CN111639392B - 一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，包括以下步骤：首先建立白车身的3D几何模型，结合3D几何模型建立白车身的有限元仿真模型；根据白车身承受的实际载荷，确定白车身扭转工况下的边界条件，并进行刚度分析，得出白车身的初始刚度；对扭转工况下白车身整体横向的主断面变形量进行分析，将变形量最大的主断面确定为需要进行控制的主断面；通过改变白车身的零件厚度变化系数，改变白车身的刚度，拟合主断面变形与加载点位移的函数关系，计算出目标刚度下需要满足的主断面变形量，将其作为要求，在结构优化过程中测量相应测点的变形量是否满足要求，满足后即可停止优化。从而实现主断面变形量对刚度和优化方案进行控制的目的。

Description

一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法
技术领域
本发明属于汽车白车身结构改装设计领域，具体涉及到一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，该方法能够在车身结构改装设计时有效地提升车身的刚度性能。
背景技术
商用车白车身的结构改装是各大汽车主机厂必须面临的市场。而白车身的刚度是影响汽车改装后性能的关键，也是汽车抗路面荷载变形的重要因素。在载荷作用下，因白车身缺乏刚度会导致车身的大变形，造成密封松动、渗漏和渗水等问题，从而使物体的振动频率较低，容易产生结构共振和噪声。
目前，商用车白车身的结构改装优化方法有尺寸优化、拓扑优化、形貌优化等。这些优化方法可在一定程度上提升车身的刚度性能，但这些结构优化方法存在两个问题：一是这些优化方法优化的对象是零部件，通过零部件的优化对整车的刚度性能提升效果十分有限；二是要实现车身刚度性能的有效提升需要通过上述优化方法对多个零部件进行优化，耗费时间长、企业负担的成本高。本发明提出的刚度优化方法可以有效地解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是提出一种白车身刚度优化的结构改装设计方法，使汽车主机厂在改装新车型时能准确、高效地对白车身刚度进行优化设计，缩短产品开发的时间、提升效率、降低开发成本。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：
一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，包括以下步骤：
(1)建立白车身的3D几何模型，结合几何模型建立白车身的有限元仿真模型；
(2)根据白车身承受的实际载荷，确定白车身扭转工况下的边界条件，并进行刚度分析，得出白车身的初始刚度；
(3)对扭转工况下白车身整体横向的主断面变形进行分析，将变形量最大的主断面确定为需要进行控制的主断面；
(4)通过改变白车身的零件厚度变化系数，改变白车身的刚度，拟合主断面变形与加载点位移的函数关系，将其代入白车身扭转刚度计算公式，获得白车身扭转刚度W与主断面轮廓线测点的变形量Δ之间的函数关系W＝f(Δ)；
(5)推导出反函数Δ＝f-1(W)，计算出目标刚度下需要满足的主断面变形量，将其作为要求，在结构优化过程中测量相应测点的变形量是否满足要求，满足后即可停止优化。从而实现主断面变形量对刚度和优化方案进行控制的目的。
进一步，所述步骤(2)中，边界条件包括约束位置及自由度、施加载荷的位置及力的大小。
进一步，所述步骤(3)中，白车身主断面定义为沿白车身横向的平面与车身相交的外轮廓线所构成的轮廓面。白车身主断面的变形定义为在一定的受载工况条件下，主断面的轮廓线的变形。
进一步，所述步骤(4)中，定义零件的厚度变化系数λ：
Figure BDA0002493204940000021
其中，t0为零件的初始厚度，单位mm；t1为零件厚度改变后的值，单位mm。
进一步，所述步骤(5)中，白车身目标刚度需要视不同的车型以及企业开发的不同的车身需求而定。
本发明的有益效果在于：基于白车身主断面变形刚度控制的结构优化方法，将车身的刚度评价等效转化为车身主断面变形的评价，可有效地识别出白车身主断面最薄弱的位置，实现了快速、高效地优化白车身刚度的目标。为设计者提供了一种新的设计思路，该方法在白车身的正向设计过程中对缩短设计时间、降低企业研发成本等方面具有重要意义。
附图说明
图1是基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装优化设计方法流程图
图2是白车身扭转工况轴间扭转角示意图
图3是白车身主断面轮廓线变形测量点及其位移示意图
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的说明。
对于步骤(2)，本实例中扭转刚度按下述方法进行计算：
图2中S1、S2分别为加载点M、N在载荷方向上的位移，L为加载点之间的距离，θ为加载位置连线的扭转角度。
根据几何关系，计算可得：
Figure BDA0002493204940000031
白车身扭转刚度W为单位扭转角所受到的力矩，即：
Figure BDA0002493204940000032
式中：T为施加于车身的扭矩，单位N·m；θ为加载位置连线的扭转角度，单位deg；W为扭转刚度，单位N·m/deg。上述数据可通过Hypermesh中的Optistruct求解器或者其他求解器进行仿真求解。
对于步骤(3)，车身主断面轮廓线上的变形量可用主断面轮廓线上四个角处的测点的位移之和来衡量。例如图3所示为白车身某一主断面轮廓线上的A、B、C、D四个测量点，通过测量点在车身横向平面内的位移之和来评价主断面的变形，选出变形量最大的主断面作为待控制的主断面。
对于步骤(4)，通过仿真分析，统计不同车身刚度下的主断面轮廓线测点的位移与加载点位移数据，利用Excel绘制不同白车身刚度下主断面轮廓线测点的位移与加载点位移的散点图，通过散点图拟合主断面轮廓线测点与加载点位移的函数关系，函数相关性要求达到0.98及以上，将其代入白车身扭转刚度的计算表达式，获得车身扭转刚度W与主断面变形量Δ之间的函数关系W＝f(Δ)。四个测点分别进行，均需要求得函数关系。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，包括以下步骤：
步骤(1)建立白车身的3D几何模型，结合3D几何模型建立白车身的有限元仿真模型；
步骤(2)根据白车身承受的实际载荷，确定白车身扭转工况下的边界条件，并进行刚度分析，得出白车身的初始刚度；其中，边界条件包括约束位置及自由度、施加载荷的位置及力的大小，其中，约束位置为车身后部两处悬置，自由度为前述车身后部两处悬置全部自由度，在车身前部两处悬置处施加大小为1000N，方向相反，包括一处竖直向上、一处竖直向下的力，力乘以车身前部两处悬置的距离即为力矩T；
扭转刚度按下述方法进行计算：
S1、S2分别为加载点M、N在载荷方向上的位移，L为加载点之间的距离，θ为加载位置连线的扭转角度；
根据几何关系，计算可得：
Figure FDA0003409523080000011
白车身扭转刚度W为单位扭转角所受到的力矩，即：
Figure FDA0003409523080000012
式中：T为施加于车身的扭矩，单位N·m；θ为加载位置连线的扭转角度，单位为deg；W为扭转刚度，单位为N·m/deg；
步骤(3)对扭转工况下白车身整体横向的主断面变形量进行分析，将变形量最大的主断面确定为需要进行控制的主断面；
步骤(4)通过改变白车身的零件厚度变化系数，改变白车身的刚度，拟合主断面变形与加载点位移的函数关系，将其代入白车身扭转刚度计算公式，获得白车身扭转刚度W与主断面轮廓线测点的变形量Δ之间的函数关系W＝f(Δ)；
步骤(5)推导出反函数Δ＝f-1(W)，计算出目标刚度下需要满足的主断面变形量，将其作为要求，在结构优化过程中测量相应测点的变形量是否满足要求，满足后即可停止优化，从而实现主断面变形量对刚度和优化方案进行控制的目的。
2.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，白车身主断面定义为沿白车身横向的平面与车身相交的外轮廓线所构成的轮廓面；白车身主断面的变形定义为受载工况同所述 步骤(2)中的扭转工况，主断面的轮廓线的变形。
3.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(3)中，车身主断面轮廓线上的变形量通过主断面轮廓线上四个角处的测点的位移之和进行衡量。
4.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，定义零件的厚度变化系数λ：
Figure FDA0003409523080000021
其中，t0为零件的初始厚度，单位mm；t1为零件厚度改变后的值，单位mm。
5.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，通过仿真分析，统计不同车身刚度下的主断面轮廓线测点的位移与加载点位移数据，利用Excel绘制不同白车身刚度下主断面轮廓线测点的位移与加载点位移的散点图，通过散点图拟合主断面轮廓线测点与加载点位移的函数关系，函数相关性大于等于0.98。
6.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(4)中，改变对象为改装车中所有可优化改动的零件，且同时改变；系数值改变范围：0.7～1.5，间隔0.05取值。
7.根据权利 要求1所述的基于白车身主断面变形刚度控制的结构改装设计方法，其特征在于：所述步骤(5)中，白车身目标刚度根据不同的车型以及企业开发的不同的车身需求而定。
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