CN110532701B - 一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，包括以下步骤：步骤1：建立白车身刚度有限元模型；步骤2：下车体参数化建模，对中地板和备胎池进行参数化建模；步骤3：白车身刚度仿真分析集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程；步骤4：白车身性能DOE仿真分析，进行基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算；步骤5：白车身性能影响度分析，根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间；步骤6：进行下车体料厚灵敏度分析；步骤7：进行下车体拓扑优化灵敏度分析。本发明能够为汽车的轻量化和性能提升提供依据。

Description

一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法
技术领域
本发明涉及汽车CAE仿真技术，具体涉及一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法。
背景技术
在市场经济的高速发展状态下，汽车生产企业的竞争压力越来越大，消费者对汽车品质的要求也越来越高，各大汽车生产企业不断推出各种新款车型，更新换代速度不断提升。汽车平台化和模块化的开发，就是在满足消费者需求的同时，尽量降低车身成本（包含开发成本、单车成本、管理成本、固定资产分摊成本等），缩短开发周期，提升平台车型的性价比和产品竞争力，为汽车生产企业创造最大的价值。
平台化白车身就是提高零部件的通用性，尽可能的实现零部件的共享，从而建立平台化的车身架构，满足该平台所有车型的开发，减小冲压、焊接、碰撞安全和NVH等方面设计风险，减少开发过程数据设计和分析的反复，缩短开发时间，降低开发成本。平台化白车身需满足总布置需求、实现底盘、动力、空调、PHEV等安装接口结构形式的统一，满足整车平台化安装要求。平台化白车身还需实现同平台车型共线生产，降低生产线等硬件投入和管理费用，并且可以调节平台车型产量，满足市场变化需求；通过建立平台化车身目标，在轻量化，性能，成本等方面综合考虑，做到最优。
平台化白车身主要体现在下车体结构上，下车体结构对白车身性能影响起到关重作用。平台化白车身下车体灵敏度分析，可多维度评估选择平台相对最优下车体架构。通过车身相关零件长宽尺寸和安装点等变化，实现姿态、轮距、车宽、轴距、前后悬等车格变化，探索下车体随着这些变化车身性能变化规律，从而有效控制车身性能变化区间。探索平台化白车身通用下车体零部件和下车体灵敏关重区域，为项目轻量化和性能提升提供依据。因此有必要开发一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法。
发明内容
本发明的目的是提出一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，为汽车的轻量化和性能提升提供依据。
本发明所述的一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，包括以下步骤：
步骤1：建立白车身刚度有限元模型，实现白车身刚度CAE仿真；
步骤2：下车体参数化建模，对中地板和备胎池进行参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新；
步骤3：白车身刚度仿真分析集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程；
步骤4：白车身性能DOE仿真分析，进行基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析；
步骤5：白车身性能影响度分析，根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7；
步骤6：进行下车体料厚灵敏度分析；
步骤7：进行下车体拓扑优化灵敏度分析。
进一步，所述步骤1具体为：基于某平台基础车型，采用Hypermesh前处理软件建立白车身有限元模型，基于白车身弯曲刚度和扭转刚度分析工况，分别建立相应的SPC和MPC约束，并施加对应的载荷激励，设置白车身结构位移响应输出，实现白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真。
进一步，所述步骤2具体为：基于某平台车型轴距变化区间，采用前处理ANSA软件，对某平台基础车型的中地板和备胎池进行参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新，并输出相应的白车身有限元分析模型。
进一步，所述步骤3具体为：根据所述步骤2，基于商业集成仿真优化软件Optimus，分别完成下车体参数化模型集成、白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真分析集成以及仿真结果后处理集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程，输入项为白车身轴距设计参数，输出项为白车身弯曲刚度和扭转刚度仿真值。
进一步，所述步骤4具体为：根据所述步骤3，采用最优拉丁超方试验设计方法开展基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析。
进一步，所述步骤5具体为：根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，识别出由于中地板和备胎池拉伸与变形引起的白车身轴距变化而导致的白车身刚度性能变化区间及变化规律，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7。
进一步，所述步骤6具体为：基于某平台基础车型进行基于白车身刚度的下车体料厚灵敏度分析，选取对白车身刚度性能不灵敏的零部件，作为某平台车型下车体通用件和轻量化依据。
进一步，所述步骤7具体为：基于某平台基础车型进行拓扑优化灵敏度分析，选取针对白车身刚度的下车体关重结构区域，作为下车体关重件和性能提升依据。
本发明的优点在于能够帮助汽车生产企业在汽车研发前期衍生出同平台车型不同轴距的车身性能变化情况；识别出同平台车型通用下车体零部件和关重下车体零部件，为车身轻量化（减重）和性能提升（结构优化）提供有效的依据。本方法通过建立下车体参数化集成模型，解决传统车身性能仿真带来的高耗时问题，可以有效缩短设计周期，提升设计效率。
附图说明
图1为基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法的流程图；
图2为下车体参数化建模示意图；
图3为白车身刚度仿真分析集成流程；
图4为设计变量影响度排序；
图5为设计变量组合车身性能影响度；
图6为下车体弯曲刚度灵敏度排序示意图；
图7为下车体扭转刚度灵敏度排序示意图；
图8为下车体关重区域示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
以某平台车型为例对一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法进行说明，如图1所示，该分析方法包括以下步骤：
步骤1：建立白车身刚度有限元模型，实现白车身刚度CAE仿真；具体为：基于某平台基础车型，采用Hypermesh前处理软件建立白车身有限元模型，基于白车身弯曲刚度和扭转刚度分析工况，分别建立相应的SPC和MPC约束，并施加对应的载荷激励，设置白车身结构位移响应输出，设置位移响应测点并通过.pch文件输出响应值，然后采用有限元分析软件NASTRAN计算得到白车身的弯曲刚度和扭转刚度，实现白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真。初始设计状态下，白车身的扭转刚度为1235kN·m/rad，弯曲刚度为11861N/m。
步骤2：下车体参数化建模，对中地板和备胎池进行参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新；具体为：基于某平台五款车型轴距变化区间（2625mm-2786mm，其中基础车型的轴距为2720mm），如图2所示，采用前处理ANSA软件，对某平台基础车型的中地板和备胎池分别进行Morpher（轴距拉伸和压缩范围区间为-95mm~66mm）参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新，并输出相应的白车身有限元分析模型。
步骤3：白车身刚度仿真分析集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程；具体为：根据步骤2，基于商业集成仿真优化软件Optimus，分别完成下车体参数化模型集成、白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真分析集成以及仿真结果后处理集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程，输入项为白车身轴距设计参数，输出项为白车身弯曲刚度和扭转刚度仿真值，建立了响应面模型代替高耗时的CAE有限元分析模型；如图3所示，在实际操作时，通过步骤2，输出以中地板和备胎池为设计变量的.text文件及经过Morph参数化模型.ansa文件，并将这两个输出文件作为集成仿真优化软件Optimus的输入，以白车身弯曲刚度和扭转刚度作为分析工况，设置位移响应测点并通过.pch文件输出，然后通过编辑白车身弯曲刚度和扭转刚度计算公式自动输出相应的车身弯曲刚度和扭转刚度仿真值，完成下车体参数化建模集成分析流程的搭建。
步骤4：白车身性能DOE仿真分析，进行基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析；具体为：根据步骤3，在商业集成仿真优化平台Optimus软件下，采用最优拉丁超方试验设计方法开展基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，样本数量共计20组，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析；分析结果如图4所示，白车身弯曲刚度：a、中地板拉伸（轴距变大），弯曲刚度降低；b、中地板压缩（轴距缩小），弯曲刚度提高；c、备胎池拉伸或压缩（轴距变大或缩小）对弯曲刚度影响不大。白车身扭转刚度： a、中地板或备胎池拉伸（轴距变大），扭转刚度降低； b、中地板或备胎池压缩（轴距缩小），扭转刚度提高； c、中地板变化较备胎池变化对扭转刚度变化贡献大。
步骤5：白车身性能影响度分析，根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7；具体为：根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，识别出由于中地板和备胎池拉伸与变形引起的白车身轴距变化而导致的白车身刚度性能变化区间及变化规律，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7；如图5所示，a、当中地板和备胎池都处于压缩状态（轴距缩小），白车身弯曲刚度和扭转刚度处于最高状态；b、当中地板处于压缩状态，备胎池处于拉伸状态；或中地板处于拉伸状态，备胎池处于压缩状态（轴距变化不大），车身弯曲刚度和扭转刚度处于中间值状态；c、中地板和备胎池都处于拉伸状态（轴距变大）， 车身弯曲刚度和扭转刚度处于最低状态。
步骤6：进行下车体料厚灵敏度分析；具体为：基于某平台基础车型进行基于白车身刚度的下车体料厚灵敏度分析，选取对白车身刚度性能不灵敏的零部件，作为某平台车型下车体通用件和轻量化依据；本案例白车身刚度性能较优，高于白车身刚度目标值，可适当进行白车身轻量化（减重）分析，分析过程如下：
基于某平台基础车型，以下车体74个零部件作为设计变量，以白车身弯曲刚度下限10000N/mm，扭转刚度下限1000 KN *m/rad作为约束条件，以最小白车身重量作为目标，进行下车体料厚灵敏度分析优化。
通过下车体料厚灵敏度分析结果，进行下车体74个零部件料厚灵敏度排序，对白车身弯曲刚度和扭转刚度均不灵敏零部件前40个零部件进行轻量化减重，验证白车身性能的变化情况，验证结果如表1所示，下车体料厚灵敏度排序如图6和图7所示。
表1 下车体轻量化（减重）优化结果
Figure DEST_PATH_IMAGE002
从表1中数据可以看出，通过下车体料厚灵敏度分析结果进行轻量化减重，共计减重7.7kg，其中扭转刚度降低2.27%，弯曲刚度降低1.32%，扭转模态提升0.1Hz，弯曲模态降低0.1Hz，白车身性能基本与初始设计状态变化较小，表明通过下车体料厚灵敏度分析结果进行白车身轻量化（减重）对白车身性能影响较小。与此同时，对白车身性能影响较小的下车体零部件均可作为平台化白车身通用下车体结构。
步骤7：进行下车体拓扑优化灵敏度分析；具体为：基于某平台基础车型进行拓扑优化灵敏度分析，选取针对白车身刚度的下车体关重结构区域，作为下车体关重件和性能提升依据。基于某平台基础车型，以下车体74个零部件作为设计变量，以体积分数上限为0.3作为约束，以白车身弯曲刚度和扭转刚度加权应变能最小作为目标，进行下车体拓扑优化灵敏度分析。如图8所示，通过下车体拓扑优化灵敏度分析结果，可以得到下车体灵敏关重区域，本案例下车体灵敏区域主要集中在门槛梁、各段接头、背门框以及备胎池四周。与此同时，该灵敏区域可作为某平台车型下车体关重件及性能提升（结构优化）依据。由于本案例白车身刚度性能较优，因此不做相应的性能提升处理。

Claims (7)

1.一种基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：建立白车身刚度有限元模型，实现白车身刚度CAE仿真；
步骤2：下车体参数化建模，对中地板和备胎池进行参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新；
步骤3：白车身刚度仿真分析集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程；
步骤4：白车身性能DOE仿真分析，进行基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析；
步骤5：白车身性能影响度分析，根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7；
步骤6：进行下车体料厚灵敏度分析；
步骤7：进行下车体拓扑优化灵敏度分析；
所述步骤3具体为：根据所述步骤2，基于商业集成仿真优化软件Optimus，分别完成下车体参数化模型集成、白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真分析集成以及仿真结果后处理集成，搭建基于中地板和备胎池参数化模型的白车身刚度仿真流程，输入项为白车身轴距设计参数，输出项为白车身弯曲刚度和扭转刚度仿真值。
2.根据权利要求1所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤1具体为：基于某平台基础车型，采用Hypermesh前处理软件建立白车身有限元模型，基于白车身弯曲刚度和扭转刚度分析工况，分别建立相应的SPC和MPC约束，并施加对应的载荷激励，设置白车身结构位移响应输出，实现白车身弯曲刚度和扭转刚度CAE仿真。
3.根据权利要求2所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤2具体为：基于某平台车型轴距变化区间，采用前处理ANSA软件，对某平台基础车型的中地板和备胎池进行参数化建模，实现中地板和备胎池参数驱动的白车身轴距自动更新，并输出相应的白车身有限元分析模型。
4.根据权利要求1所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤4具体为：根据所述步骤3，采用最优拉丁超方试验设计方法开展基于白车身轴距变化参数的白车身刚度DOE采样计算，基于DOE采样计算结果，完成白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析。
5.根据权利要求4所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤5具体为：根据步骤4，得到白车身轴距变化与白车身刚度性能相关性分析结果和白车身刚度性能变化区间，识别出由于中地板和备胎池拉伸与变形引起的白车身轴距变化而导致的白车身刚度性能变化区间及变化规律，若白车身刚度性能高于白车身刚度目标值则执行步骤6，若白车身刚度性能低于白车身刚度目标值则执行步骤7。
6.根据权利要求5所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤6具体为：基于某平台基础车型进行基于白车身刚度的下车体料厚灵敏度分析，选取对白车身刚度性能不灵敏的零部件，作为某平台车型下车体通用件和轻量化依据。
7.根据权利要求6所述的基于平台化白车身下车体灵敏度分析方法，其特征在于：所述步骤7具体为：基于某平台基础车型进行拓扑优化灵敏度分析，选取针对白车身刚度的下车体关重结构区域，作为下车体关重件和性能提升依据。
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