CN110990945A - 一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，对汽车上车顶盖进行三维结构建模并形成有限元模型，分别进行抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能计算分析，以柔度为优化目标，对车顶盖模型进行单一工况下的结构拓扑优化，采用基于密度法中的SIMP的折衷规划法进行多目标拓扑优化，对形成的新加强筋进行三维结构的建模及性能分析，结合双子叶植物叶脉在自然应力作用下达到的一种自然有序的最优结构，对车顶盖加强筋结构进行仿生设计。本发明解决了非凸优化问题，综合考虑了多种工况对车顶盖结构的综合影响，并充分利用自然界已有结构来完善和提高汽车车顶盖结构性能。

Description

一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法

技术领域

本发明属于汽车结构设计的技术领域，尤其涉及一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法。

背景技术

加强筋是附着在“制品”一侧，以较小质量换取整个制品更加优越性能的一种附带筋条。相比于基板壳，加筋板壳具有更大的刚度、强度、及稳定性。其纵横贯穿的分布更有利于应力传递，避免应力集中，从而可以克服基板壳因壁厚不一致而产生的应力不均所造成的结构歪扭变形等问题。加强筋在船舶、建筑、机械及生活应用等领域都有着广泛的应用。

如今加强筋在布局上大多采用传统的横纵正交分布，截面形状单一，整个筋条的结构设计略显保守。自然进化的趋向是用最小的消耗来满足最大的功能需求，自然界植物经过多年的沉淀与进化，叶片叶脉结构已经达到了一种自然有序的最优结构，其构型与功能与板壳结构加强筋极为相似，如果能够从中获得规律，就可以为板壳结构加强筋的设计提供一种新的思路。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述存在的问题，提供一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，在实现结构轻量化的同时提升汽车顶盖的支撑和抵抗变形的能力。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案是：一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)对汽车上车顶盖进行三维结构建模，并对其进行抽取中面、几何清理和网格划分，形成车顶盖有限元模型；

S2)对车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能分别进行计算分析，确定约束和载荷的施加方式；

S3)分别在覆雪工况、抗压工况和抗凹工况下，以柔度为优化目标，对车顶盖模型进行单一工况下的结构拓扑优化，确定约束和载荷的施加方式；

S4)采用基于密度法中的SIMP的折衷规划法进行多目标拓扑优化，根据多目标拓扑优化结果确定加强筋在汽车顶盖的基本结构、位置与走向，并对新加强筋进行三维结构的建模；

S5)对新加强筋模型进行中面抽取，几何清理和网格划分，得到车顶盖有限元模型，并对修改建立后的车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能进行计算分析，进而得到具有仿生加强筋结构的车顶盖在不同工况下的最大凹陷处位移结果；

S6)对一种双子叶植物叶片进行三维结构建模，并对其抽取中面、进行几何清理和网格划分，得到双子叶植物叶片有限元模型；对双子叶植物叶片有限元模型进行风雨多载荷工况下计算分析，叶片周围进行六自由度全约束，进而对叶片进行风雨多工况载荷下的拓扑优化，拓扑优化结果的结构与车顶盖基于多目标优化设计得到的加强筋结构在走向、尺寸比例与位置分布上具有高度相似性。

按上述方案，步骤S2)和S3)中约束和载荷的施加方式具体包括如下内容：顶盖周围与车架连接处进行六自由度全约束；对于抗积雪压溃性能，采用车顶盖受均布载荷的加载方式，载荷方向垂直向下；对于抗压性能，采用面对汽车前部方向先左侧后右侧的加载方式，载荷方向垂直于挤压墙面；对于抗凹性能，在车顶均匀的选取作用点，采用在作用点施加集中载荷的加载方式，载荷方向垂直向下。

按上述方案，所述抗积雪压溃性能中雪压厚度分别为90mm与160mm。

按上述方案，步骤S4)中具体包括如下内容：把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研究，柔度则用应变能来定义，于是由折衷规划法结合功效函数法可得到多刚度拓扑优化的目标函数，具体公式如下：

其中，m为载荷工况总数，这里考虑了覆雪、抗压与抗凹三个工况；q为惩罚因子，x是设计区域内的单元相对密度；w为静态工况的权重，c_k(x)为第k个工况的柔度目标函数；

为第k个工况的柔度最大值和最小值。

本发明的有益效果是：提供一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，是采用基于SIMP的折衷规划法进行多目标拓扑优化，并结合双子叶植物叶脉在自然应力作用下达到的一种自然有序的最优结构对车顶盖加强筋进行仿生设计，可根据不同的设计目标和要求对汽车车顶盖加强筋仿生结构进行有效设计，能够在有效控制车顶重量和成本的前提下，利用仿生加强筋具有的最优结构，有效支撑并加强上车顶并提高汽车车顶的抗压强度，显著加强对成员的保护和提升汽车的被动安全性。

附图说明

图1为本发明一个实施例的车顶盖的有限元模型。

图2为本发明一个实施例的对车顶盖进行拓扑优化时的边界条件与载荷示意图。

图3为本发明一个实施例的车顶盖在三种不同单一工况下的拓扑优化迭代曲线。

图4为本发明一个实施例的加强筋结构仿生设计方法原理图。

图5为本发明一个实施例的对车顶盖进行基于折衷规划法的多目标拓扑优化迭代曲线。

图6为本发明一个实施例的利用该加强筋结构仿生设计方法设计出的汽车顶盖示意图。

图7为本发明一个实施例的对双子叶植物叶脉进行优化的结果示意图。

其中：其中1—抗压工况载荷，2—覆雪工况载荷，3—抗凹工况载荷，4—对连接点进行六自由度全约束，5—上车顶，6—车顶盖加强筋。

具体实施方式

为更好地理解本发明，下面结合附图和实施例对本发明进一步的描述。

如图1所示，对汽车上车顶盖进行三维结构建模，并对其进行抽取中面、几何清理和网格划分、得到车顶盖有限元模型。

如图2所示，对车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能分别进行计算分析。顶盖周围与车架连接处进行六自由度全约束；对于抗积雪压溃性能，采用车顶盖受均布载荷的加载方式，方向垂直向下，雪压厚度分别为90mm与160mm，由于雪厚公式为：

故分别对于90mm与160mm雪厚的加载方式来说，分别加载大小为0.13N与0.25N的均布载荷。

对于抗压性能，按照强制法规FMVSS 216a要求进行抗压强度试验，且对于法规未规定的加载顺序，采用先左侧后右侧的加载方式(面对汽车前部方向)，车顶受挤压的过程中，刚性墙以2000mm/s的速度挤压车顶盖，峰值作用力分别为49100N与62800N；对于抗凹性能，在车顶均匀的选取15个作用点，采用在作用点施加集中载荷的加载方式，集中载荷大小为40N，方向垂直向下，分别得到各工况下的最大凹陷处位移结果，如下表1所示；

表1原车顶盖在三种不同工况下的最大凹陷处位移

	覆雪工况	抗压工况	抗凹工况
				最大位移/mm	1.98	2.05	1.87

分别在覆雪工况、抗压工况和抗凹工况下，以柔度为优化目标，对车顶盖模型进行单一工况下的结构拓扑优化，约束与载荷的施加如上述，拓扑优化迭代曲线如图3所示，可以得到在三种工况下的柔度目标函数的最大值与最小值，如表2所示。

表2原车顶盖在三种不同工况下的最大与最小柔度

	覆雪工况	抗压工况	抗凹工况
				最大值	2.31	2.56	2.42
最小值	0.78	0.56	0.49

如图4所示，采用基于密度法中的SIMP的折衷规划法研究多目标拓扑优化问题。把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研究，柔度则用应变能来定义。于是由折衷规划法结合功效函数法可得到多刚度拓扑优化的目标函数，具体公式如下：

其中，m为载荷工况总数，这里考虑了覆雪、抗压与抗凹三个工况，故m取3；q为惩罚因子，这里取q＝2，x是设计区域内的单元相对密度；w_k为第k个工况的权重，这里均取1，c_k(x)为第k个工况的柔度目标函数；

为第k个工况的柔度最大值和最小值，我们可以从表2中得到结果。

利用自定义函数来定义权利所述的折衷规划公式，然后把定义好的函数设为响应，最后把该响应作为目标函数进行拓扑优化，拓扑优化迭代曲线结果如图5所示。通过权利所述多目标拓扑优化结果可以得到汽车顶盖在多工况复合状态下的薄弱并需要加强的位置，并进一步确定加强筋在汽车车顶盖的基本结构、位置与走向。

如图6所示，对新模型进行中面抽取，几何清理和网格划分，得到具有仿生加强筋结构的车顶盖有限元模型，并对修改建立后的新车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能进行分析，约束与载荷施加如上所述，进而得到具有仿生加强筋结构的车顶盖在不同工况下的变形位移结果，并与初始结构在相同工况下的最大凹陷处位移变形结果进行比较，如表3所示。

表3相同工况下新车顶盖与原车顶盖的最大凹陷处位移结果对比

	覆雪工况	抗压工况	抗凹工况
				原车顶盖	1.98	2.05	1.87
新车顶盖	1.01	1.55	1.61

发现车顶盖的抗积雪压溃能力、抗压性能和抗凹性能均有提高；

如图7所示，对一种双子叶植物叶片进行三维结构建模，并对其抽取中面、进行几何清理和网格划分，得到双子叶植物叶片有限元模型；对双子叶植物叶片有限元模型进行风雨多载荷工况下计算分析。叶片周围进行六自由度全约束，进而对叶片进行风雨多工况载荷下的拓扑优化，得到该叶片在风雨多载荷工况下的拓扑优化结构。

如图6、图7所示，双子叶植物叶片拓扑优化结果的结构与车顶盖基于多目标优化设计得到的加强筋结构在大致走向，尺寸比例与位置分布具有高度相似性，此即验证了权利所述的加强筋仿生结构设计方法的有效性。

以上的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims (4)

1.一种汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1)对汽车上车顶盖进行三维结构建模，并对其进行抽取中面、几何清理和网格划分，形成车顶盖有限元模型；

S2)对车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能分别进行计算分析，确定约束和载荷的施加方式；

S3)分别在覆雪工况、抗压工况和抗凹工况下，以柔度为优化目标，对车顶盖模型进行单一工况下的结构拓扑优化，确定约束和载荷的施加方式；

S4)采用基于密度法中的SIMP的折衷规划法进行多目标拓扑优化，根据多目标拓扑优化结果确定加强筋在汽车顶盖的基本结构、位置与走向，并对新加强筋进行三维结构的建模；

S5)对新加强筋模型进行中面抽取，几何清理和网格划分，得到车顶盖有限元模型，并对修改建立后的车顶盖有限元模型的抗积雪压溃能力、抗压和抗凹性能进行计算分析，进而得到具有仿生加强筋结构的车顶盖在不同工况下的最大凹陷处位移结果；

S6)对一种双子叶植物叶片进行三维结构建模，并对其抽取中面、进行几何清理和网格划分，得到双子叶植物叶片有限元模型；对双子叶植物叶片有限元模型进行风雨多载荷工况下计算分析，叶片周围进行六自由度全约束，进而对叶片进行风雨多工况载荷下的拓扑优化，拓扑优化结果的结构与车顶盖基于多目标优化设计得到的加强筋结构在走向、尺寸比例与位置分布上具有高度相似性。

2.根据权利要求1所述的汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，其特征在于，步骤S2)和S3)中约束和载荷的施加方式具体包括如下内容：顶盖周围与车架连接处进行六自由度全约束；对于抗积雪压溃性能，采用车顶盖受均布载荷的加载方式，载荷方向垂直向下；对于抗压性能，采用面对汽车前部方向先左侧后右侧的加载方式，载荷方向垂直于挤压墙面；对于抗凹性能，在车顶均匀的选取作用点，采用在作用点施加集中载荷的加载方式，载荷方向垂直向下。

3.根据权利要求2所述的汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，其特征在于，所述抗积雪压溃性能中雪压厚度分别为90mm与160mm。

4.根据权利要求2或3所述的汽车车顶盖加强筋仿生结构设计方法，其特征在于，步骤S4)中具体包括如下内容：把刚度最大问题等效为柔度最小问题来研究，柔度则用应变能来定义，于是由折衷规划法结合功效函数法可得到多刚度拓扑优化的目标函数，具体公式如下：

其中，m为载荷工况总数，这里考虑了覆雪、抗压与抗凹三个工况；q为惩罚因子，x是设计区域内的单元相对密度；w为静态工况的权重，c_k(x)为第k个工况的柔度目标函数；

为第k个工况的柔度最大值和最小值。

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