拓扑优化分析。

在对该车架实体模型进行拓扑优化分析时需满足如下条件设置：

(1)将车架实体模型的单元属性设置为体积分数响应以及拓扑优化的变量；

(2)将车架实体模型中的前板簧加载点的位移设置为位移响应；

(3)将车架实体模型中的约束体积分数的上限值设置为0.3。

需要指出的是，将上述车架实体模型中的约束体积分数的上限值设置为0.3，主要是为了使得所确定的需要进行结构优化的车架中间横梁的区域范围不至于过大，导致优化效果不佳的问题。

在进行拓扑优化时，在上述汽车车架的前板簧加载点的左右两侧分别施加在竖直方向上方向相反的作用力，以对扭转刚度进行响应测试。在本步骤中，施加的作用力的强度为T＝3000N.m，优化目标为加载点处的位移响应绝对值最小，即扭转刚度最大。

S204，汽车车架中间横梁结构优化设计。

对该车架中间横梁进行优化的步骤，一般是通过人工经验来完成，凭借实际优化经验对该车架中间横梁的结构不断进行改变，以提高该车架中间横梁的结构强度，进而提高该汽车车架的扭转刚度。

S205，对汽车车架的主梁进行尺寸优化。

如上所述，在对汽车车架的车架中间横梁进行了结构优化后，还需要对汽车车架的主梁进行尺寸优化。在进行优化前，需要对汽车车架的弯曲刚度边界条件进行设置。具体为，请参阅图6，在汽车车架的左侧主梁前悬架连接点SPC23、右侧主梁前悬架连接点SPC3、左侧主梁后悬架连接点SPC123以及右侧主梁后悬架连接点SPC13分别施加位移约束，其中在左侧主梁前悬架连接点SPC23处限制y方向以及z方向位移，在左侧主梁前悬架连接点SPC3处限制z方向位移，在左侧主梁后悬架连接点SPC123处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在右侧主梁后悬架连接点SPC13处限制x方向位移以及z方向位移。

在完成了汽车车架的弯曲刚度边界条件设置之后，

对汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚的方法包括如下步骤：

(1)根据车架实体模型，基于SFE软件进行参数化建模得到壳体网格模型；

(2)对基于SFE软件参数化建模后的壳体网格模型，基于isight多学科优化算法对汽车车架的截面及料厚进行优化以得到最优的截面尺寸以及料厚。优化结果为：该汽车车架的主梁截面加高10mm，而料厚从6mm减薄到4.5mm，实现全局弯曲、扭转刚度性能不变，减重38kg。

为了进一步保证该汽车车架的整体结构强度，在本实施例中，在优化得到了最优的截面尺寸以及料厚的步骤之后，还需要进行如下步骤：

判断经优化后的汽车车架的结构强度是否符合对应的出厂强度标准；若否，则对制作汽车车架的材料牌号进行更换直至符合所述出厂强度标准。在本实施例中，优化后强度刚度均满足要求(不低于基础车架)，且较基础车架减重38kg，减重比例高达15.7％。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成。所述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中。该程序在执行时，包括上述方法所述的步骤。所述的存储介质，包括：ROM/RAM、磁碟、光盘等。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (6)

1.一种汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

根据预设建模参数，对所述汽车车架进行实体化建模以得到一车架实体模型；

根据预设扭转刚度边界条件，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析，以确定所述汽车车架中的车架中间横梁对应的优化区域，并对所述车架中间横梁进行结构优化；

根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲刚度边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚；

所述预设扭转刚度边界条件具体设置为：

在所述汽车车架的车架前端连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在所述车架前端连接点处限制z方向位移，在所述左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在所述右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移；

所述预设弯曲刚度边界条件具体设置为：

在所述汽车车架的左侧主梁前悬架连接点、右侧主梁前悬架连接点、左侧主梁后悬架连接点以及右侧主梁后悬架连接点分别施加位移约束，其中在所述左侧主梁前悬架连接点处限制y方向以及z方向位移，在所述左侧主梁前悬架连接点处限制z方向位移，在所述左侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移，y方向位移以及z方向位移，在所述右侧主梁后悬架连接点处限制x方向位移以及z方向位移。

2.根据权利要求1所述的汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，在根据所述车架实体模型建立的壳体网格模型以及预设弯曲刚度边界条件，对所述汽车车架中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚的步骤之后，所述方法还包括：

判断经优化后的所述汽车车架的结构强度是否符合对应的出厂强度标准；

若否，则对制作所述汽车车架的材料牌号进行更换直至符合所述出厂强度标准。

3.根据权利要求1所述的汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，对所述车架实体模型进行拓扑优化分析需满足如下条件设置：

将所述车架实体模型的单元属性设置为体积分数响应以及拓扑优化的变量；

将所述车架实体模型中的前板簧加载点的位移设置为位移响应；

将所述车架实体模型中的约束体积分数的上限值设置为0.3。

4.根据权利要求3所述的汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，对所述车架实体模型进行拓扑优化时，扭转作用力的施加方法为：

在所述汽车车架的所述前板簧加载点的左右两侧分别施加在竖直方向上方向相反的作用力。

5.根据权利要求1所述的汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，对所述壳体网格模型中相对两侧的主梁进行尺寸优化，以得到最优的截面尺寸以及料厚的方法包括如下步骤：

根据所述车架实体模型，基于SFE软件进行参数化建模得到壳体网格模型；

对基于所述SFE软件参数化建模后的所述壳体网格模型，基于isight多学科优化算法对所述汽车车架的截面及料厚进行优化以得到最优的截面尺寸以及料厚。

6.根据权利要求1所述的汽车车架轻量化优化方法，其特征在于，在所述预设建模参数中，所述车架实体模型对应的网格尺寸为5~15mm，翘曲度<10°，长宽比<10，坍塌度<0.15，雅各比<0.7，对所述汽车车架进行实体化建模的软件为hyperworks。

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