CN111597654A - 一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏的优化设计方法。该方法利用PYTHON语言在ABAQUS中建立复杂截面形状的铝合金材质水箱护栏的预处理参数化模型。接着，结合实际边界条件和载荷，利用有限法求解出水箱护栏的最大变形量及质量。根据安装空间，参数化模型可以自动求解出不同结构尺寸下装配体最大变形量和质量。最后，根据上述仿真获取的数据，利用径向基插值函数和粒子群算法对其进行优化设计分析。本发明方便设计人员对复杂截面的铝合金水箱护栏进行优化设计，避免了每修改一次参数重新进行三维建模、边界和载荷条件施加、仿真提交以及结果提取等大量重复性工作，提高了设计效率。
Description
技术领域
本发明涉及汽车结构设计技术领域的一种优化设计方法，尤其是一种针对铝合金型材车载水箱护栏的轻量化设计的方法。
背景技术
水箱护栏主要有护栏支架、横梁和连接板组成，部件之间通过螺栓连接。其主要作用是在遇到外部撞击时保护水箱不受到损坏，同时在与非机动车或行人发生剐蹭时，防止人员和非机动车辆卷入车底，发生二次碾压。在对其进行轻量化设计时，保证其功能完整性非常重要。目前，对于水箱防护栏的轻量化设计的研究较少，其形状和材料厚度往往依赖于设计人员的经验和主观判断。因此，提出一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法对轻量化设计很有必要。
发明内容
本发明是要提供一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，该方法由三个设计阶段组成，分别为复杂截面形状的铝合金材料水箱护栏的参数化建模及有限元仿真的运算，基于径向基插值函数模型的建立，基于粒子群算法的优化设计。
为实现以上目标，本发明采用如下的技术方案来实现：
S1：以拉挤成型复杂截面形状的铝合金材质车载水箱护栏为研究对象，分别对各组成部件几何尺寸开展参数化建模以及装配体各部件装配位置的关系进行参数化控制；
S2：根据GB 11567.1-2001“汽车和挂车水箱防护要求”，在ABAQUS中进行如下设置；
S3：ABAQUS自动提交、运行有限元分析，通过仿真分析可获取所需得响应值；
S4：基于仿真数据，利用径向基插值函数建立自变量参数和响应值的关系；
S5：利用智能算法对所建模型进行优化分析；
S6:对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的装配体满足变形挠度约束条件和强度设计要求时，输出S5的最优设计参数组合。
优选地，所述S1具体为：
S11：根据拉挤成型复杂截面形状的铝合金材质车载水箱护栏的结构特征，将其分解为以下四个部分，支架1、连接板2，横梁3，支架4；
S12：该过程主要利用PYTHON语言在ABAQUS中建立复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏的参数化模型；
优选地，所述S2具体为：
S21：利用脚本语言PYTHON将材料参数模块化，供后续调用，避免重复定义，提高效率；
S22：定义圆形压板和横梁的接触面，其中压板定义为刚体，横梁定义为可变形体，类型为“无摩擦”；
S23：自动生成网格：利用PYTHON语言自动切分各组成部件，并生成网格，设置载荷和约束；
S24：设置载荷和约束：将护栏垂直于横梁的支架1定义为固定约束，对圆形压板5施加1kN的载荷，通过施加在刚体参考点上实现的；
所述S3的所需响应主要包括：整个模型的质量和最大变形量；
优选地，所述S4具体为：
S41：根据实际安装空间确定各设计变量的变化范围；
S42：在设计域内，基于S1～S3建立的参数化模型、边界和载荷条件，进行仿真分析；
S43：利用PYTHON语言实现设计域内多组合参数的模型的有限元模型自动提交分析；
S44：利用径向基插值函数建立自变量参数和响应值之间的关系；并对所建立的模型进行准确度验证；
优选地，所述S5中，所述智能算法为粒子群算法；
优选地，所述设计参数主要包括：
支架1的高度BH2，支架1的宽度BW2，支架1的厚度TH3；
连接板2的厚度TH1；
横梁3的厚度TH3，横梁3的截面形状：宽度为BW1,高度为BH1；
支架4的几何外形与支架1相同，但两者厚度有差异，标记为TH4；
通过设置装配体各部分的几何参数和位置参数的变化区间，可自动重复S1～S3。
本发明可以获得如下收益效果：
区别于传统的建模方法，该方法利用参数化程序，仅需修改对应参数即实现快速建模、网格划分、边界和荷载的施加，省去了大量重复的工作内容，可大大提高设计效率；
可方便设计人员对复杂截面形状的水箱护栏进行改进；
以大量的仿真数据为设计基础，与传统的经验设计法相比，设计结果更加准确和科学；
附图说明
图1为本方法实施的流程图。
图2为拉挤成型复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏的整体效果图。
图3为拉挤成型复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏的参数图。
具体实施方式
本发明采用的技术方案为一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，该方法的实施过程如下：以拉挤成型复杂截面形状的铝合金材质水箱护栏为研究对象，分别对各组成部件几何尺寸的参数化建模以及装配体各部件装配位置的关系进行参数化控制，主要参数包括支架1的高度BH2，支架1的宽度BW2，支架1的厚度TH3，支架4的几何外形与支架1相同，但两者厚度有差异，标记为TH4，连接板2的厚度TH1，横梁3的厚度TH3，横梁3的截面形状：宽度为BW1,高度为BH1，压板5的几何参数为定值。
根据GB 11567.1-2001“汽车和挂车水箱防护要求”，在ABAQUS中进行如下设置。
(1)定义截面的几何参数和装配体的位置参数。
(2)定义圆形压板和横梁的接触面，其中压板定义为刚体，横梁定义为可变形体，类型为“无摩擦”。
(3)自动生成网格：利用PYTHON语言自动切分各组成部件，并生成网格。
(4)设置载荷和约束：将护栏垂直于横梁的支架1定义为固定约束，对圆形压板5施加1kN的载荷，通过施加在刚体参考点上实现的。
(5)提取最大变形量和整体质量；完成设置后，对已经预处理的模型进行求解，求解类型为最大变形量和质量。
通过设置装配体各部分的几何参数和位置参数的变化区间，自动重复步S1～S3，得到多组不同各参数组合下对应的最大变形量和质量；作为后续优化设计的数据基础。
利用S1～S3所得的大量仿真数据，基于径向基插值函数建立自变量参数和响应值之间的关系，为后续优化设计他做铺垫。
基于粒子群算法对S4所建立的模型进行优化求解，其中，整个模型的最大变形量为约束函数，整体质量为目标函数，通过优化求解，即可获得在保证功能完整的前提下，实现轻量化设计。
Claims (8)
1.一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：以拉挤成型复杂截面形状的铝合金材质车载水箱护栏为研究对象，分别对各组成部件几何尺寸开展参数化建模以及装配体各部件装配位置的关系进行参数化控制；
S2：根据GB 11567.1-2001“汽车和挂车水箱防护要求”，在ABAQUS中进行如下设置；
S3：ABAQUS自动提交、运行有限元分析，通过仿真分析可获取所需得响应值；
S4：基于仿真数据，利用径向基插值函数建立自变量参数和响应值的关系；
S5：利用智能算法对所建模型进行优化分析；
S6:对S4获得的优化设计参数进行校核分析，当利用优化设计参数构建的装配体满足变形挠度约束条件和强度设计要求时，输出S5的最优设计参数组合。
2.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述S1具体为：
S11：根据拉挤成型复杂截面形状的铝合金材质车载水箱护栏的结构特征，将其分解为以下四个部分，支架1、连接板2，横梁3，支架4；
S12：该过程主要利用PYTHON语言在ABAQUS中建立复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏的参数化模型。
3.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述S2具体为：
S21：利用脚本语言PYTHON将材料参数模块化，供后续调用，避免重复定义，提高效率；
S22：定义圆形压板和横梁的接触面，其中压板定义为刚体，横梁定义为可变形体，类型为“无摩擦”；
S23：自动生成网格：利用PYTHON语言自动切分各组成部件，并生成网格，设置载荷和约束；
S24：设置载荷和约束：将护栏垂直于横梁的支架1定义为固定约束，对圆形压板5施加1kN的载荷，通过施加在刚体参考点上实现的。
4.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述S3的所需响应主要包括：整个模型的质量和最大变形量。
5.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述S4具体为：
S41：根据实际安装空间确定各设计变量的变化范围；
S42：在设计域内，基于S1～S3建立的参数化模型、边界和载荷条件，进行仿真分析；
S43：利用PYTHON语言实现设计域内多组合参数的模型的有限元模型自动提交分析；
S44：利用径向基插值函数建立自变量参数和响应值之间的关系；并对所建立的模型进行准确度验证。
6.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述S5中，所述智能算法为粒子群算法。
7.根据权利要求2所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，所述设计参数主要包括：
支架1的高度BH2，支架1的宽度BW2，支架1的厚度TH3；
连接板2的厚度TH1；
横梁3的厚度TH3，横梁3的截面形状：宽度为BW1,高度为BH1；
支架4的几何外形与支架1相同，但两者厚度有差异，标记为TH4。
8.根据权利要求1所述的一种复杂截面形状的铝合金型材车载水箱护栏优化设计方法，其特征在于，通过设置装配体各部分的几何参数和位置参数的变化区间，可实现自动重复S1～S3。
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