CN113408055B - 一种汽车车架结构优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及汽车结构设计方法技术领域，具体地指一种汽车车架结构优化方法。建立车架初始方案拓扑优化模型，获得初始优化拓扑结果；对初始拓扑优化结果进行识别和验证，完成车架框架设计方案；基于车架框架设计方案，进行车架框架的梁系断面尺寸和位置参数的优化，获得梁系优化拓扑结果；基于梁系优化拓扑结果，对车架的板件料厚进行尺寸优化，获得最终优化拓扑结果；对梁系位置参数进行优化的方法包括：将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型，将优化部模型和非优化部模型连接起来，进行位置参数的优化。本发明在早期阶段确定车架总成架构形式及载荷路径，在设计中期确定车架梁系截面尺寸及位置参数，在设计后期确定板件料厚尺寸。

Description

一种汽车车架结构优化方法

技术领域

本发明涉及汽车结构设计方法技术领域，具体地指一种汽车车架结构优化方法。

背景技术

概念设计阶段在车辆开发尤其是平台开发过程中起着至关重要的作用，此阶段具有产品约束边界少，设计自由度大的特点。对于车架结构的前期设计，一般需要研究大量待选方案,有时甚至需要考虑完全不同的车架构造及载荷路径策略。此阶段设计的优劣将直接对成本控制和性能产生重要的影响。因此，在有限的时间内快速实现设计改型，并对结构、NVH、碰撞安全等多方面性能进行评估，同时有效地提出优化方案，为设计提供方向，是CAE应用于概念阶段需要解决的关键技术。随着国内自主研发能力的增强,如何将CAE技术有效地应用于概念设计阶段,实现仿真分析对设计进行驱动和指导,已逐渐成为一个备受关注的课题。

CAE技术在近年来得到了高速的发展,各种应用软件与仿真分析方法被引入车辆开发与生产的各个环节中,逐步形成设计与分析并行的研发流程。在产品开发阶段,先针对设计方案3D数据进行相关性能仿真分析,根据分析结果，针对不满足项进行设计改进，更新3D数据后进行有限元再建模、再分析，直至满足性能要求，然后进行样件、样车的试制，进行试验验证。该技术方案节约了后期试验验证的成本，有效缩短产品开发周期。

上述方法对车身结构的主要仿真分析多数还局限于验证工作,每轮次性能验证多是在产品3D数据设计完成后进行,对产品的发展与改进意义有限,缺乏对设计的指导作用，至最终满足布置、工艺、性能等要求时，往往历经多轮次的详细数据设计、CAE网格建模及分析，消耗大量的人力、物力，周期仍较长。

为降低产品设计后期性能风险，在汽车平台或车型开发前期，由于整车数据还处于概念阶段，没有详细的3D数据可供CAE进行仿真分析，很多主机厂一般采用基于基础车模型、整车架构布置等建立初版车架空间模型，根据初版车架模型建立用于拓扑优化的实体网格有限元模型，进行拓扑优化，优化完成后，解析优化结果，建立优化方案的3D数据，再进行有限元网格划分和分析验证，实现在合适的位置增加较少的材料来实现性能较大的提升。在车架设计后期，部分车企针对车架各板件料厚进行尺寸优化，以及采用传统的Morph工具进行简单的截面优化，并对最终优化方案进行分析验证。根据解析后的优化结果，建立优化方案的3D数据，验证优化效果，根据优化效果再对优化方案进行调整，再建立3D数据，循环往复，直至得到满足要求的结果为止，工作量仍然较大，时间周期较长。使用传统的网格变形工具进行截面尺寸的优化,在网格变形较大时导致网格质量下降，不能满足相关性能的分析要求。使用其他参数化模型进行优化时优化模型中局部模型的参数，但不能解决未定义参数部分模型跟随参数进行位置随动，而分析需采用整体模型的问题。

发明内容

本发明的目的就是要解决上述背景技术的不足，提供一种汽车车架结构优化方法，本发明通过构建子程序对梁系位置参数进行优化，提高了梁系位置参数优化处理的效率，解决了未定义参数部分模型跟随参数进行位置随动的问题，降低了优化的难度。

本发明的技术方案为：一种汽车车架结构优化方法，建立车架初始方案拓扑优化模型，获得初始优化拓扑结果；对初始拓扑优化结果进行识别和验证，完成车架框架设计方案；基于车架框架设计方案，进行车架框架的梁系断面尺寸和位置参数的优化，获得梁系优化拓扑结果；基于梁系优化拓扑结果，对车架的板件料厚进行尺寸优化，获得最终优化拓扑结果；

所述对梁系位置参数进行优化的方法包括：将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型，将优化部模型和非优化部模型连接起来，对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化。

进一步的所述将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型的方法包括：将车架模型中有主动优化调整需求的部分分割出来形成优化部模型，将剩余的没有主动优化调整需求的部分作为非优化部模型。

进一步的将优化部模型和非优化部模型连接起来的方法包括：通过连接依赖零件部分的一维连接方式将优化部模型和非优化部模型连接起来。

进一步的对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化的方法包括：将优化部模型重新构建为参数化模型并设置所需优化参数，读取优化部模型参数文件，提取识别所需优化参数，驱动参数化模型按照所需优化参数变更优化。

进一步的对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化的方法包括：设置用于调节非优化部模型的非优化部移动参数，将非优化部模型的非优化部移动参数与优化部模型对应的优化部移动参数联立起来，驱动非优化部模型按照设定的非优化部移动参数移动，同时优化部模型根据对应的优化部移动参数一起移动。

进一步的将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型，将优化部模型和非优化部模型连接起来，保存优化部模型、非优化部模型、用于连接优化部模型和非优化部模型的连接文件以及工况加载文件，将以上模型和文件组装起来，进行分析优化。

进一步的所述建立车架初始方案拓扑优化模型，获得初始优化拓扑结果的方法包括：依据车架设计边界，建立车架概念草数据实体网格模型，赋予材料属性，根据预设的扭转刚度、弯曲刚度、模态边界条件，对车架进行拓扑优化，确定优化区域，设置优化变量、优化目标和约束条件，利用多约束设置进行组合工况的优化，将不同工况下需要达到的目标要求转化为约束，将拓扑模型的整体质量分数设置为目标进行优化，获得初始优化拓扑结果。

进一步的对初始拓扑优化结果进行识别和验证，完成车架框架设计方案的方法包括：对初始优化拓扑结果进行解析验证筛选，识别拓扑优化的传力路径，依据参考结构将传力路径转化为实际有效方案，在真实有限元分析工况下进行分析验证有效性，并最终筛选出有效方案完成车架框架设计方案。

进一步的基于车架框架设计方案，进行车架框架的梁系断面尺寸和位置参数的优化的方法包括：基于车架框架设计方案，通过映射关系建立零部件之间的参数化装配关系，根据建立车架初始方案拓扑优化模型时设置的工况，将梁系截面X、Y、Z三向尺寸及位置参数设置为设计变量，并通过外部实体网格，进行梁系端面尺寸和位置参数的优化。

进一步的基于梁系优化拓扑结果，对车架的板件料厚进行尺寸优化，获得最终优化拓扑结果的方法包括：基于梁系优化拓扑结果，根据建立车架初始方案拓扑优化模型时设置的工况，对车架总成每个钣金件料厚进行灵敏度分析及优化，获得最终优化拓扑结果。

本发明提供一种基于参数化车架全流程结构优化方法，在设计早期阶段确定车架总成架构形式及载荷路径，并实现平台化设计，在设计中期确定车架梁系截面尺寸及位置参数，在设计后期确定所有板件料厚尺寸，以最低的成本发挥出最优的性能。

本发明通过构建子程序对位置参数进行优化，避免了在优化局部模型时，模型中未定义参数的部分模型跟随参数进行位置随动的问题，提高了位置参数优化的效率，便于优化操作，具有极大的推广价值。

附图说明

图1：本实施例的优化方法流程示意图。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个等，除非另有明确具体的限定。

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。

如图1所示，本实施例介绍了一种汽车车架结构优化方法，具体的按照以下步骤进行：

第一步：建立车架初始方案拓扑优化模型

依据车架设计边界，建立车架概念方案网格模型，设置构建的车架材料属性，根据预设的扭转刚度、弯曲刚度、模态边界条件，对所述车架进行拓扑优化，确定优化区域，设置优化变量、优化目标和约束条件，可以利用OptiStruct软件的多约束设置进行组合工况的优化，将不同工况下需要达到的目标要求转化为约束，将拓扑模型的整体质量分数设置为目标进行优化，得到初始优化拓扑结果；

以车架扭转刚度、弯曲刚度为例，一方面，将所述概念车架结构扭转刚度、弯曲刚度加载点处的变形量作为所述拓扑优化的性能目标，即加载点或要求区域最大变形量最小(就是性能目标要求刚度最大)，另一方面，将拓扑空间的质量分数小于30％作为优化的约束条件，使所述系统按所要求比例得到关键区域的传力路径；另外，还需设置拓扑优化的离散度参数，目的是为了消除优化结构中的棋盘格现象，对材料的密度值进行控制，使材料密度值向0和1两端聚集，获得更加明确的载荷传递路径和结构材料分布，本实施例的离散度取值为0～3；

第二步：拓扑优化结果快速识别与验证，完成车架框架设计：

根据初始优化拓扑结果，利用基于车架概念方案建立的参数化模型对初始优化拓扑结果快速解析验证筛选，结合参数化模型变更快速，CAD与CAE一体化特点，识别拓扑优化的传力路径，依据工程经验或参考结构将其转化为实际有效方案(这个实际有效方案的意思是能够实际工程应用的方案，就是现有工艺、设备能够正常生产出来，满足制造工艺要求，比如优化出来某个位置需要增加一个梁，但加什么样的梁就要依据以往的经验或者有类似的参考结构，加一个现有生产制造条件下能够生产的梁系结构)，在真实有限元分析工况下进行分析验证有效性，并最终筛选出有效方案落实到车架设计中；

通过对第一步中的定义和设置(指加载边界条件的定义和优化变量、优化目标和约束条件的设置)进行有限元计算即可得到给定空间内最优的材料分布，具体过程为：根据所述性能目标，进行拓扑优化分析和有限元计算，获取所述系统结构上受相关工况影响较大的材料分布情况(本实施例的影响较大指对应结构材料的密度值在大于0.3且小于1范围内的情况)，以受相关工况影响较大的材料分布中单元密度较大的位置作为优化后传力路径的设计区域，由此便可以更有针对性地设计车身框架，对车身模型中的横梁、纵梁及加强板等进行合理的布置，所述受相关性能影响较大的焊缝位置是指对应结构材料的密度值在大于0.3且小于1范围内的位置；这些优化结果通过调整相关参数可直接在参数化模型中实现，并快速转化为有限元数据，进行相关工况的快速验证，将有效方案落实到车架设计中，完成车架的框架设计，获得车架框架设计方案；

第三步：基于车架框架设计方案，进行梁系的断面尺寸及位置参数优化

将第二步中完成的车架框架设计方案更新至基于车架概念方案建立的车架参数化模型，即该模型几何形状有3种类型参数控制：控制点位置、线曲率和断面形状，通过映射关系建立零件之间的参数化装配关系，因为所有参数在逻辑上相互关联，所以每一个参数的改变都会使它周边与之关联的参数发生相应变化；基于此模型，依据第一步中所涉及工况，将各主要梁系(主要指对性能影响较大的纵梁、横梁等梁系)截面X、Y、Z三向尺寸及位置参数设置为设计变量，并针对外部实体网格(是车架主体结构外的部分，通过其与底盘件相连，该部分对车架性能影响较大，优化模型中必须考虑)，通过编写子程序来实现位置参数的优化，获得梁系优化拓扑结果；

编写子程序来实现位置参数优化的方法如下：

将车架参数化模型(含外部实体网格)分割为优化部模型与非优化部模型，分割的方法是将车架参数化模型中有主动优化调整需求的部分分割出来形成优化部模型，将剩余的没有主动优化调整需求的部分作为非优化部模型；

采用rigid等软件利用依赖零件part或set等连接方式将优化部模型和非优化部模型连接起来，将连接方式单独保存为连接文件，利用include文件将优化部模型、非优化部模型、连接文件、扭转刚度/弯曲刚度等加载文件组装起来；

将优化部模型重新构建为优化部参数化模型并设置所需优化参数；

利用hypermesh二次开发脚本编写控制非优化部模型移动的脚本；

利用优化平台软件读取优化部参数化模型参数文件，提取识别优化参数，驱动优化部参数化模型按照参数变更并生成新优化部模型；

利用优化平台isight读取脚本中控制移动的距离并设置参数，同时将非优化部移动参数与相对应(相对应是指零部件有连接关系的，一个零部件移动会对另一个相对应的零部件产生影响)的优化部参数进行联立(如：设置非优化部移动参数值等于设置优化部移动参数值)，驱动非优化部模型按照设定的非优化部移动参数进行移动，优化部参数化模型随之一起按照设置的优化部移动参数值进行移动；

第四步：对车架总成各板件料厚进行尺寸优化

基于梁系优化拓扑结果，为进一步提升相关性能及轻量化，依据第一步中所涉及工况，对车架总成每个钣金件料厚进行灵敏度分析及优化；本实施例采用一种相对灵敏度分析方法，即使用刚度灵敏度与质量灵敏度的比值来识别哪些部件可以减少料厚，哪些部件需要增加料厚，这种方法可以使质量大可减质量的零件不会因较大的直接灵敏度而被忽略，利用相对灵敏度分析可使设计变量的选取获得更高的效率；

得到料厚数据之后，基于梁系优化拓扑结果，即获得最终的优化拓扑结果。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (8)

1.一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：建立车架初始方案拓扑优化模型，获得初始优化拓扑结果；对初始拓扑优化结果进行识别和验证，完成车架框架设计方案；基于车架框架设计方案，进行车架框架的梁系断面尺寸和位置参数的优化，获得梁系优化拓扑结果；基于梁系优化拓扑结果，对车架的板件料厚进行尺寸优化，获得最终优化拓扑结果；

所述对梁系位置参数进行优化的方法包括：将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型，将优化部模型和非优化部模型连接起来，对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化；

将优化部模型和非优化部模型连接起来的方法包括：通过连接依赖零件部分的一维连接方式将优化部模型和非优化部模型连接起来；

采用rigid软件利用依赖零件part或set的连接方式将优化部模型和非优化部模型连接起来，将连接方式单独保存为连接文件；

对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化的方法包括：设置用于调节非优化部模型的非优化部移动参数，将非优化部模型的非优化部移动参数与优化部模型对应的优化部移动参数联立起来，驱动非优化部模型按照设定的非优化部移动参数移动，同时优化部模型根据对应的优化部移动参数一起移动。

2.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：所述将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型的方法包括：将车架模型中有主动优化调整需求的部分分割出来形成优化部模型，将剩余的没有主动优化调整需求的部分作为非优化部模型。

3.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：对优化部模型和非优化部模型进行位置参数的优化的方法包括：将优化部模型重新构建为参数化模型并设置所需优化参数，读取优化部模型参数文件，提取识别所需优化参数，驱动参数化模型按照所需优化参数变更优化。

4.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：将车架模型分割为优化部模型和非优化部模型，将优化部模型和非优化部模型连接起来，保存优化部模型、非优化部模型、用于连接优化部模型和非优化部模型的连接文件以及工况加载文件，将以上模型和文件组装起来，进行分析优化。

5.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：所述建立车架初始方案拓扑优化模型，获得初始优化拓扑结果的方法包括：依据车架设计边界，建立车架概念草数据实体网格模型，赋予材料属性，根据预设的扭转刚度、弯曲刚度、模态边界条件，对车架进行拓扑优化，确定优化区域，设置优化变量、优化目标和约束条件，利用多约束设置进行组合工况的优化，将不同工况下需要达到的目标要求转化为约束，将拓扑模型的整体质量分数设置为目标进行优化，获得初始优化拓扑结果。

6.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：对初始拓扑优化结果进行识别和验证，完成车架框架设计方案的方法包括：对初始优化拓扑结果进行解析验证筛选，识别拓扑优化的传力路径，依据参考结构将传力路径转化为实际有效方案，在真实有限元分析工况下进行分析验证有效性，并最终筛选出有效方案完成车架框架设计方案。

7.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：基于车架框架设计方案，进行车架框架的梁系断面尺寸和位置参数的优化的方法包括：基于车架框架设计方案，通过映射关系建立零部件之间的参数化装配关系，根据建立车架初始方案拓扑优化模型时设置的工况，将梁系截面X、Y、Z三向尺寸及位置参数设置为设计变量，并通过外部实体网格，进行梁系端面尺寸和位置参数的优化。

8.如权利要求1所述的一种汽车车架结构优化方法，其特征在于：基于梁系优化拓扑结果，对车架的板件料厚进行尺寸优化，获得最终优化拓扑结果的方法包括：基于梁系优化拓扑结果，根据建立车架初始方案拓扑优化模型时设置的工况，对车架总成每个钣金件料厚进行灵敏度分析及优化，获得最终优化拓扑结果。

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