CN115169004A - 一种提升白车身动刚度的优化设计方法和系统及介质 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种提升白车身动刚度的优化设计方法和系统及介质，优化方法包括以下步骤：构建白车身的有限元模型；对有限元模型中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线；根据动刚度曲线计算选定安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，进行仿真分析来确认优化区域；对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高选定的安装点的动刚度，形成更新后的有限元模型；在更新后的有限元模型中重新判断选定的安装点是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，继续优化。本发明采用更全面的手段识别优化区域，同时采用更全面的优化方法组合，使得优化过程更高效。
Description
技术领域
本发明涉及汽车技术领域领域，具体涉及一种提升白车身动刚度的优化设计方法和系统及介质。
背景技术
动刚度是物体在动态载荷作用下抵抗变形的能力，白车身设计时通常需要其重要的安装点具有较好的动刚度性能(如减震器安装点、三角臂安装点等)。白车身安装点的动刚度是整车NVH性能(噪声与振动性能)的基础，如果车身安装点的动刚度比较差，整车NVH性能也很难提高。
由于在实物生产出来之后才能进行试验验证，因此在设计阶段采用有限元仿真的方法，计算白车身安装点的动刚度性能并进行后续的优化工作。目前在优化动刚度时，通常是根据动刚度曲线峰值识别对应的模态，然后在该阶模态动画的最大振幅处进行加强。该方法在识别动刚度的加强区域时只参考了模态的最大振幅，并不能完全识别该结构的薄弱处(引起动刚度不足的地方一般有多处)，识别不全会导致动刚度的提升幅度不够；且在后续对薄弱处进行加强时主要依赖于设计工程师的设计经验，依赖设计经验会导致需要反复的设计以及仿真验证。
发明内容
本发明提供了一种提升白车身动刚度的优化设计方法和系统及介质，可以更全面的识别优化区域，同时采用更全面的优化方法组合，使得优化过程更加高效，优化效果更好，解决了以上所述的技术问题。
本发明解决上述技术问题的方案如下：一种提升白车身动刚度的优化设计方法，包括以下步骤：
S1、基于白车身实物结构的几何模型构建白车身的有限元模型；
S2、对所述有限元模型中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线，选定的白车身安装点包括悬置支架安装点、前后减震器安装点、弹簧座安装点、拖曳臂安装点、三角臂安装点、托架安装点等位置；
S3、在有限元模型中，根据动刚度曲线计算选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
计算动刚度值，公式为：
式中，K是某个频率内的平均动刚度，fi是频率值(如要计算50-150Hz范围内平均动刚度值，则起始频率为50Hz，间隔1Hz，fi的值为50Hz、51Hz、52Hz……直至150Hz)，AREAIPI为加速度-频率曲线所围成的面积(50-150Hz范围内)；
S4、在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的选定的白车身安装点的动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
料厚优化通过优化迭代，计算各板件厚度的变化对动刚度的影响。优化结束后输出每个钣金的推荐厚度，根据工程实际的厚度进行取整调整；
形貌优化是将设计区域节点位置设置为变量，然后进行迭代优化，计算这些变量对动刚度的影响。优化迭代完成后通过后处理软件输出这些节点的最优位置，即可得到加强筋的布置位置、大小、高度等；
形状优化是通过对优化区域的零件生成形状变量(零件的长、宽、高、半径等)，进行优化。参数化模型的形状变量可通过参数化软件SFE进行录制形状变量，有限元网格模型可通过前处理软件hypermsh的morph功能进行设置，参数化模型可以录制的形状变量种类更多。采用优化软件isight用实验设计和代理模型的方式进行优化。优化完成后得到各形状变量的最优数值。
S5、在更新后的有限元模型中重新判断选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
优选的，所述S3具体包括以下步骤：
S31、通过分析对引起动刚度曲线峰值贡献最大的模态，用后处理软件读取模态分析结果文件，输出该阶模态下白车身的振型云图和模态应变能云图，通常在图中红色为最大位置，蓝色为最小，振型云图和模态应变能云图的最大位置附近的钣金件即为优化对象；
S32、通过对动刚度不足的安装点进行静刚度分析，用后处理软件读取模态分析结果文件，输出白车身的位移云图和应变能云图，位移云图和应变能云图的最大位置(通常为图中深色区域)附近的钣金件即为优化对象；
S33、通过对白车身有限元模型的所有钣金件进行灵敏度分析，钣金灵敏度是指钣金件厚度发生单位变化导致动刚度的变化程度，灵敏度越高的件说明对动刚度影响越大，筛选出灵敏度在预设范围内的钣金件作为优化对象。
优选的，上述方法还包括：
根据白车身的生产状况，确定优化方法的优先级，具体为：
对于处于已量产或者无法做大范围设计变更的生产状况，优先采用局部加强的方法提高动刚度；
对于处于设计前期，设计空间尚未固化的生产现状，
以提高动刚度为主要目的，优化方法的优先级依次为，局部加强＝拓扑优化>形状优化>料厚优化>形貌优化。
优选的，上述方法还包括：
各优化方法对结构重量增加的程度依次为，局部加强＝拓扑优化>形状优化＝料厚优化>形貌优化，由于在优化动刚度的时会增加整车重量，需保证重量增量最小；
所以根据当前动刚度与目标动刚度差值范围，选择优化手段：
当动刚度值和目标值相差30％以上时，优先采用拓扑优化结合局部加强及形状优化的手段提高动刚度；
当动刚度值和目标值相差20％以下时，优先采用形状优化、料厚优化、形貌优化的手段提供动刚度。形状优化可兼顾性能和重量增量，当设计允许做大范围变更时是优先推荐的方案。
优选的，S31确认的模态振型最大处、模态应变能最大处和S32静刚度位移最大处、静刚度应变能最大处通过局部加强的方法提高动刚度。
优选的，S33中筛选出灵敏度在预设范围内的钣金件通过料厚优化的方法提供动刚度。
优选的，S4中拓扑优化的方法具体包括以下步骤：在有限元模型中，对需要在需要的优化板件区域附近生成实体优化空间，并使优化空间覆盖优化板件，设置接触，设置优化目标和约束条件，通过变密度法优化结构单元，最终得到最优化的拓扑结构形式。
优选的，所述局部加强优化方法包括在优化区域增加加强筋、增加加强片或者阻尼片、增加加强件。
一种提升白车身动刚度的优化系统，它包括有限元模型构建模块、动刚度曲线获取模块、确认优化区域模块、动刚度优化模块、有限元模型再判定模块；
所述有限元模型构建模块用于基于白车身实物结构的几何模型构建白车身有限元模型；
所述动刚度曲线获取模块用于对所述有限元模型的中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线；
所述确认优化区域模块用于在有限元模型中，根据动刚度曲线计算中选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
所述动刚度优化模块用于在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的中选定的白车身安装点动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
所述有限元模型再判定模块用于在更新后的有限元模型中重新中选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述提升白车身动刚度的优化设计方法的步骤。
本发明的有益效果如下：
1、本发明采用通过模态振幅最大、模态应变能最大、静刚度位移最大、静刚度应变能最大、板件料厚灵敏度最高综合识别薄弱处，最大程度的识别能够提升动刚度的钣金件和区域。
2、本发明采用更全面的优化方法组合，能够通过优化算法给出合适的方案供设计人员参考，避免重复的优化工作，使得优化过程更加高效，优化效果更好。有利于提升产品质量，同时可以提升效率，节约设计时间，减少开发周期。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。本发明的具体实施方式由以下实施例及其附图详细给出。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例中提升白车身动刚度的优化设计方法的流程图；
图2为本发明实施例中S2步骤输出的动刚度曲线；
图3为本发明实施例中拓扑优化过程示意图；
图4为本发明实施例中一种提升白车身动刚度系统优化系统的模块图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。
一种提升白车身动刚度的优化设计方法，如图1所示，包括以下步骤：
S1、基于白车身实物结构的几何模型构建白车身的有限元模型，用有限元前处理软件Hypermesh，将白车身的设计数据离散化成有限元网格，用于对白车身的性能仿真和后续的优化。网格平均尺寸8mm，焊点连接采用ACM焊点模拟，焊缝连接采用壳单元模拟，螺栓连接采用刚性单元连接。
S2、对所述有限元模型中选定的白车身安装点(悬置支架安装点、前后减震器安装点、弹簧座安装点、拖曳臂安装点、三角臂安装点、托架安装点等位置)进行动刚度分析，分别对上述安装点三个方向(整车纵向，方向从车头指向车尾；整车宽度方向，方向从左侧指向右侧；竖直方向，方向从下指向上)给予扫频激励，采用结构分析软件optistruct进行动刚度分析，计算完成后用后处理软件Hyperview输出该点的动刚度曲线，如图2所示。
S3、在有限元模型中，根据动刚度曲线计算选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
计算动刚度值，公式为：
式中，K是某个频率内的平均动刚度，fi是频率值(如要计算50-150Hz范围内平均动刚度值，则起始频率为50Hz，间隔1Hz，fi的值为50Hz、51Hz、52Hz……直至150Hz)，AREAIPI为加速度-频率曲线所围成的面积(50-150Hz范围内)
为进一步开展针对性的加强工作和确定优化对象，通过以下手段识别动刚度薄弱处；
S31、采用结构分析软件optistruct软件分析出引起动刚度曲线峰值贡献最大的模态，通过后处理软件输出该阶模态下白车身的振型云图和模态应变能云图，通常在图中红色为最大位置，蓝色为最小，振型云图和模态应变能云图的最大位置附近的钣金件即为优化对象；
S32、通过对各不满足动刚度目标值的安装点方向(包括整车纵向，方向从车头指向车尾；整车宽度方向，方向从左侧指向右侧；竖直方向，方向从下指向上)施加1000N静态载荷，采用结构分析软件optistruct进行静刚度计算，输出白车身的位移云图和应变能云图，位移云图和应变能云图的最大位置(通常在图中深色区域)附近的钣金件即为优化对象；
S33、钣金灵敏度是指钣金件厚度发生单位变化导致动刚度的变化程度，灵敏度越高的件说明对动刚度影响越大，在前处理软件hypermesh中将车身所有板件的厚度录制成变量，采用优化软件optistruct对白车身的所有钣金件进行灵敏度分析，筛选出灵敏度由高至低排序为前二十的钣金件作为优化对象。
S4、在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的选定的白车身安装点的动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
针对S31-S32中分析的模态振型最大处、模态应变能最大处、静刚度位移最大处、静刚度应变能最大处可采取局部加强的方法提高动刚度，具体的加强方法包括在优化区域增加加强筋、增加加强片或者阻尼片、增加加强件。
针对S32筛选出灵敏度由高至低排序为前二十的钣金件可采取料厚优化提高动刚度，具体设置如下：
优化变量：白车身钣金件的厚度；
约束条件：优化点的动刚度大于该点动刚度目标值；目标：白车身重量最小化，设置对称约束；
通过形貌优化可以得到加强筋的具体布置方式，优化设置如下：
优化目标：动刚度达到最大目标值；优化设置：起筋最小宽度20mm、角度60°、高度10mm，设置对称约束；
S31-S33分析识别出的优化区域均适宜采用形状优化提高动刚度，具体设置如下：
优化变量：零件的形状变量，约束条件：优化点的动刚度大于该点动刚度目标值，目标：白车身重量最小化，设置对称约束。
拓扑优化具体包括以下步骤：如图3所示，在有限元模型中，对需要在需要的优化板件区域(图中圆圈处)附近生成实体优化空间(采用六面体网格)，并使优化空间覆盖优化板件，新生成的优化空间与原板件需要有相交的部分，确保新优化出来的传力路径是与原板件有连接关系。优化空间的网格赋予钢材的材料属性，其与白车身网格相交的区域设置接触关系：接触关系采用绑定接触(TIE接触)，接触的对象分别为优化空间的网格和原板件的网格。设置六面体的优化空间为主接触结构，选中该空间的所有单元；设置板件为从接触结构，选中板件的所有节点，通过变密度法优化结构单元，最终得到最优化的拓扑结构形式；具体设置如下：
优化目标：动刚度达到最大目标值；
约束条件：优化区域的体积分数小于0.2；
优化设置：优化最小尺寸20mm，最大尺寸40mm，设置对称约束(左右对称)。
S5、在更新后的有限元模型中重新判断选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
判断白车身的生产状况，确定优化方法的优先级，具体为：
对于处于已量产或者无法做大范围设计变更的生产状况，优先采用局部加强的方法提高动刚度；
对于处于设计前期，设计空间尚未固化的生产现状，
以提高动刚度为主要目的，优化方法的优先级依次为，局部加强＝拓扑优化>形状优化>料厚优化>形貌优化。
根据当前动刚度与目标动刚度差值范围，选择优化手段：
当动刚度值和目标值相差30％以上时，优先采用拓扑优化结合局部加强及形状优化的手段提高动刚度；
当动刚度值和目标值相差20％以下时，优先采用形状优化、料厚优化、形貌优化的手段提供动刚度。
如图4所示，一种提升白车身动刚度的优化系统，它包括有有限元模型构建模块、动刚度曲线获取模块、确认优化区域模块、动刚度优化模块、有限元模型再判定模块；
所述有限元模型构建模块用于基于白车身实物结构的几何模型构建白车身有限元模型；
所述动刚度曲线获取模块用于对所述有限元模型的中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线；
所述确认优化区域模块用于在有限元模型中，根据动刚度曲线计算中选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
所述动刚度优化模块用于在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的中选定的白车身安装点动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
所述有限元模型再判定模块用于在更新后的有限元模型中重新中选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如上述提升白车身动刚度的优化设计方法的步骤。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制；凡本行业的普通技术人员均可按说明书附图所示和以上所述而顺畅地实施本发明；但是,凡熟悉本专业的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，利用以上所揭示的技术内容而做出的些许更动、修饰与演变的等同变化，均为本发明的等效实施例；同时,凡依据本发明的实质技术对以上实施例所作的任何等同变化的更动、修饰与演变等，均仍属于本发明的技术方案的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于白车身实物结构的几何模型构建白车身的有限元模型；
S2、对所述有限元模型中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线；
S3、在有限元模型中，根据动刚度曲线计算选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
S4、在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的选定的白车身安装点的动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
S5、在更新后的有限元模型中重新判断选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
2.根据权利要求1所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，所述S3具体包括以下步骤：
S31、通过分析对引起动刚度曲线峰值贡献最大的模态，用后处理软件读取模态分析结果文件，输出该阶模态下白车身的振型云图和模态应变能云图，振型云图和模态应变能云图的最大位置附近的钣金件即为优化对象；
S32、通过对动刚度不足的安装点进行静刚度分析，用后处理软件读取静刚度分析结果文件，输出白车身的位移云图和应变能云图，位移云图和应变能云图的最大位置附近的钣金件即为优化对象；
S33、通过对白车身有限元模型的所有钣金件进行灵敏度分析，筛选出灵敏度在预设范围内的钣金件作为优化对象。
3.根据权利要求1所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，还包括：
根据白车身的生产状况，确定优化方法的优先级，具体为：
对于处于已量产或者无法做大范围设计变更的生产状况，优先采用局部加强的方法提高动刚度；
对于处于设计前期，设计空间尚未固化的生产现状，
以提高动刚度为主要目的，优化方法的优先级依次为，局部加强＝拓扑优化>形状优化>料厚优化>形貌优化。
4.根据权利要求1所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，还包括：
根据当前白车身安装点动刚度与动刚度目标值差值范围，选择优化手段：
当动刚度值和目标值相差30％以上时，优先采用拓扑优化结合局部加强及形状优化的手段提高动刚度；
当动刚度值和目标值相差20％以下时，优先采用形状优化、料厚优化、形貌优化的手段提供动刚度。
5.根据权利要求2所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，S31确认的模态振型最大处、模态应变能最大处和S32静刚度位移最大处、静刚度应变能最大处通过局部加强的方法提高动刚度。
6.根据权利要求2所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，S33中筛选出灵敏度在预设范围内的钣金件通过料厚优化的方法提高动刚度。
7.根据权利要求1所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，S4中拓扑优化的方法具体包括以下步骤：在有限元模型中，对需要在需要的优化板件区域附近生成实体优化空间，并使优化空间覆盖优化板件，设置优化目标和约束条件，通过变密度法优化结构单元，最终得到最优化的拓扑结构形式。
8.根据权利要求1所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法，其特征在于，所述局部加强优化方法包括在优化区域增加加强筋、增加加强片或者阻尼片、增加加强件。
9.一种提升白车身动刚度的优化系统，其特征在于，它包括有限元模型构建模块、动刚度曲线获取模块、确认优化区域模块、动刚度优化模块、有限元模型再判定模块；
所述有限元模型构建模块用于基于白车身实物结构的几何模型构建白车身有限元模型；
所述动刚度曲线获取模块用于对所述有限元模型的中选定的白车身安装点进行动刚度分析，得到动刚度曲线；
所述确认优化区域模块用于在有限元模型中，根据动刚度曲线计算中选定的白车身安装点动刚度值，分析不满足动刚度目标值的安装点，通过对白车身有限元模型的仿真分析来确认优化区域；
所述动刚度优化模块用于在有限元模型中，通过对白车身优化区域采取局部加强和/或料厚优化和/或形貌优化和/或形状优化和/或拓扑优化提高不满足目标要求的中选定的白车身安装点动刚度，即实现白车身有限元模型的优化，形成更新后的有限元模型；
所述有限元模型再判定模块用于在更新后的有限元模型中重新判断选定的白车身安装点动刚度是否满足动刚度目标值，若满足，结束优化，若不满足，则采用S3的方法分析新的优化区域。
10.一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现如权利要求1～8任一项所述一种提升白车身动刚度的优化设计方法的步骤。
Priority Applications (1)
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| CN116306156A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-06-23 | 小米汽车科技有限公司 | 车身优化方法、装置、存储介质及电子设备 |
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2022
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Cited By (2)
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|---|---|---|---|---|
| CN116306156A (zh) * | 2023-03-28 | 2023-06-23 | 小米汽车科技有限公司 | 车身优化方法、装置、存储介质及电子设备 |
| CN116306156B (zh) * | 2023-03-28 | 2023-09-19 | 小米汽车科技有限公司 | 车身优化方法、装置、存储介质及电子设备 |
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