CN114186335B - 一种汽车车架优化设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开汽车车架优化设计方法，包括：步骤S1：建立梁单元模型车架和壳单元模型车架，完成前处理，并分别计算基础性能参数的初始值；步骤S2：对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化，确定结构布置和截面尺寸；步骤S3：对梁单元模型车架进行尺寸优化，判断优化后结构是否合理，若否，去除不合理局部区域结构，回到步骤S2，对不合理局部区域重新拓扑优化；步骤S4：建立优化后车架的三维模型，确定制造工艺性是否可行，若否，回到步骤S3；步骤S5：建立优化后壳单元模型车架，进行精细化设计；步骤S6：对壳单元模型车架进行尺寸优化，计算基础性能参数，判断是否满足预设条件，若否，回到步骤S5。本发明提供标准化优化方法，保证优化效果。

Description

一种汽车车架优化设计方法

技术领域

本发明涉及车辆技术领域，具体涉及一种汽车车架优化设计方法。

背景技术

车架需要承载乘客或货物的重量，以及各种运行状态所产生的力和力矩，是汽车其它零部件的附着基础，一般由矩形截面钢管、圆形截面钢管、槽钢、工字钢等工业标准型材焊接而成，有着承载能力强、工艺简单、成本低等优点。

对于车架的优化设计，需要同时考虑刚度、强度和模态等性能要求，在此要求下，目前工程师常用的做法是通过大量的软件操作，包括车架的数据处理、网格划分、结构连接模拟、边界条件、计算、结果后处理、优化方案验算等等，过程繁琐、耗费时间长，且无法完全发挥出车架结构优化的潜能，没有一套规范化、标准化的车架结构轻量化设计流程方法，不利于车架的实际项目开发。

发明内容

本发明的目的是提供一种汽车车架优化设计方法，解决当前车架优化设计过程中缺少标准化、规范化和流程化，造成优化周期长、结果不理想的问题，保证优化效果。

为解决上述技术问题，本发明提供一种汽车车架优化设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立梁单元模型车架和壳单元模型车架，完成前处理，并分别计算所述梁单元模型车架和所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值；

步骤S2：对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，确定所述梁单元模型车架的结构布置和截面尺寸；

步骤S3：对所述梁单元模型车架进行尺寸优化，并采用灵敏度分析方法判断优化后所述梁单元模型车架结构是否合理，若否，去除不合理局部区域结构，回到步骤S2，对不合理局部区域重新进行拓扑优化；

步骤S4：建立优化后车架的三维模型，确定制造工艺性是否可行，若否，则回到步骤S3；

步骤S5：根据步骤S3优化后的车架，建立优化后壳单元模型车架，对优化后壳单元模型车架进行精细化设计；

步骤S6：对所述壳单元模型车架进行尺寸优化，计算优化所述壳单元模型车架的基础性能参数，判断优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数是否满足预设条件，若否，回到步骤S5。

本发明汽车车架优化设计方法，采用将梁单元模型拓扑优化、梁单元模型尺寸优化、灵敏度分析、壳单元模型精细化设计，壳单元模型尺寸优化相结合的方式，首先基于梁单元模型车架确定车架的结构布置和截面尺寸，计算速度快、占用计算机内存小，可以降低硬件设备的要求以及减少优化设计周期；同时，及时评估优化后车架结构是否合理，对不合理地方，可以返回重新设计，保证优化后的车架结构为最佳结构，截面尺寸为最佳尺寸，提高优化效果；其次，在建立壳单元模型车架之前，采用三维建模的方法，分析梁之间的连接关系，对制造工艺可行性进行分析，确保优化后的车架具有良好的制造工艺性；随后，在梁单元模型车架的基础上建立优化后车架的壳单元模型，并对车架进行精细化设计，如通过焊角、局部斜撑、端口封板、内板等结构件来改善车架结构强度，以及提升车架整体刚度性能和模态性能，构件质量小、结构简单、性能提升大，进一步提升车架优化效果；然后对壳单元模型车架进行尺寸优化，保证分析精度较高的情况下，获得更加精确的目标性能和尺寸优化。

综上所述，本发明汽车车架优化设计方法，形成完整的概念设计、尺寸设计和精细化设计流程，在每个阶段都对优化结果进行评估，对不合理地方，可以返回重新设计，保证优化效果，解决当前车架优化设计过程中缺少标准化、规范化和流程化，造成优化周期长、结果不理想的问题，保证优化效果。

可选地，基础性能参数包括质量参数、刚度性能参数、模态性能参数和强度性能参数。

可选地，所述刚度性能参数包括弯曲位移和扭转位移，所述模态性能参数包括一阶扭转频率和一阶弯曲频率，所述强度性能参数包括制动工况最大应力和转向工况最大应力。

可选地，对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，包括如下步骤：

步骤S21：确定所述梁单元模型车架的设计区域，并对各个所述设计区域添加材料；

步骤S22：选取所述梁单元模型车架的第一设计变量、第一约束条件、第一优化目标，并确定各所述基础性能参数的权重系数；

步骤S23：根据所述第一设计变量、所述第一约束条件、所述第一优化目标和所述权重系数对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析；

步骤S24：根据多目标拓扑优化分析结果，对材料密度最高的设计区域去除材料，添加梁结构，并确定其截面尺寸，进行一次多目标拓扑优化的迭代优化；

步骤S25：将剩余设计区域确定为新的设计区域，重复步骤S24，直至各设计区域的材料密度均低于预设值，将剩余设计区域去除。

可选地，所述第一设计变量为设计区域的材料密度；

或，所述第一约束条件为：优化后所述梁单元模型车架的体积为所述梁单元模型车架初始体积的30％；

或，所述第一优化目标为：所述梁单元模型车架的弯曲刚度和扭转刚度最大。

或，所述权重系数通过初始性能归一化方法确定。

可选地，对所述梁单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取所述梁单元模型车架的第二设计变量、第二约束条件、第二优化目标，并根据所述第二设计变量、所述第二约束条件、所述第二优化目标对所述梁单元模型车架进行尺寸优化；

所述第二设计变量为所述截面尺寸，所述第二约束条件为优化后所述梁单元模型车架的基础性能参数不低于初始值，所述第二优化目标为所述梁单元模型车架的质量最小。

可选地，所述截面尺寸包括截面的长度、宽度和厚度。

可选地，建立优化后壳单元模型车架，包括如下步骤：

建立优化后车架的三维模型，确定制造工艺性是否可行，若否，则回到步骤S3。

可选地，所述精细化设计包括：在所述壳单元模型车架中结构强度低于预设强度的区域添加焊角、局部斜撑、端口封板或内板。

可选地，对所述壳单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取所述壳单元模型车架的第三设计变量、第三约束条件、第三优化目标，并根据所述第三设计变量、所述第三约束条件、所述第三优化目标对所述壳单元模型车架进行尺寸优化；

所述第三设计变量为厚度尺寸，所述第三约束条件为优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数不低于所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值，所述第三优化目标为所述壳单元模型车架的质量最小。

可选地，通过相对灵敏度分析判断优化后所述梁单元模型车架结构是否合理。

可选地，所述预设条件为：优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数不低于所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值。

附图说明

图1为本发明所提供汽车车架优化设计方法的流程图；

图2为对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析的流程图。

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为本发明所提供汽车车架优化设计方法的流程图。

本发明提供一种汽车车架优化设计方法，包括如下步骤：

步骤S1：建立梁单元模型车架和壳单元模型车架，完成前处理，并分别计算梁单元模型车架和所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值；

步骤S2：对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，确定梁单元模型车架的结构布置和截面尺寸；

步骤S3：对梁单元模型车架进行尺寸优化，并采用灵敏度分析方法判断优化后梁单元模型车架结构是否合理，若否，去除不合理局部区域结构，回到步骤S2，对不合理局部区域重新进行拓扑优化；

步骤S4：建立优化后车架的三维模型，确定制造工艺性是否可行，若否，则回到步骤S3；

步骤S5：根据步骤S3优化后的车架，建立优化后壳单元模型车架，对优化后壳单元模型车架进行精细化设计；

步骤S6：对壳单元模型车架进行尺寸优化，计算优化后壳单元模型车架的基础性能参数，判断优化后壳单元模型车架的基础性能参数是否满足预设条件，若否，回到步骤S5。

本发明汽车车架优化设计方法，采用将梁单元模型拓扑优化、梁单元模型尺寸优化、灵敏度分析、壳单元模型精细化设计和壳单元模型尺寸优化相结合的方式，首先基于梁单元模型车架确定车架的结构布置和截面尺寸，计算速度快、占用计算机内存小，可以降低硬件设备的要求以及减少优化设计周期；同时，及时评估优化后车架结构是否合理，对不合理地方，可以返回重新设计，保证优化后的车架结构为最佳结构，截面尺寸为最佳尺寸，提高优化效果；其次，在建立壳单元模型车架之前，采用三维建模的方法，分析梁之间的连接关系，对制造工艺可行性进行分析，确保优化后的车架具有良好的制造工艺性；随后，在梁单元模型车架的基础上建立优化后车架的壳单元模型，并对车架进行精细化设计，如通过焊角、局部斜撑、端口封板、内板等结构件来改善车架结构强度，以及提升车架整体刚度性能和模态性能，构件质量小、结构简单、性能提升大，进一步提升车架优化效果；最后，对壳单元模型车架进行尺寸优化，保证分析精度较高的情况下，获得更加精确的目标性能和尺寸优化。

综上所述，本发明汽车车架优化设计方法，形成完整的概念设计、尺寸设计和精细化设计流程，在每个阶段都对优化结果进行评估，对不合理地方，可以返回重新设计，保证优化效果，解决当前车架优化设计过程中缺少标准化、规范化和流程化，造成优化周期长、结果不理想的问题。

其中，可以先建立车架的三维模型，并对车架三维模型进行简化，得出简易的三维线框车架，然后将三维线框车架导入前处理软件，如hyper mesh进行梁单元模型车架的建立及前处理，这里所说的梁单元模型车架即为有限元模型。

梁单元模型车架和壳单元模型车架的基础性能参数主要包括：质量参数、刚度性能参数、模态性能参数和强度性能参数，其中，刚度性能参数包括弯曲位移和扭转位移，模态性能参数包括一阶扭转频率和一阶弯曲频率，强度性能参数包括制动工况最大应力和转向工况最大应力。

请参考图2，图2为对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析的流程图。

本发明步骤S2中，对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，包括如下步骤：

步骤S21：确定梁单元模型车架的设计区域，并对各个设计区域添加材料；

步骤S22：选取梁单元模型车架的第一设计变量、第一约束条件、第一优化目标，并确定各基础性能参数的权重系数；

步骤S23：根据第一设计变量、第一约束条件、第一优化目标和权重系数对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析；

步骤S24：根据多目标拓扑优化分析结果，对材料密度最高的设计区域去除材料，添加梁结构，并确定其截面尺寸，完成一次多目标拓扑优化的迭代优化；

步骤S25：将剩余设计区域确定为新的设计区域，重复步骤S24，直至各设计区域的材料密度均低于预设值，将剩余设计区域去除。

这里所说的预设值，可以自行根据工程实践进行设置。

其中，第一设计变量为：设计区域的材料密度；

第一约束条件为：优化后梁单元模型车架的体积为梁单元模型车架初始体积的30％；

第一优化目标为：梁单元模型车架的弯曲刚度和扭转刚度最大；

权重系数则通过初始性能归一化方法确定，该方法为本领域技术人员熟知的方法，在此不做赘述。

拓扑优化属于概念设计，存在解读误差，如果一次性确定所有设计区域的结构布置，会存在很多不合理地方，因此，本发明优先考虑材料密度最大、结构形状呈现明显的设计区域，确定该区域结构布置及截面尺寸，然后进行剩余区域的拓扑优化，可以降低拓扑优化解读的不确定性，提升结构合理性。

进一步地，本发明步骤S3中，对梁单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取梁单元模型车架的第二设计变量、第二约束条件、第二优化目标，并根据第二设计变量、第二约束条件、第二优化目标对梁单元模型车架进行尺寸优化；

其中，第二设计变量为梁的截面尺寸，由于车架结构主要为矩形截面梁，因此截面尺寸通常为截面的长度、宽度和厚度；第二约束条件为优化后梁单元模型车架的基础性能参数不低于初始值，保证尺寸优化后车架的性能不会下降；第二优化目标为梁单元模型车架的质量最小，使优化后车架满足轻量化要求。

在对梁单元模型车架进行尺寸优化后，需要对梁单元模型车架结构的合理性进行判断，具体地，本发明采用灵敏度分析方法来判断，相对灵敏度指加厚其中一个零部件梁的壁厚使得车架重量增加1％，对车架的自身性能改变的百分比，该比值也可以称为性价比，当拓扑结构性价比远低于参考值时，若无其它必要的作用，则可以判定该结构为不合理结构，将其去除，回到步骤S2，重新对不合理区域进行拓扑优化分析，直至性价比判断为合理。

这里所说的参考值可以通过根据工程经验来确定。

进一步地，由于优化后的车架结构截面尺寸变化过大，可能导致工艺不可实现，因此，可以先在三维设计软件里重新建立优化车架的三维模型，过程中同时确认制造工艺的可行性，若无法满足制造工艺，则回到步骤S3，重新对梁单元模型车架进行尺寸优化，保证优化后车架工艺可实现；然后，再将优化车架三维模型导入hyper mesh软件进行中面抽取，建立优化壳单元模型车架，并完成前处理。

本发明步骤S5中，对壳单元模型车架进行精细化设计包括：在壳单元模型车架中结构强度低于预设强度的区域添加焊角、局部斜撑、端口封板或内板等来改善车架结构强度，以及提升车架整体刚度性能和模态性能，构件质量小、结构简单、性能提升大，进一步提升车架优化效果。

这里所述的预设强度，可以根据工程实践进行确定。

进一步地，本发明步骤S6中，对壳单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取壳单元模型车架的第三设计变量、第三约束条件、第三优化目标，并根据第三设计变量、第三约束条件、第三优化目标对壳单元模型车架进行尺寸优化；

其中，第三设计变量即为厚度尺寸；第三约束条件为优化后壳单元模型车架的基础性能参数不低于壳单元模型车架基础性能参数的初始值，保证尺寸优化后车架的性能不会下降；第三优化目标为壳单元模型车架的质量最小，使优化后车架满足轻量化要求。

此外，在步骤S6中，判断基础性能参数是否满足预设条件，预设条件即为：优化后壳单元模型车架的基础性能参数不低于壳单元模型车架基础性能参数的初始值。

下面以某一具体车架为例，对本发明汽车车架优化设计方法进行详细说明：

第一步：建立车架三维模型，并对车架三维模型进行简化，得出简易的三维线框车架，导入hyper mesh前处理软件进行梁单元模型的建立及前处理，分析梁单元模型车架的基础性能参数，包括弯曲刚度、扭转刚度、一阶弯曲频率、一阶扭转频率，车架的基础性能参数如表1所示。

表1原车架的基础性能

第二步：确定梁单元模型车架的设计区域，本实施例将车架划分为12个设计区域，分别为V1～V12，选取设计区域的材料密度作为第一设计变量，选取第一优化目标为梁单元模型车架的弯曲刚度和扭转刚度最大，选取第一约束条件为优化后梁单元模型车架的体积为梁单元模型车架初始体积的30％，通过初始性能归一化方法确定各基础性能参数的权重系数，添加对称约束，最小成员尺寸为网格大小尺寸的三倍，最大成员尺寸为最小成员尺寸的六倍，设置最大迭代步为60，离散参数为2mm，对梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析。

第三步：根据车架多目标拓扑优化分析的结果，先对材料密度最高、结构形状呈现最明显的设计区域去除其材料并添加结构，完成一次迭代优化，将剩余设计区域确定为新的设计区域，进行新的迭代优化，示例车架共进行了7次迭代优化，优化结果中已无高密度、结构形状呈现明显的设计区域，将剩余设计区域去除，此时车架完成了多目标拓扑优化的迭代优化。

第四步：对梁单元模型车架进行尺寸优化，由于车架结构主要为矩形截面梁，因此选取截面的长度、宽度和厚度作为第二设计变量，选取第二约束条件为优化后梁单元模型车架的基础性能参数不低于初始值，选取第二优化目标为梁单元模型车架的质量最小，变量的上限及下限需要根据制造工艺、造型等情况进行设置，例如，一根截面尺寸为40x50x2梁，其长度变量受到制造工艺的影响，最大尺寸不得超过60，故上限为60，下限则没有制造工艺、造型等相关的影响，故可以取矩形截面的梁的最小规格20，离散参数是避免优化结果无参考价值，长度、宽度的离散参数取值为20～100之间，每次增长值取5，厚度的离散参数取值为1～4之间，每次增长取0.5，完成梁单元模型的尺寸优化。

第五步：采用相对灵敏度判断优化后所述梁单元模型车架结构是否合理，相对灵敏度是加厚其中一个零部件梁的壁厚使得车架重量增加1％，对车架的自身性能改变的百分比，该比值也可以称为性价比，当拓扑结构性价比远低于参考值时，若无其它必要的作用，则可以判定该结构为不合理结构，将其去除，回到第二步，重新拓扑结构，直至拓扑结构的性价比判断为合理。这里所述的参考值可以根据工程经验来定。

第六步：在三维设计软件里重新建立优化后车架的三维模型，同时确认制造工艺的可行性，然后将优化车架三维模型导入hyper mesh进行中面抽取，建立优化后的壳单元模型车架，完成前处理，计算壳单元模型车架基础性能参数的初始值。

第七步：通过添加工程设计中常用的焊角、局部斜撑等结构件对结构强度低于预设强度的地方进行加强。

第八步：对精细化设计后的壳单元模型车架进行尺寸优化，第三设计变量为厚度尺寸，第三约束条件为优化后壳单元模型车架的基础性能参数不低于壳单元模型车架基础性能参数的初始值，第三优化目标为壳单元模型车架的质量最小，厚度的离散参数为1～4之间，每次增长为0.5。

第九步：分析计算优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数，以优化后壳单元模型车架的基础性能参数不低于壳单元模型车架基础性能参数的初始值为条件，对比结果如表2，优化后车架性能满足要求，质量减少10.5％。

表2车架最终优化结果

以上对本发明所提供的一种汽车车架优化设计方法进行了详细介绍，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 (8)

1.一种汽车车架优化设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤S1：建立梁单元模型车架和壳单元模型车架，完成前处理，并分别计算所述梁单元模型车架和所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值；

步骤S2：对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，确定所述梁单元模型车架的结构布置和截面尺寸；

步骤S3：对所述梁单元模型车架进行尺寸优化，并采用灵敏度分析方法判断优化后所述梁单元模型车架结构是否合理，若否，去除不合理局部区域结构，回到步骤S2，对不合理局部区域重新进行拓扑优化；

步骤S4：建立优化后车架的三维模型，确定制造工艺性是否可行，若否，则回到步骤S3；

步骤S5：根据步骤S3优化后的车架，建立优化后壳单元模型车架，对优化后壳单元模型车架进行精细化设计；

步骤S6：对所述壳单元模型车架进行尺寸优化，计算优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数，判断优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数是否满足预设条件，若否，回到步骤S5；

对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析，包括如下步骤：

步骤S21：确定所述梁单元模型车架的设计区域，并对各个所述设计区域添加材料；

步骤S22：选取所述梁单元模型车架的第一设计变量、第一约束条件、第一优化目标，并确定各所述基础性能参数的权重系数；

步骤S23：根据所述第一设计变量、所述第一约束条件、所述第一优化目标和所述权重系数对所述梁单元模型车架进行多目标拓扑优化分析；

步骤S24：根据多目标拓扑优化分析结果，对材料密度最高的设计区域去除材料，添加梁结构，并确定其截面尺寸，进行一次多目标拓扑优化的迭代优化；

步骤S25：将剩余设计区域确定为新的设计区域，重复步骤S22到S24，直至各设计区域的材料密度均低于预设值，将剩余设计区域去除；

所述第一设计变量为设计区域的材料密度；

所述第一约束条件为：优化后所述梁单元模型车架的体积为所述梁单元模型车架初始体积的30％；

所述第一优化目标为：所述梁单元模型车架的弯曲刚度和扭转刚度最大；

所述权重系数通过初始性能归一化方法确定。

2.根据权利要求1所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，基础性能参数包括质量参数、刚度性能参数、模态性能参数和强度性能参数。

3.根据权利要求2所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，所述刚度性能参数包括弯曲位移和扭转位移，所述模态性能参数包括一阶扭转频率和一阶弯曲频率，所述强度性能参数包括制动工况最大应力和转向工况最大应力。

4.根据权利要求1-3任一项所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，对所述梁单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取所述梁单元模型车架的第二设计变量、第二约束条件、第二优化目标，并根据所述第二设计变量、所述第二约束条件、所述第二优化目标对所述梁单元模型车架进行尺寸优化；

所述第二设计变量为所述截面尺寸，所述第二约束条件为优化后所述梁单元模型车架的基础性能参数不低于所述梁单元模型车架基础性能参数的初始值，所述第二优化目标为所述梁单元模型车架的质量最小。

5.根据权利要求1-3任一项所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，所述截面尺寸包括截面的长度、宽度和厚度。

6.根据权利要求1-3任一项所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，所述精细化设计包括：在所述壳单元模型车架中结构强度低于预设强度的区域添加焊角、局部斜撑、端口封板或内板。

7.根据权利要求1-3任一项所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，对所述壳单元模型车架进行尺寸优化，包括如下步骤：

选取所述壳单元模型车架的第三设计变量、第三约束条件、第三优化目标，并根据所述第三设计变量、所述第三约束条件、所述第三优化目标对所述壳单元模型车架进行尺寸优化；

所述第三设计变量为厚度尺寸，所述第三约束条件为优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数不低于所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值，所述第三优化目标为所述壳单元模型车架的质量最小。

8.根据权利要求1-3任一项所述汽车车架优化设计方法，其特征在于，所述预设条件为：优化后所述壳单元模型车架的基础性能参数不低于所述壳单元模型车架基础性能参数的初始值。