CN110377952A - 客车底架轻量化设计的cae分析方法及分析系统 - Google Patents

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毛洪海
杨延功
王广通
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Abstract

本发明属于车辆轻量化设计技术领域，具体涉及一种客车底架轻量化设计的CAE分析方法及分析系统，该客车底架轻量化设计的CAE分析方法，包括建立车身底架中段有限元模型，对车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算，对车身底架中段有限元模型进行拓扑分析，根据拓扑分析结果，确定车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构，建立底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化，建立底架管梁的几何模型并进行强度校核和局部优化，根据本发明实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，能够帮助设计人员在汽车研发前期，确定车身底架的材料分布，帮助设计人员在兼顾车身性能的前提下获得车身结构轻量化的设计方案，加快产品开发速度。

Description

客车底架轻量化设计的CAE分析方法及分析系统
技术领域
本发明属于车辆轻量化设计技术领域，具体涉及一种客车底架轻量化设计的CAE分析方法及分析系统。
背景技术
本部分提供的仅仅是与本公开相关的背景信息，其并不必然是现有技术。
目前，客车底架是由各种纵向和横向的钢梁组成的长方形构架，它承载着上部车体、乘客的全部重量以及车辆行驶过程中来自外部的各种冲击力，因此需要客车底架要具有足够的刚度和强度。
现有技术中车身底架的设计多采用类比或对标的方法，在车身结构出现开裂、振动大等问题时,往往采取局部加强的办法,这使得车身质量越加越大。同时，车身不同部位的结构应力状态差异较大，没有充分发挥材料的承载能力，不符合轻量化设计的要求。
发明内容
本发明的目的是至少解决如何在兼顾车身性能的前提下获得车身结构轻量化的设计方案的技术问题。该目的是通过以下技术方案实现的：
本发明的第一方面提供了一种客车底架轻量化设计的CAE分析方法，包括：
建立车身底架中段有限元模型；
对所述车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算；
对所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析；
根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构；
建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化；
建立所述底架管梁的几何模型并进行强度校核和局部优化。
根据本发明第一方面提供的实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，综合利用拓扑优化和尺寸优化两种计算方法对车身底架的材料分布情况进行了计算，再通过对底架管梁的几何模型进行不断的强度校核和局部优化来获得底架管梁的可行性改进方案，再将该可行性方案移植到整车模型中，帮助设计人员在兼顾车身性能的前提下获得车身结构轻量化的设计方案，减少了设计人员的工作量，加快产品开发速度。
另外，根据本发明实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，还可具有如下附加的技术特征：
在本发明的一些实施例中，对所述车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算包括：
提取所述车身底架中段有限元模型中两车桥之间的局部模型；
通过KBend＝F/Dmax计算弯曲刚度；
通过计算扭转刚度。
在本发明的一些实施例中，对所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析包括：
对所述车身底架中段有限元模型创建拓扑优化区域；
定义第一约束条件和第一目标值；
提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值。
在本发明的一些实施例中，根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构包括：
打开所述拓扑优化结果并读取；
根据读取的所述材料密度值设置门槛值；
提取所述拓扑优化区域中大于所述门槛值的区域；
根据所述拓扑优化结果确定车身底架中段有限元模型的底架管梁分布。
在本发明的一些实施例中，建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化包括：
在大于所述门槛值的区域内建立矩形截面的所述底架管梁的1D梁单元模型，所述底架管梁的长、宽和高尺寸分别为a、b和c；
创建设计变量x、y和z；
将x、y和z分别与a、b和c对应关联，且初始值为a、b和c；
定义第二约束条件和第二目标值；
提交计算，优化结果为所述底架管梁的尺寸。
在本发明的一些实施例中，在所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析中：
所述第一约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0；
所述第一目标值为客车底架质量最小。
在本发明的一些实施例中，所述门槛值为单元密度≥0.3。
在本发明的一些实施例中，在根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构中：
使用HyperView打开拓扑优化结果并读取。
在本发明的一些实施例中，在建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化中：
所述第二约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0；
所述第二目标值为客车底架质量最小。
本发明的第二方面提供了一种客车底架减重分析的CAE分析系统，包括：
CAE分析模块，所述CAE分析模块用于建立车身底架中段有限元模型和弯扭刚度计算；
拓扑优化模块，所述拓扑优化模块根据约束条件和目标值计算拓扑优化区域内的材料分布情况；
局部优化模块，所述局部优化模块根据约束条件和目标值进行结构优化并进行强度校核。
根据本发明第二方面提供的实施例的客车底架减重分析的CAE分析系统与客车底架轻量化设计的CAE分析方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
附图说明
通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
图1为本发明实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析方法的流程示意图；
图2为图1所示的对车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算的流程示意图；
图3为图1所示的对车身底架中段有限元模型进行拓扑分析的流程示意图；
图4为图1所示的根据拓扑分析结果，确定车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构的流程示意图；
图5为图1所示的建立底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化的流程示意图；
图6为本发明实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析系统。
具体实施方式
下面将参照附图更详细地描述本公开的示例性实施方式。虽然附图中显示了本公开的示例性实施方式，然而应当理解，可以以各种形式实现本公开而不应被这里阐述的实施方式所限制。相反，提供这些实施方式是为了能够更透彻地理解本公开，并且能够将本公开的范围完整的传达给本领域的技术人员。
应理解的是，文中使用的术语仅出于描述特定示例实施方式的目的，而无意于进行限制。除非上下文另外明确地指出，否则如文中使用的单数形式“一”、“一个”以及“所述”也可以表示包括复数形式。术语“包括”、“包含”、“含有”以及“具有”是包含性的，并且因此指明所陈述的特征、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但并不排除存在或者添加一个或多个其它特征、步骤、操作、元件、部件、和/或它们的组合。
尽管可以在文中使用术语第一、第二、第三等来描述多个元件、部件、区域、层和/或部段，但是，这些元件、部件、区域、层和/或部段不应被这些术语所限制。这些术语可以仅用来将一个元件、部件、区域、层或部段与另一区域、层或部段区分开。除非上下文明确地指出，否则诸如“第一”、“第二”之类的术语以及其它数字术语在文中使用时并不暗示顺序或者次序。因此，以下讨论的第一元件、部件、区域、层或部段在不脱离示例实施方式的教导的情况下可以被称作第二元件、部件、区域、层或部段。
为了便于描述，可以在文中使用空间相对关系术语来描述如图中示出的一个元件或者特征相对于另一元件或者特征的关系，这些相对关系术语例如为“内部”、“外部”、“内侧”、“外侧”、“下面”、“下方”、“上面”、“上方”等。这种空间相对关系术语意于包括除图中描绘的方位之外的在使用或者操作中装置的不同方位。例如，如果在图中的装置翻转，那么描述为“在其它元件或者特征下面”或者“在其它元件或者特征下方”的元件将随后定向为“在其它元件或者特征上面”或者“在其它元件或者特征上方”。因此，示例术语“在……下方”可以包括在上和在下的方位。装置可以另外定向(旋转90度或者在其它方向)并且文中使用的空间相对关系描述符相应地进行解释。
如图1至图6所示，本发明的第一方面的一个实施例提供了一种客车底架轻量化设计的CAE分析方法，包括：
建立车身底架中段有限元模型；
对车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算；
对车身底架中段有限元模型进行拓扑分析；
根据拓扑分析结果，确定车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构；
建立底架管梁的1D(Dimensional)梁单元(Beam)模型并进行尺寸优化；
建立底架管梁的几何模型并进行强度校核和局部优化。
根据本发明的第一方面提供的实施例的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，综合利用拓扑优化和尺寸优化两种计算方法对车身底架的材料分布情况进行了计算，再通过对底架管梁的几何模型进行不断的强度校核和局部优化来获得底架管梁的可行性改进方案，再将该可行性方案移植到整车模型中，帮助设计人员在兼顾车身性能的前提下获得车身结构轻量化的设计方案，减少了设计人员的工作量，加快产品开发速度。
其中，几何模型由经过尺寸优化后的多个梁单元所组成。
CAE(Computer Aided Engineering)是指用计算机辅助求解复杂工程和产品结构强度、刚度、屈曲稳定性、动力响应、热传导、三维多体接触、弹塑性等力学性能的分析计算以及结构性能的优化设计等问题的一种近似数值分析方法。
在本发明的一些实施例中，对车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算包括提取车身底架中两车桥之间的局部模型，两车桥之间的模型为需要优化的部分，把其余部分剔除，缩短计算时间，减小设计人员的工作量，提高工作效率，通过KBend＝F/Dmax计算弯曲刚度，其中，Kbend为弯曲刚度，单位为N/mm，F为加载力，单位为N，Dmax为客车纵梁Z向最大位移量，单位为mm，通过计算扭转刚度，其中KTorison为扭转刚度，单位为Nm/°，δa为加载点a的Z向位移量，单位为mm，δb为加载点b的Z向位移量，单位为mm，L为加载点a和加载点b之间的横向间距，单位为mm，F为加载力，单位为N。
在本发明的一些实施例中，在车身底架中段有限元模型进行拓扑分析中，剔除其中的主纵梁和主横梁，主纵梁和主横梁为车身底架中承载上部车体、乘客的全部重量以及车辆行驶过程中来自外部的各种冲击力的主要结构，需要保持一定的刚度和强度，不能再被优化，因此将主纵梁和主横梁剔除，将其余部分作为拓扑优化区域，缩短了优化时间，减小了设计人员的工作量，提高了工作效率，其中，定义第一约束条件，第一约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0，定义第一目标值，第一目标值为客车底架质量最小，符合车身的轻量化概念设计，之后提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值，根据材料的密度值可确定车身底架的管梁的分布情况。
在本发明的一些实施例中，根据拓扑分析结果，确定车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构包括利用HyperView打开拓扑优化结果并读取，根据读取到的材料密度值确定门槛值为0.3，将单元密度大于0.3的区域提取出来，在大于0.3的区域内，单元密度的大小与管梁的分布成正比，即随着单元密度大小的增加，管梁分布的密度增加。
其中，拓扑优化结果的打开和读取可由其他后处理软件实现，不限于HyperView。
在本发明的一些实施例中，建立底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化包括：在大于门槛值的区域内建立矩形截面的底架管梁的1D梁单元模型，底架管梁的长、宽和高尺寸分别为a、b和c，例如a为100mm，b为40mm，c为4mm，每一根管梁还需再创建设计变量x、y和z，x、y和z的初始值为a、b和c，将x、y和z与a、b和c对应关联后进行尺寸优化，其中，定义第二约束条件和目标值，第二约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0，定义第二目标值，第二目标值为客车底架质量最小，符合车身的轻量化概念设计，之后提交计算优化的结果为管梁的截面尺寸，只有1D梁单元模型才可进行尺寸优化。
如图6所示，本发明的第二方面的一个实施例提供了一种客车底架减重分析的CAE分析系统，包括：
CAE分析模块，CAE分析模块用于建立车身底架中段有限元模型和弯扭刚度计算；
拓扑优化模块，拓扑优化模块根据约束条件和目标值计算拓扑优化区域内的材料分布情况；
局部优化模块，局部优化模块根据约束条件和目标值进行结构优化并进行强度校核。
根据本发明的第二方面的一个实施例提供了一种客车底架减重分析的CAE分析系统与客车底架轻量化设计的CAE分析方法所具有的优势相同，在此不再赘述。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，包括：
建立车身底架中段有限元模型；
对所述车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算；
对所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析；
根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构；
建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化；
建立所述底架管梁的几何模型并进行强度校核和局部优化。
2.根据权利要求1所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，对所述车身底架中段有限元模型进行弯扭刚度计算包括：
提取所述车身底架中段有限元模型中两车桥之间的局部模型；
通过KBend＝F/Dmax计算弯曲刚度；
通过计算扭转刚度。
3.根据权利要求1所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，对所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析包括：
对所述车身底架中段有限元模型创建拓扑优化区域；
定义第一约束条件和第一目标值；
提交计算，拓扑优化结果为拓扑优化区域内的材料密度值。
4.根据权利要求3所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构包括：
打开所述拓扑优化结果并读取；
根据读取的所述材料密度值设置门槛值；
提取所述拓扑优化区域中大于所述门槛值的区域；
根据所述拓扑优化结果确定车身底架中段有限元模型的底架管梁分布。
5.根据权利要求4所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化包括：
在大于所述门槛值的区域内建立矩形截面的所述底架管梁的1D梁单元模型，所述底架管梁的长、宽和高尺寸分别为a、b和c；
创建设计变量x、y和z；
将x、y和z分别与a、b和c对应关联，且初始值为a、b和c；
定义第二约束条件和第二目标值；
提交计算，优化结果为所述底架管梁的尺寸。
6.根据权利要求3所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，在所述车身底架中段有限元模型进行拓扑分析中：
所述第一约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0；
所述第一目标值为客车底架质量最小。
7.根据权利要求4所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，所述门槛值为单元密度≥0.3。
8.根据权利要求4所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，在根据拓扑分析结果，确定所述车身底架中段有限元模型的材料分布并据此建立底架管梁的拓扑结构中：
使用HyperView打开拓扑优化结果并读取。
9.根据权利要求5所述的客车底架轻量化设计的CAE分析方法，其特征在于，在建立所述底架管梁的1D梁单元模型并进行尺寸优化中：
所述第二约束条件为弯曲工况下，关注点的位移量Di不大于原位移量D0，扭转工况下，关注点的变形位移量δi不大于原变形位移量δ0；
所述第二目标值为客车底架质量最小。
10.一种客车底架轻量化设计的CAE分析系统，其特征在于，包括：
CAE分析模块，所述CAE分析模块用于建立车身底架中段有限元模型和弯扭刚度计算；
拓扑优化模块，所述拓扑优化模块根据约束条件和目标值计算拓扑优化区域内的材料分布情况；
局部优化模块，所述局部优化模块根据约束条件和目标值进行结构优化并进行强度校核。
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