CN113283012B - 中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置，本发明所提供的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法能够利用车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图自动实现对车体结构网格模型的快速建立，中间无需人工干预，极大降低了人工工作量，大大提高了建模效率，同时能够快速获取方案设计阶段车体结构的力学性能评估参数，进而缩短车体设计周期，降低车体使用成本。

Description

中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置

技术领域

本发明涉及车体仿真模拟技术领域，特别涉及一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置。

背景技术

随着经济的发展，轨道车辆在生产和生活中发挥着越来越重要的作用。同时，为了满足更高的经济需求，对于轨道车辆的设计也提出了更高的要求，例如车体承重高且重量轻、高车速等。

当前，为了兼顾车体重量和承载能力，轨道车辆的车体基本采用铝合金车体结构。铝合金车体结构由大量铝合金中空型材通过复杂的连接关系焊接而成。在铝合金车体结构的方案设计阶段，设计人员需要不断优化车体断面形式和梁的布局，从而使车体结构达到更好的力学性能，节约制造成本。

当前，车体主要通过以下方式进行建模仿真模拟：首先利用CAD绘图软件绘制车体的CAD图纸，然后基于CAD图纸手动提取型材结构信息建立车体结构有限元模型，然后再利用软件对构建的有限元模型进行仿真模拟。

人工提取CAD图纸中型材信息工作量巨大，需要耗费大量时间，显著延长了建模时间，进而导致车体设计周期比较长。

因此，如何缩短现有车体结构建模时间，提高仿真效率，是本领域内技术人员亟待解决的技术问题。

发明内容

本发明提供的目的为提供一种建模时间短且能提高仿真效率的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置。

本发明提供了一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，包括：

获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；其中所述车体横截面为侧墙、车顶和底板三者围成的断面；所述车体的侧墙、所述车体的车顶、所述车体的底板、所述侧墙门立柱、所述端墙和所述组成底架的各零部件一者或者几者或者全部均为中空型材；

自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各所述封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及所述中线相应位置所对应的壁厚信息；

将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型；并根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除所述车体壳网格模型中的部分网格；

根据位置参数将所述侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与删除部分网格的车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型。

本发明所提供的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法能够利用车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图自动实现对车体结构网格模型的快速建立，中间无需人工干预，极大降低了人工工作量，大大提高了建模效率，同时能够快速获取方案设计阶段车体结构的力学性能评估参数，进而缩短车体设计周期，降低车体使用成本。

可选的，各所述型材的中线通过以下方式获取：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个所述给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定所述距离最小的交点与相应给定点二者的中点；

所有中点依次连接形成该型材的中线。

可选的，相邻中点之间中线段的壁厚信息通过以下方法获得：相邻中点和与其相应给定点之间距离平均值的两倍。

可选的，相邻中点通过直线段连接，如果相邻直线段的斜率差值和壁厚差值均分别小于预定斜率控制阈值和预定厚度阈值时，则将相邻的两直线段合并为一条直线段，其厚度取为壁厚的平均值。

可选的，各所述划分为有限元网格的二维图通过以下方法拉伸形成壳网格模型：沿垂直于横截面的方向，向将所述划分为有限元网格的二维图拉伸预定长度形成壳单元，然后再相接排列N个所述壳单元。

可选的，所述侧墙门立柱壳网格模型、所述端墙壳网格模型以及所述组成底架的各零部件的壳网格模型中与所述车体壳网格模型连接位置的有限元网格大小相差在预定值内。

可选的，所述侧墙门立柱、端墙、组成底架的各零部件于所述车体上的具体位置自车体结构的结构设计图读取。

可选的，所述方法还包括：将所获得的各壁厚信息赋于相应中线，并施加载荷参数和约束位置参数于所获得的车体结构的有限元模型相应位置，以生成车体结构的刚度和模态仿真姿态。

本发明还提供了一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真装置，该装置包括：

壳网格模型生成模块，用于获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；其中所述车体横截面为侧墙、车顶和底板三者围成的断面；并自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各所述封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及所述中线相应位置所对应的壁厚信息；将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成具有三维网格的车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型；

组装模块，根据位置参数将所述侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与所述车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型。

可选的，所述壳网格模型生成模块还存储有：根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除所述车体壳网格模型中的部分网格；

或者/和，所述壳网格模型生成模块还存储有：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个所述给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定所述距离最小的交点与相应给定点二者的中点；所有中点依次连接形成该型材的中线；

或者/和，各所述划分为有限元网格的二维图通过以下方法拉伸形成三维网格壳网格模型：沿垂直于横截面的方向，向将所述划分为有限元网格的二维图拉伸预定长度形成壳单元，然后再相接排列N个所述壳单元。

附图说明

图1为本发明一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法的流程图；

图2为本发明一种实施例中车体横截面的结构示意图；

图3为本发明一种实施例中某一型材生成有中线的结构示意图；

图4为图3的局部结构示意图；

图5为车体壳网格模型；

图6为侧墙立柱壳网格模型；

图7为组装后的车体网格模型；

图8为所述车体网格模型处于的姿态示意图。

其中，图2至图3中：

11底板；12侧墙；13车顶；1a连接点；1-1外板中线；1-2内板中线；1-3肋筋中线。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步的详细说明。

请参考图1，图1为本发明一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法的流程图。

本发明提供了一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，该方法包括：

S1、获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；

各横截面可以为CAD绘制格式，即可以直接从autocad软件中获取，直接快捷。

其中，车体横截面为侧墙12、车顶13和底板11三者围成的断面；车体的侧墙12、车体的车顶13、车体的底板11、侧墙门立柱、端墙和组成底架的各零部件一者或者几者或者全部均为中空型材；也就是说，形成车体、侧墙门立柱、端墙以及组成底架的各零部件可以均为中空型材，当然也可以部分为中空型材。本文优选各零部件均为中空型材。中空型材可以为铝合金，当然也可以为其他材料。

S2、自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及中线相应位置所对应的壁厚信息；图3中示出了侧墙的某一型材的多个封闭轮廓线形成的中线，型材相邻两个壁的轮廓线的中线通过二者之间的连接点1a相接。

对于CAD二维断面图而言，断面轮廓不连续位置可以通过增加线条以形成每一个横截面的封闭曲线，形成封闭曲线可以通过cad或者其他软件的现有模块实现，本文不做详细介绍。在形成封闭曲线的同时可以获取每一封闭曲线不同位置处所对应的中空型材的壁厚信息。本文通过将封闭曲线离散成多个点，相邻两点之间的线段赋相同壁厚值，后文将进行详细介绍。

S3、将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成具有三维网格的车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型；并根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除车体壳网格模型中的部分网格；

根据以上步骤以下简单介绍一下车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型、底架横梁和底架枕梁的壳网格模型建模。建模方法基本相同，不同之处在于各零部件的横截面的形状不同。

实施例1车体壳网格模型建模

S11、获取由侧墙、车顶和底板构成的车体横截面二维图，然后获取车体横截面二维图中每一个型材的轮廓线，组成型材的轮廓线大致可以包括多条直线和多个弧段，将所有轮廓线按顺序形成封闭曲线，然后根据形成的封闭曲线获得形成壁厚的两轮廓线的中线，并且同时获得中线相应位置所对应的壁厚信息；

从图2至图4中可以看出，形成车体侧墙、车顶和底板等的中空型材包括内板、外板以及多个肋筋，各肋筋连接于内板和外板之间。车体横截面的中线包括内板中线1-2、外板中线1-1以及多个肋筋中线1-3，肋筋中线1-3连接于内板中线1-2和外板中线1-1之间。

内板中线1-2各段的厚度与相应各段所对应的内板厚度大致相同，允许存在预定偏差，以满足模拟需求。同理，外板中线和肋筋中线设置相同原则与内板中线基本相同。

S12、将形成车体横截面的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成具有三维网格的车体壳网格模型；

具体地，在进行拉伸时，可以先将所有中线形成的二维图沿车体延伸方向拉伸形成具有预定长度的壳单元，然后再沿车体长度方向相接排列N个壳单元；

S13、根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除所述车体壳网格模型中的部分网格；

也就是说，将车体壳网格模型中对应车体上车门、车窗、空调安装区域的网格删除，建立能够体现车门、车窗以及空调位置的参数化的车体壳网格模型。其中图5示出了删除部分网格的车体壳网络模型，图中横坐标和纵坐标表示车体尺寸，单位为毫米。

其中车门、车窗、空调安装区域的位置信息可以通过程序处理界面输入。

实施例2侧墙门立柱壳网格模型

S21、获取侧墙门立柱横截面设计图；其中，优先CAD横截面线条图；将立柱的轮廓线按顺序形成封闭曲线，然后根据形成的封闭曲线获得形成壁厚的两轮廓线的中线，并且同时获得中线相应位置所对应的壁厚信息；

当然，对于立柱轮廓本就是封闭曲线的情景而言，可以直接获取轮廓中线及中线相应位置所对应的壁厚信息(立柱壁厚)；

S22、将所有中线进行有限元网格划分，然后沿垂直于立柱横截面的方向拉伸预定长度形成立柱壳单元，然后再沿立柱长度方向相接排列N个壳单元，请参考图6.

其中侧墙门立柱壳网络模型中与车体壳网络模型二者组装位置处的有限元网格的划分应当尽量大小相同，当然允许存在一定偏差。

通常同一车体结构上的侧墙门立柱基本结构相同，只需将以上建模所得的侧墙门立柱壳网络模型复制多根，融合安装于车体壳网络模型即可。

对于结构不同的侧墙门立柱进行分别建模即可。

端墙壳网格模型的建议可以参考以上方法，在此不做赘述。

在实际车体结构上，端墙可以包括三部分：端墙角立柱、门侧型材和门上型材，分别建立以上三者的壳网络模型，并且在三者壳网络模型建立过程中考虑三者之间连接关系以及与侧墙之间的连接关系进行网格划分，以方便各壳网格模型之间的融合连接。

对于底架而言，底架至少包括横梁、牵引梁、枕梁、缓冲梁等零部件，可以根据上述方法分别建立各零部件的壳网络模型，在建模时考虑后续与其他壳网络模型融合连接位置的有限元网格划分，尽量保持网格大小一致。

S4、根据位置参数将侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与删除部分网格的车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型，组装后的车体结构的有限元模型请参考图7所示。

本发明所提供的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法能够利用车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图自动实现对车体结构网格模型的快速建立，中间无需人工干预，极大降低了人工工作量，大大提高了建模效率，同时能够快速获取方案设计阶段车体结构的力学性能评估参数，进而缩短车体设计周期，降低车体使用成本。

上述方法中，各型材的中线通过以下方式获取：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定距离最小的交点与相应给定点二者的中点；所有中点依次连接形成该型材的中线。相邻中点可以通过线段连接。

该方法比较简单，且运行速度比较快。

相邻中点之间中线段的壁厚信息通过以下方法获得：相邻中点和与其相应给定点之间距离平均值的两倍。通过该方法对形成中线的各段线段进行厚度赋值，该方法所获得壁厚接近真实模拟型材，并且计算量比较小，可以提高仿真速度。

为了进一步提高仿真速度，相邻中点通过直线段连接，如果相邻直线段的斜率差值和壁厚差值均分别小于预定斜率控制阈值和预定厚度阈值时，则将相邻的两直线段合并为一条直线段，合并后直线段的厚度可以为原相邻直线段其中一者所对应的壁厚或者二者的平均值。

如上所述，建立车体结构仿真模型时，侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及所述组成底架的各零部件的壳网格模型中与车体壳网格模型连接位置的有限元网格大小相差在预定值内。

另外，侧墙门立柱、端墙、组成底架的各零部件于车体上的具体位置自车体结构的结构设计图读取。

通过上述步骤S4组装形成的车体结构的有限元模型在进行仿真时，可以将所获得的各壁厚信息赋于相应中线，并施加载荷参数和约束位置参数于所获得的车体结构的有限元模型相应位置，以生成车体结构的刚度和模态仿真工况。

根据施加载荷参数和约束位置参数的不同，能够得到不同工况下车体结构的姿态。图8中示出了模拟车体在最大垂载载荷工况下的姿态，即施加最大垂载载荷时，车体的形态。

此外，本发明还提供了一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真装置，该装置包括壳网格模型生成模块和组装模块。

壳网格模型生成模块，用于获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；其中车体横截面为侧墙、车顶和底板三者围成的断面；并自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各所述封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及所述中线相应位置所对应的壁厚信息；将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成具有三维网格的车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型。

当然，具体地可以根据零部件的不同，可以将壳网格模型生成模块进行进一步细化包括：车体壳网格模型生成模块、侧墙门立柱壳网格模型生成模块、端墙壳网格模型生成模块、牵引梁壳网格模型生成模块、横梁生成模块等等。

组装模块，根据位置参数将侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型。

壳网格模型生成模块还存储有：根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除车体壳网格模型中的部分网格。

壳网格模型生成模块还存储有：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定距离最小的交点与相应给定点二者的中点；所有中点依次连接形成该型材的中线；或者/和，各划分为有限元网格的二维图通过以下方法拉伸形成三维网格壳网格模型：沿垂直于横截面的方向，向将划分为有限元网格的二维图拉伸预定长度形成壳单元，然后再相接排列N个壳单元。

本发明所提供的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法可以存储于存储器等硬件中。

以上对本发明所提供的一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法及装置进行了详细介绍。本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以对本发明进行若干改进和修饰，这些改进和修饰也落入本发明权利要求的保护范围内。

Claims (10)

1.一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，包括：

获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；其中所述车体横截面为侧墙、车顶和底板三者围成的断面；所述组成底架的各零部件、所述侧墙、所述车顶、所述底板、所述侧墙门立柱和所述端墙中一者或者几者或者全部均为中空型材；

自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各所述封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及所述中线相应位置所对应的壁厚信息；

将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型；并根据至少包括车门、车窗安装区域的位置信息删除所述车体壳网格模型中的部分网格；

根据位置参数将所述侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与删除部分网格的车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型。

2.如权利要求1所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，各所述型材的中线通过以下方式获取：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个所述给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定所述距离最小的交点与相应给定点二者的中点；

所有中点依次连接形成该型材的中线。

3.如权利要求2所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，所述中线相应位置所对应的壁厚信息通过以下方法获得：相邻中点和与其相应给定点之间距离平均值的两倍。

4.如权利要求2所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，相邻中点通过直线段连接，如果相邻直线段的斜率差值和壁厚差值均分别小于预定斜率控制阈值和预定厚度阈值时，则将相邻的两直线段合并为一条直线段，其厚度取为壁厚的平均值。

5.如权利要求1所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，各所述划分为有限元网格的二维图通过以下方法拉伸形成壳网格模型：沿垂直于横截面的方向，向将所述划分为有限元网格的二维图拉伸预定长度形成壳单元，然后再相接排列N个所述壳单元。

6.如权利要求1所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，所述侧墙门立柱壳网格模型、所述端墙壳网格模型以及所述组成底架的各零部件的壳网格模型中与所述车体壳网格模型连接位置的有限元网格大小相差在预定值内。

7.如权利要求1所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，所述侧墙门立柱、端墙、组成底架的各零部件于所述车体上的具体位置自车体结构的结构设计图读取。

8.如权利要求1至7任一项所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真方法，其特征在于，所述方法还包括：将所获得的各壁厚信息赋于相应中线，并施加载荷参数和约束位置参数于所获得的车体结构的有限元模型相应位置，以生成车体结构的刚度和模态仿真姿态。

9.一种中空型材形成的车体结构有限元建模仿真装置，其特征在于，该装置包括：

壳网格模型生成模块，用于获取车体横截面、侧墙门立柱横截面、端墙横截面、组成底架的各零部件的横截面设计图；其中所述车体横截面为侧墙、车顶和底板三者围成的断面；并自动获取组成各横截面的每一个型材的断面轮廓线，并将每个横截面的各型材的断面轮廓线形成封闭曲线，然后根据形成该横截面的各所述封闭曲线获取组成横截面所有型材的中线及所述中线相应位置所对应的壁厚信息；将形成同一个横截面中的所有中线形成的二维图进行有限元网格划分，然后将划分为有限元网格的二维图沿其长度方向拉伸形成具有三维网格的车体壳网格模型、侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型；

组装模块，根据位置参数将所述侧墙门立柱壳网格模型、端墙壳网格模型以及组成底架的各零部件壳网格模型与所述车体壳网格模型连结融合以获得车体结构的有限元模型。

10.如权利要求9所述的中空型材形成的车体结构有限元建模仿真装置，其特征在于，所述壳网格模型生成模块还存储有：根据至少包括车门、车窗在内零部件的安装区域的位置信息删除所述车体壳网格模型中的部分网格；

或者/和，所述壳网格模型生成模块还存储有：以预定间距在每一条断面轮廓线取一系列给定点，过每个所述给定点作该断面轮廓线的垂线，寻找该条垂线与其他断面轮廓线的所有交点中与该给定点距离最小的交点，确定所述距离最小的交点与相应给定点二者的中点；所有中点依次连接形成该型材的中线；

或者/和，各所述划分为有限元网格的二维图通过以下方法拉伸形成三维网格壳网格模型：沿垂直于横截面的方向，向将所述划分为有限元网格的二维图拉伸预定长度形成壳单元，然后再相接排列N个所述壳单元。

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