CN110135038B - 一种应用于客车快速轻量化的分析方法 - Google Patents

一种应用于客车快速轻量化的分析方法 Download PDF

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Abstract

一种应用于客车快速轻量化的分析方法，通过程序对整车骨架上的方钢进行离散，实现整车骨架模型的快速简化；通过优化软件构造出客车各局部骨架在不同刚、强度工况下的结构变形，将大规模的整车优化分析转化为小规模局部结构的优化改进，完成个人独立操作的大负荷工作模式向多人同时进行的小负荷工作模式上的转变，进而实现客车骨架在轻量化设计与刚、强度设计之间快速、有效的平衡。

Description

一种应用于客车快速轻量化的分析方法
技术领域
本发明涉及大、中巴全承载客车领域，尤其是指一种应用于客车快速轻量化的分析方法。
背景技术
近年来，基于成本、燃油经济性等因素考虑，客车车身结构的轻量化越来越受到重视，但车身刚、强度性能与其自身的轻量化相互矛盾，保证刚、强度的前提下实现结构的轻量化，寻找两者之间的最佳平衡点，是客车厂努力的目标。
对客车整体进行刚、强度仿真分析，并在此基础上进行轻量化是行业内所采用的传统办法，但是该办法优化效果及效率受限于仿真工程师自身的经验，并且客车的有限元网格模型多为百万数量级，庞大的规模导致计算成本高、优化效率低。
近年来拓扑优化技术逐渐被大家熟识，并应用至仿真分析中，效率及优化力度均得到提升，但庞大的计算量制约着优化效率的提升，以致产品周期内客车车体有较大的改善空间未被挖掘。
有限元程序提供的可控制变量较少，很难对构成客车车体的基本构件—方钢进行有效的尺寸控制，使得改善空间不能被挖掘的范围进一步扩大。
发明内容
本发明提供一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其主要目的在于克服现今难以使客车在保证车身刚、强度性能的同时在短时间内进行轻量化设计的缺陷。
为解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：
一种应用于客车快速轻量化的分析方法，包括以下步骤：
1)搭建整车骨架的有限元模型，再对所述整车骨架的有限元模型进行离散以获得离散点；
2)对所述有限元模型进行刚、强度计算，并输出各个所述离散点在各种工况下的位移计算结果；
3)对所述有限元模型进行拆解，以提取出多个子模型；
4)以所述子模型中的离散点作为缩聚点，生成缩减矩阵或超级单元；
5)通过编写程序生成针对所述子模型的并能够在优化软件中根据不同工况自动生成相应参数的参数化文件；
6)所述参数化文件调用所述缩减矩阵或超级单元，获得对应工况的计算模型，计算该计算模型以获得该子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果；
7)将步骤6中所述子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果与步骤2中所述有限元模型中对应的离散点在对应工况下的位移计算结果进行相关性计算；
8)由所述优化软件自动根据该相关性计算结果调整下一步参数的取值，再依次进行步骤6、步骤7，直至该相关性计算结果达到预设值，至此，所述子模型中的离散点的施力情况在该对应工况下优化完毕；
9)继续对所述子模型中的离散点的其它工况以步骤5、步骤6、步骤7、步骤8的顺序进行优化，直至各个所述离散点的所有工况下的施力情况均优化完毕；
10)优化完毕后，得到施加在所述子模型中的离散点上的力，将该力输入至该子模型中，进而获得用于各工况优化的子模型；
11)在步骤10所获取子模型的基础上构造拓扑空间，并针对拓扑结果进行工程解析，初步获得优化子模型，并将优化完后的各个子模型相互拼接成新的整车骨架；
12)将步骤11中所述新的整车骨架替换步骤1中的整车骨架，再依次进行步骤1～步骤11，直至拟合出各工况下与整车变形一致的子模型；
13)以步骤12中拟合完的子模型中的方钢厚度为设计变量，对该拟合完的子模型外围边界施加强制约束，约束该拟合完的子模型中被参数化方钢占总方钢的体积分数，以结构应变能的最大化为目标进行优化，得出该拟合完的子模型中各方钢所对应的厚度；
14)分析所述拟合完的子模型中方钢在各工况下的变形得出该方钢具体的变形模式，并与数据库进行比对、取整，得到该方钢的截面尺寸及厚度，完成尺寸优化，进一步降低整车重量，之后再根据方钢尺寸优化结果，修改整车骨架的有限元模型并验证效果。
进一步的，步骤1中，所述离散的方法为：在所述方钢的四个侧板上分别沿其长度方向各选取至少四个点，每个点均位于对应侧板截面的中心处，任一侧板上的每个点均能与三个分别位于其它三个侧板上的一点处于同一平面内；在各个点上施加构造结构变形的边界力，通过该边界力完成构造。
进一步的，所述变形为一阶扭转、一阶弯曲或者两者的组合。
进一步的，所述边界力为施加于所述方钢表面切向方向的力。
进一步的，步骤3中，相邻的所述子模型之间具有相同的截面。
进一步的，步骤7中，所述相关性计算公式为：
Figure 974316DEST_PATH_IMAGE001
；其中，BASEj为有限元模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果，RESULTj为子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果；取BASEj 中20%的数量点，并以该20%的数量点的位移及扭转角为优化目标；MAC位移为离散点的位移近似值，MAC扭转角为离散点的扭转角度近似值，所述预设值为取MAC位移大于0.95，MAC扭转角大于0.9。
进一步的，步骤11中，构造拓扑空间的过程为：在子模型的外围边界施加强制约束，约束拓扑空间的体积分数为25%～35%，以最大化结构整体应变能
Figure DEST_PATH_IMAGE002
为目标对该子模型进行优化，其中，C为结构整体应变能，u为结构所有节点的位移计算结果，k为结构刚度，设置结构整体应变能为最大值，以获得最大的结构刚度，进而获得所述拓扑结果。
进一步的，步骤11中，约束拓扑空间的体积分数为30%。
进一步的，所述数据库为通过所述编写程序，构造出不同截面规格、不同厚度的方钢在弯曲、扭转工况下的抗弯模量、抗扭模量所对应的数据库。
和现有技术相比，本发明产生的有益效果在于:
本发明通过程序对整车骨架上的方钢进行离散，实现整车骨架模型的快速简化；通过优化软件构造出客车各局部骨架在不同刚、强度工况下的结构变形，将大规模的整车优化分析转化为小规模局部结构的优化改进，完成个人独立操作的大负荷工作模式向多人同时进行的小负荷工作模式上的转变，进而实现客车骨架在轻量化设计与刚、强度设计之间快速、有效的平衡。
附图说明
图1为本发明的流程框图。
图2为本发明中施加于方钢表面的力的示意图。
图3为本发明中构造完成后的局部结构施力点位置示意图。
图4为本发明中的子模型划分示意图。
图5为子模型（行李舱底部）在扭转工况下的变形示意图及拓扑优化结果示意图。
具体实施方式
下面参照附图说明本发明的具体实施方式。
参照图1、图2、图3、图4和图5。一种应用于客车快速轻量化的分析方法，包括以下步骤：
1)搭建整车骨架的有限元模型，再对整车骨架的有限元模型进行离散以获得离散点；本实施例中，离散的方法为：在所述方钢1的四个侧板11上分别沿其长度方向各选取至少四个点2，每个点2均位于对应侧板截面的中心处，任一侧板上的每个点均能与三个分别位于其它三个侧板上的一点处于同一平面内；在各个点上施加构造结构变形的边界力，通过该边界力完成构造。其中，变形为一阶扭转、一阶弯曲或者两者的组合；边界力为施加于所述方钢表面切向方向的力。具体实施时，施加于方钢表面的力可以如图2所示，图2中由左往右依次为方钢右→左投影视图、方钢截面投影视图、方钢左→右投影视图，Fx、Fy、Fz用于构造该处的平动位移，Tx、Ty、Tz用于构造施加于该处的扭矩。图3为构造完成后的局部结构施力点位置示意图。
2)对所述有限元模型进行刚、强度计算，并输出各个所述离散点在各种工况下的位移计算结果。
3)对所述有限元模型进行拆解，以提取出多个子模型；为保证后续优化在结构上的连续性，相邻的所述子模型之间具有相同的截面。具体实施时，可采用图4中的子模型的划分方式。
4)以所述子模型中的离散点作为缩聚点，借助有限元软件生成缩减矩阵或超级单元。
5)通过编写程序生成针对所述子模型的并能够在优化软件中根据不同工况自动生成相应参数的参数化文件；其中，该编写程序为HyperMath，该优化软件为Hyperstudy。
6)所述参数化文件调用所述缩减矩阵或超级单元，获得对应工况的计算模型，计算该计算模型以获得该子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果。
7)将步骤6中所述子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果与步骤2中所述有限元模型中对应的离散点在对应工况下的位移计算结果进行相关性计算；所述相关性计算公式为：
Figure 829139DEST_PATH_IMAGE001
；其中，BASEj为有限元模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果，RESULTj为子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果；取BASEj 中20%的数量点，并以该20%的数量点的位移及扭转角为优化目标；MAC位移为离散点的位移近似值，MAC扭转角为离散点的扭转角度近似值，所述预设值为取MAC位移大于0.95，MAC扭转角大于0.9。
8)由所述优化软件自动根据该相关性计算结果调整下一步参数的取值，再依次进行步骤6、步骤7，直至该相关性计算结果达到预设值，至此，所述子模型中的离散点的施力情况在该对应工况下优化完毕。
9)继续对所述子模型中的离散点的其它工况以步骤5、步骤6、步骤7、步骤8的顺序进行优化，直至各个所述离散点的所有工况下的施力情况均优化完毕。
10)优化完毕后，得到施加在所述子模型中的离散点上的力，将该力输入至该子模型中，进而获得用于各工况优化的子模型。
11)在步骤10所获取子模型的基础上构造拓扑空间，并针对拓扑结果进行工程解析，初步获得优化子模型，并将优化完后的各个子模型相互拼接成新的整车骨架。其中，构造拓扑空间的过程为：在子模型的外围边界施加强制约束，约束拓扑空间的体积分数为25%～35%，以最大化结构整体应变能
Figure 77718DEST_PATH_IMAGE002
为目标对该子模型进行优化，其中，C为结构整体应变能，u为结构所有节点的位移计算结果，k为结构刚度，设置结构整体应变能为最大值，以获得最大的结构刚度，进而获得所述拓扑结果。工程解析的过程为：以真实的方钢结构替代所述拓扑结果。本实施例中，约束拓扑空间的体积分数为30%。以行李舱底部一段结构为例，构造该结构在扭转工况下的位移变形，并在此基础上进行拓扑，即如图5所示，图5中的左侧图为变形示意图，右侧图为拓扑结果示意图。
12)将步骤11中所述新的整车骨架替换步骤1中的整车骨架，再依次进行步骤1～步骤11，直至拟合出各工况下与整车变形一致的子模型；
13)以步骤12中拟合完的子模型中的方钢厚度为设计变量，对该拟合完的子模型外围边界施加强制约束，约束该拟合完的子模型中被参数化方钢占总方钢的体积分数，以结构应变能的最大化为目标进行优化，得出该拟合完的子模型中各方钢所对应的厚度；
14)分析所述拟合完的子模型中方钢在各工况下的变形得出该方钢具体的变形模式，并与数据库进行比对、取整，得到该方钢的截面尺寸及厚度，完成尺寸优化，进一步降低整车重量，之后再根据方钢尺寸优化结果，修改整车骨架的有限元模型并验证效果。其中，数据库为通过所述编写程序，构造出不同截面规格、不同厚度的方钢在弯曲、扭转工况下的抗弯模量、抗扭模量所对应的数据库。
15)本发明通过程序对整车骨架上的方钢进行离散，实现整车骨架模型的快速简化；通过优化软件构造出客车各局部骨架在不同刚、强度工况下的结构变形，将大规模的整车优化分析转化为小规模局部结构的优化改进，完成个人独立操作的大负荷工作模式向多人同时进行的小负荷工作模式上的转变，进而实现客车骨架在轻量化设计与刚、强度设计之间快速、有效的平衡。
上述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，凡利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均应属于侵犯本发明保护范围的行为。

Claims (8)

1.一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
1）搭建整车骨架的有限元模型，再对所述整车骨架的有限元模型进行离散以获得离散点；
2）对所述有限元模型进行刚、强度计算，并输出各个所述离散点在各种工况下的位移计算结果；
3）对所述有限元模型进行拆解，以提取出多个子模型；
4）以所述子模型中的离散点作为缩聚点，生成缩减矩阵或超级单元；
5）通过编写程序生成针对所述子模型的并能够在优化软件中根据不同工况自动生成相应参数的参数化文件；
6）所述参数化文件调用所述缩减矩阵或超级单元，获得对应工况的计算模型，计算该计算模型以获得该子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果；
7）将步骤6）中所述子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果与步骤2）中所述有限元模型中对应的离散点在对应工况下的位移计算结果进行相关性计算；所述相关性计算公式为：
Figure 38098DEST_PATH_IMAGE002
；其中，BASEj为有限元模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果，RESULTj为子模型中的离散点在对应工况下的位移计算结果；取BASEj中20%的数量点，并以该20%的数量点的位移及扭转角为优化目标；MAC位移为离散点的位移近似值，MAC扭转角为离散点的扭转角度近似值，预设值为取MAC位移大于0.95，MAC扭转角大于0.9；
8）由所述优化软件自动根据该相关性计算的结果调整下一步参数的取值，再依次进行步骤6）、步骤7），直至该相关性计算的结果达到预设值，至此，所述子模型中的离散点的施力情况在该对应工况下优化完毕；
9）继续对所述子模型中的离散点的其它工况以步骤5）、步骤6）、步骤7）、步骤8）的顺序进行优化，直至各个所述离散点的所有工况下的施力情况均优化完毕；
10）优化完毕后，得到施加在所述子模型中的离散点上的力，将该力输入至该子模型中，进而获得用于各工况优化的子模型；
11）在步骤10）所获取子模型的基础上构造拓扑空间，并针对拓扑结果进行工程解析，初步获得优化子模型，并将优化完后的各个子模型相互拼接成新的整车骨架；
12）将步骤11）中所述新的整车骨架替换步骤1中的整车骨架，再依次进行步骤1）～步骤11），直至拟合出各工况下与整车变形一致的子模型；
13）以步骤12）中拟合完的子模型中的方钢厚度为设计变量，对该拟合完的子模型外围边界施加强制约束，约束该拟合完的子模型中被参数化方钢占总方钢的体积分数，以结构应变能的最大化为目标进行优化，得出该拟合完的子模型中各方钢所对应的厚度；
14）分析所述拟合完的子模型中方钢在各工况下的变形得出该方钢具体的变形模式，并与数据库进行比对、取整，得到该方钢的截面尺寸及厚度，完成尺寸优化，进一步降低整车重量，之后再根据方钢尺寸优化结果，修改整车骨架的有限元模型并验证效果。
2.如权利要求1所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：步骤1中，所述离散的方法为：在所述方钢的四个侧板上分别沿其长度方向各选取至少四个点，每个点均位于对应侧板截面的中心处，任一侧板上的每个点均能与三个分别位于其它三个侧板上的一点处于同一平面内；在各个点上施加构造结构变形的边界力，通过该边界力完成构造。
3.如权利要求2所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：所述变形为一阶扭转、一阶弯曲或者两者的组合。
4.如权利要求2所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：所述边界力为施加于所述方钢表面切向方向的力。
5.如权利要求1所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：步骤3）中，相邻的所述子模型之间具有相同的截面。
6.如权利要求1所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：步骤11）中，构造拓扑空间的过程为：在子模型的外围边界施加强制约束，约束拓扑空间的体积分数为25%～35%，以最大化结构整体应变能
Figure DEST_PATH_IMAGE004
为目标对该子模型进行优化，其中，C为结构整体应变能，u为结构所有节点的位移计算结果，k为结构刚度，设置结构整体应变能为最大值，以获得最大的结构刚度，进而获得所述拓扑结果。
7.如权利要求6所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：步骤11）中，约束拓扑空间的体积分数为30%。
8.如权利要求1所述一种应用于客车快速轻量化的分析方法，其特征在于：所述数据库为通过所述编写程序，构造出不同截面规格、不同厚度的方钢在弯曲、扭转工况下的抗弯模量、抗扭模量所对应的数据库。
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