CN112784461A - 一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法及系统，涉及汽车设计域，该方法包括基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。本发明能够有效保证背门内板结构设计的合理性和有效性。

Description

一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法及系统
技术领域
本发明涉及汽车设计领域，具体涉及一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法及系统。
背景技术
汽车背门内板的结构设计对背门整体性能有较大影响，对于汽车背门内板的设计，主要是设计加强筋走向和开孔位置。当前，对于背门内板的设计主要基于以下三个方面进行：1、设计人员丰富的经验；2、直接参考以往车型的设计结构；3、参考市场上标杆车型的设计结构。
但是，基于上述方面进行汽车背门内板结构设计，存在以下问题：1、经验不足易导致方案设计不合理，影响背门整体性能达成；2、参考以往车型或标杆车型结构，存在侵权风险和结构不匹配问题，导致汽车背门内板后续性能无法达到理想效果。
发明内容
针对现有技术中存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法及系统，能够有效保证背门内板结构设计的合理性和有效性。
为达到以上目的，本发明提供一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，包括以下步骤：
基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；
获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；
根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；
对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。
在上述技术方案的基础上，所述获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建，具体包括以下步骤：
获取构建的有限元模型，并确定有限元模型中内板的待设计区域；
采用有限元2D网格对待设计区域中的原设计开孔区域进行填充，以使待设计区域形成完整整体，构建得到设计空间。
在上述技术方案的基础上，所述拓扑优化的具体步骤为：
基于变密度法，将设计空间的单元密度作为设计变量；
基于设计空间的单元密度，将设计空间中单元密度在为0～1之间的区域行进行去除，得到内板的传力路径。
在上述技术方案的基础上，所述设计空间的单元密度与背门内板材料的弹性模量相关。
在上述技术方案的基础上，所述对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计，具体步骤为：
基于得到的传力路径，设计背门内板的加强筋走向，得到初版背门内板设计。
在上述技术方案的基础上，所述待加强位置的确定步骤为：
基于初版背门内板设计的一阶模态，得到背门内板各位置的振动频率，其中振动频率大于预设值的位置即为待加强位置。
在上述技术方案的基础上，所述得到待加强位置并进行加强，其中，对待加强位置进行加强，具体为：采用支撑板对待加强位置进行加强。
在上述技术方案的基础上，支撑板对待加强位置进行加强的具体方式为：支撑板的一端连接背门内板，且该端通过螺栓和焊点与背门内板间进行固定，另一端连接背门外板，且该端通过结构胶与背门外板间进行固定。
在上述技术方案的基础上，通过HyperMesh软件构建背门的有限元模型。
本发明提供一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统，包括：
第一构建模块，其用于基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；
第二构建模块，其用于获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；
优化模块，其用于根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；
加强模块，其用于对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。
与现有技术相比，本发明的优点在于：采用拓扑优化技术进行内板设计，从而实现内板加强筋和开孔位置的设计，有效避免因设计不成熟而影响背门内板后期性能目标达成，且通过对初版背门内板设计进行自由模态分析，优化出匹配背门结构的内板加强筋分布，并通过对待加强位置进行加强，有助于加强背门内外板连接，进而提升模态性能，保证背门内板结构设计的合理性和有效性。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例中一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法的流程图；
图2为本发明实施例中一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统的结构示意图。
具体实施方式
本发明实施例提供一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，采用拓扑优化技术进行内板设计，从而实现内板加强筋和开孔位置的设计，有效避免因设计不成熟而影响背门内板后期性能目标达成，且通过对待加强位置进行加强，有助于加强背门内外板连接，进而提升模态性能，保证背门内板结构设计的合理性和有效性。本发明实施例相应地还提供了一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统。
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。
参见图1所示，本发明实施例提供的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，具体包括以下步骤：
S1：基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型。即根据背门实际的几何模型，以软件的方式，构建出背门的有限元模型。本发明实施例中，具体为通过HyperMesh软件构建背门的有限元模型。Hypermesh软件是功能强大的CAE应用软件包，也是一个创新、开放的企业级CAE平台，它集成了设计与分析所需的各种工具，具有无与伦比的性能以及高度的开放性、灵活性和友好的用户界面。
S2：获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建。本发明实施例中，获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建，具体包括以下步骤：
S201：获取构建的有限元模型，并确定有限元模型中内板的待设计区域；
S202：采用有限元2D网格对待设计区域中的原设计开孔区域进行填充，以使待设计区域形成完整整体，构建得到设计空间。
即在内板需要进行重新设计的区域进行材料填充，具体处理方法是在有限元模型基础上，在原设计开孔位置进行填充，用有限元2D网格填补开孔区域，使设计区域形成一个连续整体。在一种可能的实施方式中，待设计区域可以为背门上窗户开口的以下区域，对该区域区域进行填充，使得该区域形成一个完整的整体。
S3：根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计。
通过在搭建的有限元模型上设置求解模态和刚度的分析流程。模态频率是结构的固有频率，如果模态与外部激励频率接近就可能产生共振的情况，结构会因为共振产生噪音和破坏。模态结果是车身上零部件重点关注动态性能。以分析得到的模态振动频率由小到大排序，最先出现的振动频率为一阶模态振动频率，依次为二阶、三阶模态。模态以内板设计区域的质量减少为原设计区域质量的1/3为约束，以提升背门一、二阶模态作为性能优化目标，进行拓扑优化分析。在设计空间内找到最优化的材料分布，保留影响模态性能的材料，去掉影响较小的材料。
具体的，本发明实施例中，拓扑优化的具体步骤为：
S301：基于变密度法，将设计空间的单元密度作为设计变量。本发明实施例中的变密度法为基于Optistruct软件的变密度法，OptiStruct是一个有限元结构分析和优化软件，内含一个准确快速的有限元求解器，用于进行概念设计和细化设计。本发明实施例中，设计空间的单元密度与背门内板材料的弹性模量相关。
S302：基于设计空间的单元密度，将设计空间中单元密度在为0～1之间的区域行进行去除，得到内板的传力路径。
通过变密度法，将设计空间单元的“单元密度”作为设计变量，单元密度和结构的材料参数相关，单元密度越靠近1，则表明该处材料越重要，需要进行保留，单元密度越靠近0，则表明该处材料不重要，可去除，从而实现材料的高效利用。在一种可能的实施方式中，通过对设计空间进行拓扑优化，得到的传力路径由一个正V型结构和一个倒V型结构组成。
S4：对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。
本发明实施例中，对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计，具体步骤为：基于得到的传力路径，设计背门内板的加强筋走向，得到初版背门内板设计。在一种可能的实施方式中，根据最终拓扑优化结果呈现的内板传力路径，可以提取出一个正V型结构和一个倒V型结构，内板的加强筋走向布置可参考此结构进行设计，使得背门整体的一阶扭转和弯曲模态性能得到保证。
本发明实施例中，待加强位置的确定步骤为：基于初版背门内板设计的一阶模态，得到背门内板各位置的振动频率，其中振动频率大于预设值的位置即为待加强位置。振动频率越大，说明该位置的结构稳定性越差。
得到待加强位置并进行加强，其中，对待加强位置进行加强，具体为：采用支撑板对待加强位置进行加强。支撑板对待加强位置进行加强的具体方式为：支撑板的一端连接背门内板，且该端通过螺栓和焊点与背门内板间进行固定，另一端连接背门外板，且该端通过结构胶与背门外板间进行固定。
通过对初版背门内板设计进行模态分析，在一阶模态中可以看到在外板靠下对称位置有局部阵型，红色位置显示该处局部振动偏大，结构偏弱，可对结构偏弱位置进行局部加强。在背门左右对称位置处均进行支撑板结构的布置。
本发明的设计方法，在设定的背门的模态性能目标下，采用拓扑优化技术手段得到内板加强筋走向和开孔位置的设计方案，进而基于模态分析结果，对结构局部加强，保证最终方案的模态性能满足要求。首先基于背门几何模型构建背门的有限元模型，将内板需要进行设计的区域进行填充处理，构建拓扑优化的设计空间。设计空间确定后，根据背门对模态性能要求，进行拓扑优化。在完成拓扑优化分析后，还需综合考虑工艺可行性，对优化结果进行解析，获得初版的背门内板设计。继续完成背门自由模态分析后，对局部位置加强，增加内外板支撑板，形成最终的设计方案。
本发明实施例的基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，采用拓扑优化技术进行内板设计，从而实现内板加强筋和开孔位置的设计，有效避免因设计不成熟而影响背门内板后期性能目标达成，且通过对初版背门内板设计进行自由模态分析，优化出匹配背门结构的内板加强筋分布，并通过对待加强位置进行加强，有助于加强背门内外板连接，进而提升模态性能，保证背门内板结构设计的合理性和有效性。
参见图2所示，本发明实施例提供的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统，包括第一构建模块、第二构建模块、优化模块和加强模块。
第一构建模块用于基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；第二构建模块用于获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；优化模块用于根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；加强模块用于对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。通过HyperMesh软件构建背门的有限元模型。在设定的背门的模态性能目标下，采用拓扑优化技术手段得到内板加强筋走向和开孔位置的设计方案，进而基于模态分析结果，对结构局部加强，保证最终方案的模态性能满足要求。
本发明实施例中，获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建，具体包括以下过程：
获取构建的有限元模型，并确定有限元模型中内板的待设计区域；
采用有限元2D网格对待设计区域中的原设计开孔区域进行填充，以使待设计区域形成完整整体，构建得到设计空间。
本发明实施例中，拓扑优化的具体过程为：
基于变密度法，将设计空间的单元密度作为设计变量；设计空间的单元密度与背门内板材料的弹性模量相关。
基于设计空间的单元密度，将设计空间中单元密度在为0～1之间的区域行进行去除，得到内板的传力路径。
单元密度越靠近1，则表明该处材料越重要，需要进行保留，单元密度越靠近0，则表明该处材料不重要，可去除，从而实现材料的高效利用。
本发明实施例中，对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计，具体步骤为：基于得到的传力路径，设计背门内板的加强筋走向，得到初版背门内板设计。
待加强位置的确定步骤为：基于初版背门内板设计的一阶模态，得到背门内板各位置的振动频率，其中振动频率大于预设值的位置即为待加强位置。
得到待加强位置并进行加强，其中，对待加强位置进行加强，具体为：采用支撑板对待加强位置进行加强。支撑板对待加强位置进行加强的具体方式为：支撑板的一端连接背门内板，且该端通过螺栓和焊点与背门内板间进行固定，另一端连接背门外板，且该端通过结构胶与背门外板间进行固定。
本发明实施例的基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统，采用拓扑优化技术进行内板设计，从而实现内板加强筋和开孔位置的设计，有效避免因设计不成熟而影响背门内板后期性能目标达成，且通过对初版背门内板设计进行自由模态分析，优化出匹配背门结构的内板加强筋分布，并通过对待加强位置进行加强，有助于加强背门内外板连接，进而提升模态性能，保证背门内板结构设计的合理性和有效性。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本申请。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本申请的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本申请将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所申请的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备(系统)和计算机程序产品的流程图和/或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和/或方框图中的每一流程和/或方框、以及流程图和/或方框图中的流程和/或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和/或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

Claims (10)

1.一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；
获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；
根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；
对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。
2.如权利要求1所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，所述获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建，具体包括以下步骤：
获取构建的有限元模型，并确定有限元模型中内板的待设计区域；
采用有限元2D网格对待设计区域中的原设计开孔区域进行填充，以使待设计区域形成完整整体，构建得到设计空间。
3.如权利要求1所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，所述拓扑优化的具体步骤为：
基于变密度法，将设计空间的单元密度作为设计变量；
基于设计空间的单元密度，将设计空间中单元密度在为0～1之间的区域行进行去除，得到内板的传力路径。
4.如权利要求3所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于：所述设计空间的单元密度与背门内板材料的弹性模量相关。
5.如权利要求3所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，所述对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计，具体步骤为：
基于得到的传力路径，设计背门内板的加强筋走向，得到初版背门内板设计。
6.如权利要求1所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，所述待加强位置的确定步骤为：
基于初版背门内板设计的一阶模态，得到背门内板各位置的振动频率，其中振动频率大于预设值的位置即为待加强位置。
7.如权利要求6所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，所述得到待加强位置并进行加强，其中，对待加强位置进行加强，具体为：采用支撑板对待加强位置进行加强。
8.如权利要求7所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于，支撑板对待加强位置进行加强的具体方式为：支撑板的一端连接背门内板，且该端通过螺栓和焊点与背门内板间进行固定，另一端连接背门外板，且该端通过结构胶与背门外板间进行固定。
9.如权利要求1所述的一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计方法，其特征在于：通过HyperMesh软件构建背门的有限元模型。
10.一种基于仿真分析的汽车背门内板结构设计系统，其特征在于，包括：
第一构建模块，其用于基于背门的几何模型，通过软件构建背门的有限元模型；
第二构建模块，其用于获取有限元模型中内板的待设计区域并进行填充处理，进行设计空间构建；
优化模块，其用于根据背门对模态性能的要求，对设计空间进行拓扑优化并对优化结果进行解析，得到初版背门内板设计；
加强模块，其用于对初版背门内板设计进行自由模态分析，得到待加强位置并进行加强，完成背门内板结构设计。
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