CN116263839A - 一种基于cae力学直接分析的车身曲面设计方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于CAE力学直接分析的车身曲面设计方法。本发明利用CAE领域中的等几何数值分析法，将车身CAD曲面嵌入CAE分析模型中，使车身曲面可直接进行力学分析仿真，与车身传统数字化设计模式相比，效率更高。本发明提取车身CAD曲面中的一组B样条函数，作为CAE模型中的形函数用于定义车身受力分析时的位移场变量，同时提取车身CAD曲面自身的网格结构用于构建CAE中的整体刚度方程，从而将车身CAD曲面有效嵌入CAE分析模型，使车身曲面设计可绕过耗时费力的有限元网格划分，实现高效率的CAE力学直接分析。通过本发明提出的新技术方案，将对今后的汽车数字化开发技术起到很好的促进作用。
Description
(一)技术领域
本发明涉及汽车外观件工程设计领域，尤指一种基于CAE力学直接分析的车身曲面设计新方法。
(二)背景技术
随着现代社会的快速发展，人们对汽车产品的外观和质量都有了更高要求，数字化技术为汽车生产制造的飞速发展提供了强有力的工具，尤其是计算机辅助设计(CAD)与计算机辅助工程(CAE)技术的广泛应用。但在车身实际设计中，上游的CAD曲面数据无法直接用于下游的CAE分析系统，必须先通过繁琐复杂的有限元网格划分，转换为另一种计算网格模型后才可进行CAE分析仿真，而这一模型转换问题严重影响了车身数字化设计效率，是汽车制造业中目前亟待解决的技术难题之一。本发明利用CAE领域中的等几何数值分析法，有效解决了上述问题，并大幅提升了工程应用中车身曲面的设计效率。
(三)发明内容
针对目前车身设计过程中的CAD曲面无法直接用于CAE力学分析的问题，本发明提出了一种基于CAE力学直接分析的车身曲面设计方法。该方法利用CAE领域中的等几何数值分析法，将车身CAD曲面嵌入CAE分析模型中，使车身曲面可以直接进行力学分析仿真，与车身传统数字化设计模式相比，效率更高。
本发明提出了一种车身曲面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.CAD曲面嵌入CAE模型；
b.曲面网格上的直接分析。
进一步，其特征在于，步骤a：从车身CAD曲面定义中得到一组B样条基函数，作为CAE分析计算中的形函数，用于定义车身在CAE受力分析时的位移场变量，使车身CAD曲面与CAE模型具有统一的数学描述，同时由车身CAD曲面自身网格结构得到一组面片单元用于CAE分析计算，从而将车身CAD曲面有效嵌入到CAE分析模型中。
进一步，其特征在于，步骤b：由步骤a得到的已嵌入CAD曲面的CAE模型，基于车身CAD曲面自身面片网格结构，先构建各个面片单元上的刚度方程，再通过全局装配得到一个整体刚度方程，最后施加边界条件和外力载荷，实现车身CAD曲面上高效的CAE力学直接分析，使车身数字化设计摆脱耗时费力的有限元网格划分的约束。
本发明的基于CAE力学直接分析的车身曲面设计方法具有以下优点：
1、利用CAE领域中的等几何数值分析法，使车身在CAE分析时可采用CAD曲面中已有的B样条函数集，使CAD曲面与CAE模型具有统一的数学描述且相互融合，而不像传统车身CAD/CAE设计模式那样，在CAE分析前必须进行有限元网格划分，因此会导致车身CAD曲面与CAE模型相互独立、彼此分离。
2、利用已嵌入CAD曲面的CAE模型以及CAD曲面自身的面片网格结构，可绕过传统车身CAD/CAE设计模式中繁琐复杂的有限元网格划分，使CAE力学分析可直接在车身CAD曲面上进行，而不再基于另一个复杂的计算网格模型，从而可以更方便快捷地在工程应用中验证车身设计的合理性并提出改进。
(四)附图说明
图1基于CAE力学直接分析的车身曲面设计方法流程图。
图2车顶CAD曲面初始图。
图3车顶CAD曲面应力分析图。
图4车顶CAD曲面有限元网格划分图。
图5车顶CAD曲面设计改进图。
(五)具体实施方式
本发明的基于CAE力学直接分析的车身曲面设计方法包括CAD曲面嵌入CAE模型和曲面网格上的直接分析。
进一步，所述CAD曲面嵌入CAE模型，包括先建立车身CAD曲面方程，如下所示：
式中，P(u，v)表示车身曲面的参数化方程，Bi，j(u，v)表示一组B样条函数，Vi，j表示曲面上的控制顶点；
再利用等几何数值分析法，将车身CAD曲面中的B样条函数作为CAE分析时的形函数，用于定义车身力学分析时CAE模型中的位移场变量，如下所示：
式中，D(u，v)表示车身曲面受力变形时所产生的位移场变量，Bi，j(u，v)表示车身CAD曲面定义中的同一组B样条函数，Xi，j表示在曲面受力变形时每个控制顶点Vi，j所产生的位移向量。
同时，由车身CAD曲面的自身网格结构得到一组面片单元patch1、patch2、patch3......，为接下来的CAE力学分析计算做准备。
进一步，所述曲面网格上的直接分析，包括根据已嵌入车身CAD曲面的CAE模型，构建曲面上各个面片单元的刚度方程[K]e[X]e＝[F]e，然后利用面片单元间的关联信息装配得到一个整体刚度方程[K][X]＝[F]；最后设置边界条件和施加外力载荷，通过计算矩阵方程[X]＝[K]-1[F]得到车身CAE模型中的位移场变量，再利用von-Mises等效应力后处理，直接生成车身CAD曲面上的CAE应力分析图。
如图1所示，本发明的方法在实施中需要CAD曲面嵌入CAE模型和曲面网格上的直接分析这两个步骤。
以车顶曲面数字化设计为例，首先由图2中的车顶CAD曲面定义得到270个B样条函数，利用等几何数值分析法代入车顶CAE模型，用于定义力学分析时的位移场变量，再由图2中车顶CAD曲面自身网格结构得到180个面片单元，将这些面片单元用于CAE中整体刚度方程的创建，此时的车顶CAD曲面已被有效嵌入进CAE模型；在创建完车顶CAE整体刚度方程后，将车顶曲面的四条边界设置为固定，并在曲面上施加一组外力载荷，此时就可通过图1所示的流程图，直接得到图3中车顶曲面上的应力分析图，而不必在CAE力学分析前对车顶CAD曲面进行耗时费力的有限元网格划分，生成图4中的一个由1440个三角片单元所组成的复杂计算网格模型；设计师根据图3中由力学直接分析快速得到的应力分析图，就可对车顶曲面外形进行结构改进，通过添加两条局部加强筋曲面特征，得到图5中所示的车顶设计新方案。
以上示例，仅为说明本发明的技术特征和可实施例，其目的是在于使该领域的技术人员能够了解本发明的内容并具体实施。由此，凡根据本发明的构思作出的变换和修饰，均包含在本发明的权利要求范围内，依专利法提出申请。
Claims (3)
1.一种车身曲面设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
a.CAD曲面嵌入CAE模型；
b.曲面网格上的直接分析。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤a：从车身CAD曲面定义中得到一组B样条基函数，作为CAE分析计算中的形函数，用于定义车身在CAE受力分析时的位移场变量，使车身CAD曲面与CAE模型具有统一的数学描述，同时由车身CAD曲面自身网格结构得到一组面片单元用于CAE分析计算，从而将车身CAD曲面有效嵌入到CAE分析模型中。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤b：由步骤a得到的已嵌入CAD曲面的CAE模型，基于车身CAD曲面自身面片网格结构，先构建各个面片单元上的刚度方程，再通过全局装配得到一个整体刚度方程，最后施加边界条件和外力载荷，实现车身CAD曲面上高效的CAE力学直接分析，使车身数字化设计摆脱耗时费力的有限元网格划分的约束。
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2021
- 2021-12-14 CN CN202111522135.0A patent/CN116263839A/zh active Pending
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