CN113468673B - 关联接头形状的断面优化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种关联接头形状的断面优化方法，包括：建立白车身的薄壁梁模型和接头模型；对实际断面进行建模，得到断面模型；根据薄壁梁模型、接头模型和断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系；以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化。本发明的关联接头形状的断面优化方法，在建立薄壁梁模型、接头模型和断面模型后，通过建立断面缩放系数与接头形状变量关联关系，在断面优化中，接头形状随与之相连的断面形状的变化而变化，更加准确地评估、优化结构性能和质量，更加有效地优化断面形状，提高断面优化方案、白车身性能和结构轻量化方案的可靠性。

Description

关联接头形状的断面优化方法

技术领域

本发明涉及汽车技术领域，尤其涉及一种关联接头形状的断面优化方法。

背景技术

针对传统燃油车，国家对乘用车燃料消耗量限值要求不断提高，汽车整车质量降低10％，燃油效率可提高6％-8％。汽车车身约占汽车总质量的30％，空载情况下，约70％的油耗用在车身质量上，因此，汽车企业普遍开展了白车身轻量化设计，从而实现汽车行驶的节能环保要求。而对于电动汽车来说，为了增加整车的续航里程，汽车企业更是加大了对白车身轻量化的设计力度。

无论是针对钢制材料车身，还是铝制材料车身，白车身结构主要是由骨架结构和外覆盖件结构构成。白车身骨架占去了白车身90％以上的质量，是决定白车身性能的关键结构，同时也是具有减重空间的主要结构。白车身骨架结构主要由不同薄壁梁结构焊接而成，薄壁梁结构是由几块钢板通过点焊焊接形成的细长梁结构，不同薄壁梁连接的结构通常称为接头结构，如图1所示。由此可见白车身骨架结构性能、质量主要取决于薄壁梁和接头结构，由材料力学知识可知给定长度的梁结构性能、质量主要取决于梁结构的截面形状。而对于接头结构处于薄壁梁结构的两端，其性能与薄壁梁结构两端的截面形状也是强相关关系。为此，白车身结构设计过程中，断面形状优化是车身设计的重要工作，可以有效实现白车身性能达标，结构质量最小。

目前针对白车身断面形状的优化方法，接头形状保持不变，只是针对薄壁梁中间部分结构的断面形状进行优化，由于接头形状没有发生改变，导致梁和接头连接不连续，断面优化结果不合理。

因此，亟需一种关联接头形状的断面优化方法。

发明内容

本发明的目的是提供一种关联接头形状的断面优化方法，以解决上述现有技术中的问题，能够提高白车身性能、质量分析的准确性和断面优化方案的可靠性。

本发明提供了一种关联接头形状的断面优化方法，其中，包括：

建立白车身的薄壁梁模型和接头模型；

对实际断面进行建模，得到断面模型；

根据所述薄壁梁模型、所述接头模型和所述断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系；

根据断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，对断面进行优化。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述建立白车身的薄壁梁模型和接头模型，具体包括：

采用一维梁单元对白车身的薄壁梁建模，其中，初始梁单元的断面与实际断面一致；

按照接头的实际结构，采用二维面单元对白车身的接头建模，其中，薄壁梁和接头之间采用不可变形的刚性结构连接。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述对实际断面进行建模，具体包括：

采用参数化的方式对实际断面进行建模。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述采用参数化的方式对实际断面进行建模，具体包括：

基于断面局部坐标系0xy，分别确定两个方向的缩放形式，缩放比例分别为sx和sy。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述根据所述薄壁梁模型、所述接头模型和所述断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，具体包括：

根据与接头相连的断面局部坐标系和断面缩放方向，基于二维面单元的接头模型，定义接头结构的可变形区域和接头形状的缩放变量；

定义断面缩放系数sx和sy为独立变量，定义接头形状的缩放变量SX和SY为从属变量，设置接头形状的缩放变量数值强制等于断面缩放系数，SX＝sx，SY＝sy，以建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述根据断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，对断面进行优化，具体包括：

以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，所述以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化，具体包括：

改变断面缩放系数；

根据改变的断面缩放系数，更新接头形状；

分析白车身的性能是否达标，若达标，则优化结束，若不达标，则采用数值优化技术，返回改变断面缩放系数的步骤，直至白车身的性能达标，结束优化过程。

如上所述的关联接头形状的断面优化方法，其中，优选的是，通过以下公式分析白车身的性能是否达标，

其中，sx和sy表示断面缩放系数，sx1和sy1表示接头形状的缩放变量。

本发明提供一种关联接头形状的断面优化方法，在建立薄壁梁模型、接头模型和断面模型后，通过建立断面缩放系数与接头形状变量关联关系，在断面优化过程中实现接头形状变化与断面形状的优化关联，断面形状发生变化，与之相连的接头形状随之改变，能够更加准确地评估、优化结构性能和质量，更加有效地优化断面形状，从而提高断面优化方案、白车身性能以及结构轻量化方案的可靠性。

附图说明

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步描述，其中：

图1为白车身的结构示意图；

图2为本发明提供的关联接头形状的断面优化方法的实施例的流程图；

图3为本发明提供的白车身的薄壁梁模型和接头模型的示意图；

图4为本发明提供的断面模型的示意图；

图5为本发明提供的接头的变形区域和缩放系数的示意图；

图6为本发明提供的接头形状的缩放对比示意图；

图7为优化前后的断面和接头形状的对比示意图。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本公开的各种示例性实施例。对示例性实施例的描述仅仅是说明性的，决不作为对本公开及其应用或使用的任何限制。本公开可以以许多不同的形式实现，不限于这里所述的实施例。提供这些实施例是为了使本公开透彻且完整，并且向本领域技术人员充分表达本公开的范围。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、材料的组分、数字表达式和数值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。

本公开中使用的“第一”、“第二”：以及类似的词语并不表示任何顺序、数量或者重要性，而只是用来区分不同的部分。“包括”或者“包含”等类似的词语意指在该词前的要素涵盖在该词后列举的要素，并不排除也涵盖其他要素的可能。“上”、“下”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也可能相应地改变。

在本公开中，当描述到特定部件位于第一部件和第二部件之间时，在该特定部件与第一部件或第二部件之间可以存在居间部件，也可以不存在居间部件。当描述到特定部件连接其它部件时，该特定部件可以与所述其它部件直接连接而不具有居间部件，也可以不与所述其它部件直接连接而具有居间部件。

本公开使用的所有术语(包括技术术语或者科学术语)与本公开所属领域的普通技术人员理解的含义相同，除非另外特别定义。还应当理解，在诸如通用字典中定义的术语应当被解释为具有与它们在相关技术的上下文中的含义相一致的含义，而不应用理想化或极度形式化的意义来解释，除非这里明确地这样定义。

对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，技术、方法和设备应当被视为说明书的一部分。

现有的断面优化方法，接头形状没有发生改变，梁和接头连接不连续，断面优化结果不合理。发明人通过研究发现，针对白车身的刚度和模态等重要性能，薄壁梁两端的接头性能往往比中间区域具有更大的贡献。而现有的断面优化方法与接头形状无任何关联，无法准确分析断面形状变化后的接头形状变化对白车身的性能和质量的影响，性能分析结果不准确，断面优化结果不可靠。比如薄壁梁结构两端与接头关联的断面形状缩小，实现薄壁梁结构的整体断面变小，质量降低，白车身性能没有影响，但是两端断面形状缩小实际会造成两端接头形状和性能也会随之变小，实际的白车身性能可能会明显降低，因此，实际断面优化方案不可行。

为了更加准确地优化断面形状，本发明提出了一种关联接头形状的断面优化方法。如图2所示，本实施例提供的关联接头形状的断面优化方法在实际执行过程中，具体包括如下步骤：

步骤S1、建立白车身的薄壁梁模型和接头模型。

在本发明的关联接头形状的断面优化方法的一种实施方式中，所述步骤S1具体可以包括：

步骤S11、采用一维梁单元对白车身的薄壁梁建模，其中，初始梁单元的断面与实际断面一致。

步骤S12、按照接头的实际结构，采用二维面单元对白车身的接头建模，其中，薄壁梁和接头之间采用不可变形的刚性结构连接。

图3所示为白车身的局部的薄壁梁模型和接头模型，薄壁梁采用一维梁单元建模，这样能够反映真实断面形状，断面形状便于参数化，计算效率大大提高。接头按照实际结构采用二维面单元建模，薄壁梁和接头之间采用不可变形的刚性结构连接。

步骤S2、对实际断面进行建模，得到断面模型。

在本发明的一种实施方式中，采用参数化的方式对实际断面进行建模。具体而言，基于断面局部坐标系0xy，分别确定两个方向的缩放形式，缩放比例分别为sx和sy。

在具体实现中，可以根据性能优化需要确定缩放形式，对性能贡献大的端面会被放大，对性能影响小的断面会被缩小，本发明对具体的缩放形式不作限定。

本发明基于实际断面形状采用参数化的方式进行建模，基于断面局部坐标系0xy，针对断面总体尺寸，以断面局部坐标系原点为基准，沿x、y两个方向确定断面总体可以在这两个方向进行缩放，缩放系数分别为sx和sy，得到的断面模型如图4所示。

步骤S3、根据所述薄壁梁模型、所述接头模型和所述断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系。

在本发明的关联接头形状的断面优化方法的一种实施方式中，所述步骤S3具体可以包括：

步骤S31、根据与接头相连的断面局部坐标系和断面缩放方向，基于二维面单元的接头模型，定义接头结构的可变形区域和接头形状的缩放变量。

根据接头相连断面缩放可能涉及的接头结构，确定接头的可变形区域。针对可变形区域，基于相连断面的局部坐标系和缩放系数确定接头形状缩放方向和系数SX、SY，接头形状缩放方向保持与相连断面的缩放方向一致，如图5所示。基于接头左侧关联断面，接头形状缩放系数SX、SY对比如图6所示。接头左右关联断面相同，定义同一个SX和同一个SY即可，针对接头其它分支不同的关联断面采用相同的方法处理即可，本发明对此不再赘述。

步骤S32、定义断面缩放系数sx和sy为独立变量，定义接头形状的缩放变量SX和SY为从属变量，设置接头形状的缩放变量数值强制等于断面缩放系数，SX＝sx，SY＝sy，以建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系。

通过定义接头形状缩放系数强制等于断面缩放系数，可以实现接头形状与断面形状的同步变化。

步骤S4、根据断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，对断面进行优化。

具体地，以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化。

在本发明的关联接头形状的断面优化方法的一种实施方式中，所述步骤S4具体可以包括：

步骤S41、改变断面缩放系数。

步骤S42、根据改变的断面缩放系数，更新接头形状。

步骤S43、分析白车身的性能是否达标，若达标，则优化结束，若不达标，则采用数值优化技术，返回改变断面缩放系数的步骤，直至白车身的性能达标，结束优化过程。

针对图5所示的左右关联断面的缩放系数sx、sy，上部断面缩放系数sx1、sy1，类推到白车身的其它关联断面系数sxi、syi。结合数值优化算法，通过不断调整参数sx、sy、sx1、sy1，得到sx、sy、sx1、sy1分别为1.2，0.95，0.8和0.8，断面形状优化后实现原有模型刚度性能不变，质量降低了1kg，减重6％，优化前后结构对比如图7所示。采用现有的断面优化方法，接头形状没有发生改变，梁和接头连接不连续，结果不合理。采用本发明的断面方法，梁和接头连接连续，接头形状随之变化，结果合理，准确。

在本发明的一些实现方式中，通过以下公式分析白车身的性能是否达标，

其中，sx和sy表示断面缩放系数，sx1和sy1表示接头形状的缩放变量。数值优化算法根据设计变量对目标和约束的梯度，自动改变设计变量的数值，进行大量的计算，得到sx、sy、sx1、sy1一组变量的最优组合，使得满足约束条件下的目标最小，即刚度满足要求，质量最小，从而确保性能满足要求，实现结构减重。

本发明实施例提供的关联接头形状的断面优化方法，在建立薄壁梁模型、接头模型和断面模型后，通过建立断面缩放系数与接头形状变量关联关系，在断面优化过程中实现接头形状变化与断面形状的优化关联，断面形状发生变化，与之相连的接头形状随之改变，能够更加准确地评估、优化结构性能和质量，更加有效地优化断面形状，从而提高断面优化方案、白车身性能以及结构轻量化方案的可靠性；薄壁梁断面采用参数化的方式进行建模，断面总体尺寸或是局部尺寸可以在断面局部坐标系内任意缩放，接头采用实际的方案进行详细模型建模，建立接头详细模型的形状缩放变量，在此基础上建立断面缩放系数与接头形状变量关联关系。

至此，已经详细描述了本公开的各实施例。为了避免遮蔽本公开的构思，没有描述本领域所公知的一些细节。本领域技术人员根据上面的描述，完全可以明白如何实施这里公开的技术方案。

虽然已经通过示例对本公开的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本公开的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本公开的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改或者对部分技术特征进行等同替换。本公开的范围由所附权利要求来限定。

Claims (5)

1.一种关联接头形状的断面优化方法，其特征在于，包括：

建立白车身的薄壁梁模型和接头模型；

对实际断面进行建模，得到断面模型；

根据所述薄壁梁模型、所述接头模型和所述断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系；

根据断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，对断面进行优化，

所述对实际断面进行建模，具体包括：采用参数化的方式对实际断面进行建模所述采用参数化的方式对实际断面进行建模，具体包括：

基于断面局部坐标系0xy，分别确定两个方向的缩放形式，断面缩放系数分别为sx和sy，

所述根据所述薄壁梁模型、所述接头模型和所述断面模型，建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，具体包括：

根据与接头相连的断面局部坐标系和断面缩放方向，基于二维面单元的接头模型，定义接头结构的可变形区域和接头形状的缩放变量；

定义断面缩放系数sx和sy为独立变量，定义接头形状的缩放变量SX和SY为从属变量，设置接头形状的缩放变量数值强制等于断面缩放系数，SX＝sx，SY＝sy，以建立断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系。

2.根据权利要求1所述的关联接头形状的断面优化方法，其特征在于，所述建立白车身的薄壁梁模型和接头模型，具体包括：

采用一维梁单元对白车身的薄壁梁建模，其中，初始梁单元的断面与实际断面一致；

按照接头的实际结构，采用二维面单元对白车身的接头建模，其中，薄壁梁和接头之间采用不可变形的刚性结构连接。

3.根据权利要求1所述的关联接头形状的断面优化方法，其特征在于，所述根据断面缩放系数与接头形状的缩放变量之间的关联关系，对断面进行优化，具体包括：

以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化。

4.根据权利要求3所述的关联接头形状的断面优化方法，其特征在于，所述以断面缩放系数为优化变量，以白车身性能为优化约束条件，以白车身整体质量最小为优化目标，对断面进行优化，具体包括：

改变断面缩放系数；

根据改变的断面缩放系数，更新接头形状；

分析白车身的性能是否达标，若达标，则优化结束，若不达标，则采用数值优化技术，返回改变断面缩放系数的步骤，直至白车身的性能达标，结束优化过程。

5.根据权利要求4所述的关联接头形状的断面优化方法，其特征在于，通过以下公式分析白车身的性能是否达标，

其中，sx和sy表示断面缩放系数，sx1和sy1表示接头形状的缩放变量。