CN115203829A - 一种基于截面系数的纵梁断面优化方法和纵梁 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于截面系数的纵梁断面优化方法和纵梁,包括设计初版纵梁截面,基于各个封闭截面的面积矩确定初版纵梁截面的形心坐标,并以该形心为基准建立新坐标系;基于所述新坐标系确定初版纵梁截面的抗弯截面系数;基于抗弯截面系数确定初版纵梁截面的截面轻量化系数k;根据竞品车截面系数和产品定义确定截面系数限制条件;基于目标函数k确定最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W优化纵梁截面。本发明引入截面轻量化系数的概念,得到最优形状和料厚组合,实现截面优化的目的。
Description
技术领域
本发明属于纵梁断面优化设计技术领域,具体公开了一种基于截面系数的纵梁断面优化方法和纵梁。
背景技术
纵梁断面中料厚和尺寸设计对纵梁整体的扭转和弯曲刚度影响较大,但增大截面会导致重量增加。如何在满足整车弯扭刚度的情况下实现纵梁断面的轻量化设计,是纵梁设计中常常面对的问题。
传统设计方法如图2所示,其通常需要经过断面设计阶段、方案数据设计阶段、整车性能分析阶段。根据性能分析结果再来反复优化断面尺寸和料厚,直到满足性能和轻量化要求。
由于传统方法需要整车性能模拟,反复调整耗时较长,断面设计阶段没有办法充分考虑轻量化设计和性能的平衡。
发明内容
针对现有技术中存在的技术问题,本发明提供了一种基于截面系数的纵梁断面优化方法,通过引入截面轻量化系数的概念,得到最优形状和料厚组合,实现截面优化的目的。
本发明公开了一种基于截面系数的纵梁断面优化方法,包括设计初版纵梁截面,初版纵梁截面由多个封闭截面的组合而成,基于各个封闭截面的面积矩确定初版纵梁截面的形心坐标,并以该形心为基准建立新坐标系;基于所述新坐标系确定初版纵梁截面的抗弯截面系数;基于抗弯截面系数确定初版纵梁截面的截面轻量化系数k,截面轻量化系数k对于截面形状的函数为k=f(t1,t2,H,W),其中t1为内板料厚,t2为外板料厚,H为截面高度,W为截面宽度);根据竞品车截面系数和产品定义确定截面系数限制条件;选择内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W代入目标函数k=f(t1,t2,H,W),当轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)最大,且同时满足截面系数限制条件时,得到最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W;基于最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W优化纵梁截面。
在本发明的一种优选实施方案中,确定初版纵梁截面的形心坐标的方法包括,
其中,A1、A2、A3...为各封闭截面的面积,x1、x2、x3…为各截面形心的X轴坐标,y1、y2、y3…为各截面形心的Y轴坐标
在本发明的一种优选实施方案中,以该形心为基准建立新坐标系,
以新坐标系为基准,断面上所有点X向坐标绝对值的最大值xmax=max{|x-xc|};
以新坐标系为基准,断面上所有点Y向坐标绝对值的最大值ymax=max{|y-yc|}。
在本发明的一种优选实施方案中,抗弯截面系数的获取方法包括,
Ix=∫Ay2dA Iy=∫Ax2dA
Ix为对X轴的惯性矩,Iy为对Y轴的惯性矩,dA为微面积;
σmaxX为对X轴的最大弯曲正应力,σmaxY为对Y轴的最大弯曲正应力;Mx为截面所受对于X轴的弯矩,My为截面所受对于Y轴的弯矩;Wx为对X轴的抗弯截面系数,Wy为对Y轴的抗弯截面系数。
在本发明的一种优选实施方案中,截面轻量化系数k越高,则此形状下的抗弯性能越好,截面轻量化系数k不与实际尺寸大小有关,只与截面形状有关。
Ix=∫Ay2dA Iy=∫Ax2dA
Ix为对X轴的惯性矩,Iy为对Y轴的惯性矩,dA为微面积;
Wx为对X轴的抗弯截面系数,Wy为对Y轴的抗弯截面系数
在本发明的一种优选实施方案中,基于布置限制确定内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W四个参数的取值范围,在取值范围基于排列组合形成多组预设解,将每组预设解代入k=f(t1,t2,H,W)获得改组预设解对应的轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)。
本发明的有益效果是:本发明提出了一套在断面设计阶段(即在设计早期进行轻量化设计优化)对断面尺寸和料厚进行轻量化设计的优化方法,本发明方法基于参考竞品设置抗弯截面系数目标值作为约束,可以在断面设计阶段充分评估断面尺寸对于纵梁性能和重量的影响,同时设置断面尺寸和料厚作为变量,根据轮胎包络、悬置布置可行性确认变量范围,最终在样本中选取截面轻量化系数最高且满足截面系数目标的变量值,即可实现满足弯扭刚度性能的前提下对纵梁进行轻量化设计。
附图说明
图1是本发明一种基于截面系数的纵梁断面优化方法的流程图;
图2现有技术中纵梁断面传统设计方法的流程图;
图3是本发明一种基于截面系数的纵梁断面优化方法的新坐标系示意图;
图4是本发明一种基于截面系数的纵梁断面优化方法的竞品截面断面示意图;
图5是本发明一种基于截面系数的纵梁断面优化方法的所有预设解和最优解表格。
具体实施方式
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式,对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然,所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明的实施例,本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
本发明公开了一种基于截面系数的纵梁断面优化方法,包括设计初版纵梁截面,初版纵梁截面由多个封闭截面的组合而成,基于各个封闭截面的面积矩确定初版纵梁截面的形心坐标,并以该形心为基准建立新坐标系;基于所述新坐标系确定初版纵梁截面的抗弯截面系数;基于抗弯截面系数确定初版纵梁截面的截面轻量化系数k,截面轻量化系数k对于截面形状的函数为k=f(t1,t2,H,W),其中t1为内板料厚,t2为外板料厚,H为截面高度,W为截面宽度);根据竞品车截面系数和产品定义确定截面系数限制条件;选择内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W代入目标函数k=f(t1,t2,H,W),当轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)最大,且同时满足截面系数限制条件时,得到最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W;基于最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W优化纵梁截面。
在本发明的一种优选实施方案中,确定初版纵梁截面的形心坐标的方法包括,
其中,A1、A2、A3...为各封闭截面的面积,x1、x2、x3…为各截面形心的X轴坐标,y1、y2、y3…为各截面形心的Y轴坐标
在本发明的一种优选实施方案中,以该形心为基准建立新坐标系,
以新坐标系为基准,断面上所有点X向坐标绝对值的最大值xmax=max{|x-xc|};
以新坐标系为基准,断面上所有点Y向坐标绝对值的最大值ymax=max{|y-yc|}。
在本发明的一种优选实施方案中,抗弯截面系数的获取方法包括,
Ix=∫Ay2dA Iy=∫Ax2dA
Ix为对X轴的惯性矩,Iy为对Y轴的惯性矩,dA为微面积;
σmaxX为对X轴的最大弯曲正应力,σmaxY为对Y轴的最大弯曲正应力;Mx为截面所受对于X轴的弯矩,My为截面所受对于Y轴的弯矩;Wx为对X轴的抗弯截面系数,Wy为对Y轴的抗弯截面系数。
在本发明的一种优选实施方案中,截面轻量化系数k越高,则此形状下的抗弯性能越好,截面轻量化系数k不与实际尺寸大小有关,只与截面形状有关。
Ix=∫Ay2dA Iy=∫Ax2dA
Ix为对X轴的惯性矩,Iy为对Y轴的惯性矩,dA为微面积;
Wx为对X轴的抗弯截面系数,Wy为对Y轴的抗弯截面系数
在本发明的一种优选实施方案中,基于布置限制确定内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W四个参数的取值范围,在取值范围基于排列组合形成多组预设解,将每组预设解代入k=f(t1,t2,H,W)获得改组预设解对应的轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)。
在本发明的一种优选实施方案中,内板料厚t1、外板料厚t2选择主要是根据各大主机厂企标中的推荐公称厚度,参见下表,
单位为毫米
截面高度H、截面宽度W主要受到布置条件限制,为了节约计算时间,一般选取3个值(最大、最小和中间值)。
在一个实施案例:竞品截面断面测得如图4所示,优化前截面高度H=126mm,根据布置限制,截面高度可在120~126mm范围内选择。宽度80mm,受轮胎包络和蓄电池布置等限制,暂不允许调整。优化前料厚t1=1.6mm t2=1.4mm,可从材料推荐清单中选择:HC420/7801.4、1.5、1.6、1.8(mm)。
综上输入可得优化前:k=f(1.6,1.4,123)=2.3697
根据竞品确定限制条件:
变量设置H=120、123、126,t1/t2=1.4、1.5、1.6、1.8;
代入k=f(t1,t2,H)得到图5表格,获得kmax=f(1.5,1.4,126)=2.4258;
得到最优解t1=1.5mm t2=1.4mm H=126mm。
所属技术领域的人员容易理解,以上仅为本发明的较佳实施例而已,并不以限制本发明,凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种基于截面系数的纵梁断面优化方法,包括设计初版纵梁截面,初版纵梁截面由多个封闭截面的组合而成,其特征在于:基于各个封闭截面的面积矩确定初版纵梁截面的形心坐标,并以该形心为基准建立新坐标系;基于所述新坐标系确定初版纵梁截面的抗弯截面系数;基于抗弯截面系数确定初版纵梁截面的截面轻量化系数k,截面轻量化系数k对于截面形状的函数为k=f(t1,t2,H,W),其中t1为内板料厚,t2为外板料厚,H为截面高度,W为截面宽度);根据竞品车截面系数和产品定义确定截面系数限制条件;选择内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W代入目标函数k=f(t1,t2,H,W),当轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)最大,且同时满足截面系数限制条件时,得到最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W;基于最优的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W优化纵梁截面。
3.根据权利要求1所述的基于截面系数的纵梁断面优化方法,其特征在于:以该形心为基准建立新坐标系,
以新坐标系为基准,断面上所有点X向坐标绝对值的最大值xmax=max{|x-xc|};
以新坐标系为基准,断面上所有点Y向坐标绝对值的最大值ymax=max{|y-yc|}。
8.根据权利要求1所述的基于截面系数的纵梁断面优化方法,其特征在于:基于布置限制确定内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W四个参数的取值范围,在取值范围基于排列组合形成多组预设解,将每组预设解代入k=f(t1,t2,H,W)获得改组预设解对应的轻量化系数k=f(t1,t2,H,W)。
10.一种纵梁,其特征在于:其截面的内板料厚t1、外板料厚t2、截面高度H、截面宽度W根据权利要求1-9所述的基于截面系数的纵梁断面优化方法确定。
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