CN116710920A - 车身的轻量化方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的车身的轻量化方法包括:取得具备由多个要素模型化而得到的车身部件和接合点(121)的车身模型(100)的步骤(S1);针对各车身部件的每个要素求出相对于车身性能的灵敏度的步骤(S3);基于针对每个要素求出的灵敏度,决定车身部件的分割位置及重新一体化的车身部件的步骤(S5);基于该决定,生成将车身部件分割及重新一体化的最佳化分析模型(200)的步骤(S7);设定与车身质量和车身性能相关的最佳化分析条件和载荷/约束条件的步骤(S9);以及在所设定的载荷/约束条件及最佳化分析条件下,进行求出最佳化分析模型中的各车身部件的最佳板厚的板厚的最佳化分析的步骤(S11)。

Description

车身的轻量化方法及装置
技术领域
本发明涉及车身的轻量化(weight reduction)方法及装置,尤其涉及能够针对由汽车等的多个车身部件(automotive part)构成并预先固定对车身部件的分割位置的车身,变更车身部件的分割位置,在保持车身特性的状态下高效且充分地进行车身的轻量化的车身的轻量化方法及装置。
背景技术
近年来,特别是在汽车产业中,起因于环境问题的车身的轻量化正在推进,在车身的设计中CAE(computer aided engineering:计算机辅助工程)分析成为不可或缺的技术。在该CAE分析中,实施刚性分析(stiffness analysis)、碰撞分析(crashworthinessanalysis)及振动分析(vibration analysis)等,大大有助于车身的轻量化和车身性能的提高。
另外,在CAE分析中,不仅进行性能评价,还已知通过使用数理最佳化(mathematical optimization)、尺寸最佳化、形状最佳化(shape optimization)及拓扑最佳化(topology optimization)等最佳化技术来实现各种车身性能的提高、车身的轻量化。作为这样的最佳化技术,例如在专利文献1中公开了一种用于复杂的构造体(structuralbody)的组件的拓扑最佳化的方法。
而且,在专利文献2中公开了一种如下的方法:使用最佳化技术进行针对车身性能的车身部件的灵敏度分析(sensitivity analysis),基于灵敏度分析的结果,明确为了车身的轻量化和车身性能提高而应实施对策的车身部件。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2010-250818号公报
专利文献2:日本特开2020-60820号公报
发明内容
发明所要解决的课题
在专利文献2所公开的方法中,针对预先固定对车身部件的分割位置的车身,将车身部件模型化,通过灵敏度分析计算针对该模型中使用的各要素的车身性能的灵敏度,基于计算出的各要素的灵敏度求出每个车身部件的灵敏度,明确成为实施板厚、材料特性(material property)的变更这样的对策的对象的车身部件。
该方法即使在同一车身部件内存在灵敏度的分布,也针对每个车身部件判断灵敏度的大小,因此会变更被判断为实施对策的车身部件的板厚、材料特性。因此,即使作为被判断为变更板厚等的车身部件,在该车身部件内也存在不应变更板厚等的部位,由于分割位置被固定,因此即使变更车身部件的板厚等,也有时无法高效且充分地提高车身性能。
因此,如果将车身分割为多个车身部件或者将多个车身部件一体化,针对分割或重新一体化的新的车身部件适当地设定板厚、材料特性,则能够在保持车身性能的同时高效且充分地实现车身的轻量化。
作为决定车身部件的分割或一体化的方法,考虑基于由向车身部件施加的载荷(load)产生的应力(stress)、应变(strain)来进行的方法。在该方法中,能够将车身部件中的应力等大的部位与小的部位的边界决定为分割位置,决定为应力等为相同程度的车身部件进行一体化。
然而,在该方法中,即使将车身部件分割或一体化来增加应力等大的车身部件的板厚并减少应力等小的车身部件的板厚,也完全不清楚是否能够在保持车身性能的同时使车身轻量化。
本发明是鉴于上述课题而完成的,其目的在于提供一种能够在保持车车身的性能的同时高效且充分地实现车身的轻量化的车身的轻量化方法及装置。
用于解决课题的手段
本发明的车身的轻量化方法针对具备多个车身部件的车身模型,使计算机进行以下的各步骤来进行所述车身模型的轻量化,所述车身的轻量化方法包括:车身模型取得步骤,取得所述车身模型(automotive body model),所述车身模型具备由多个要素(element)模型化而得到的所述多个车身部件和将该多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点;灵敏度分析步骤,对该车身模型的与车身性能相关的目标条件(objectives)及该车身模型的与体积(volume)相关的制约条件(constraints)和提供给该车身模型的载荷/约束条件或仅载荷条件进行设定,在该载荷/约束条件(loading and constraintcondition)或仅载荷条件(loading condition)及所述制约条件下求出满足所述目标条件的各要素的灵敏度;车身部件分割位置/一体化决定步骤,基于该各要素的灵敏度,决定将所述车身部件分割的位置和/或进行一体化的所述车身部件;板厚的最佳化分析模型生成步骤,将所述车身模型的所述车身部件中的决定了所述分割的位置和/或一体化的所述车身部件分割和/或一体化,生成将所述车身模型中的所述车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型;板厚的最佳化分析条件设定步骤,作为用于进行所述最佳化分析模型中的所述车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件(optimized analysiscondition),设定所述最佳化分析模型的与车身质量(body mass)相关的目标条件和所述最佳化分析模型的与车身性能相关的制约条件,并设定提供给所述最佳化分析模型的载荷/约束条件;以及板厚的最佳化分析步骤,在所述板厚的最佳化分析条件设定步骤中设定的所述载荷/约束条件及所述最佳化分析条件下进行所述板厚的最佳化分析,求出所述最佳化分析模型中的所述各车身部件的最佳板厚。
可以是,在所述灵敏度分析步骤中,在所述制约条件下计算满足所述目标条件的各要素的材料密度(element densities),将该计算出的各要素的材料密度作为该各要素的灵敏度。
可以是,在所述车身模型取得步骤中,针对所取得的所述车身模型,除了所述接合点(joining point)之外,还设定能够将所述部件组件(parts assembly)接合(joining)的全部追加接合点。
本发明的车身的轻量化装置针对具备多个车身部件的车身模型,进行该车身模型的轻量化,所述车身的轻量化装置具备:车身模型取得部,取得所述车身模型,所述车身模型具备由多个要素模型化而得到的所述多个车身部件和将该多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点;灵敏度分析部,对该车身模型的与车身性能相关的目标条件及该车身模型的与体积相关的制约条件和提供给该车身模型的载荷/约束条件或仅载荷条件进行设定,在该载荷/约束条件或仅载荷条件及所述制约条件下求出满足所述目标条件的各要素的灵敏度;车身部件分割位置/一体化决定部,基于该各要素的灵敏度,决定将所述车身部件分割的位置和/或进行一体化的所述车身部件;板厚的最佳化分析模型生成部,将所述车身模型的所述车身部件中的决定了所述分割的位置和/或一体化的所述车身部件分割和/或一体化,生成将所述车身模型中的所述车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型;板厚的最佳化分析条件设定部,作为用于进行所述最佳化分析模型中的所述车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件,设定所述最佳化分析模型的与车身质量相关的目标条件和所述最佳化分析模型的与车身性能相关的制约条件,并设定提供给所述最佳化分析模型的载荷/约束条件;以及板厚的最佳化分析部,在由所述板厚的最佳化分析条件设定部设定的所述载荷/约束条件及所述最佳化分析条件下进行所述板厚的最佳化分析,求出所述最佳化分析模型中的所述各车身部件的最佳板厚。
可以是,所述灵敏度分析部在所述制约条件下计算满足所述目标条件的各要素的材料密度,将该计算出的各要素的材料密度作为该各要素的灵敏度。
可以是,所述车身模型取得部针对所取得的所述车身模型,除了所述接合点之外,还设定能够将所述部件组件接合的全部追加接合点。
发明效果
根据本发明,针对用于车身部件的模型化的每个要素求出相对于车身性能的灵敏度,基于该求出的车身部件中的各要素的灵敏度来决定分割及一体化的车身部件,针对具有通过该决定而分割或重新一体化的车身部件的最佳化分析模型进行板厚的最佳化分析,由此能够为了使车身轻量化而将车身部件分割及一体化,求出各车身部件的最佳的板厚,能够在保持车身性能的同时高效且充分地实现车身的轻量化。
附图说明
图1是本发明的实施方式的车身的轻量化装置的框图(block diagram)。
图2是表示在本发明的实施方式中作为分析对象的车身模型的图。
图3是表示在本发明的实施方式中作为分析对象的车身模型中的接合点和能够接合的全部追加接合点的图((a)接合点、(b)接合点及能够接合的全部追加接合点)。
图4是表示在本发明的实施方式中向车身模型提供的载荷/约束条件的一例的图。
图5是表示在本发明的实施方式中基于车身模型的前侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而计算出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的前侧的侧视图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是将车身部件分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的前侧的侧视图)。
图6是表示在本发明的实施方式中基于车身模型的后侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而计算出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的后侧的俯视图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是将车身部件分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的后侧的俯视图)。
图7是表示在本发明的实施方式中基于车身模型的左侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而求出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的左侧的立体图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是将车身部件分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的左侧的立体图)。
图8是表示在本发明的实施方式中将车身部件分割及一体化而重新生成的最佳化分析模型的一例的图((a)是预先提供的原来的车身模型,(b)是重新生成的最佳化分析模型)。
图9是表示本发明的实施方式的车身的轻量化方法的处理流程的流程图。
图10是表示在本发明的实施方式的其他方式中基于车身模型的前侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而求出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的前侧的侧视图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的前侧的侧视图)。
图11是表示在本发明的实施方式的其他方式中基于车身模型的后侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而求出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的后侧的俯视图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的后侧的俯视图)。
图12是表示在本发明的实施方式的其他方式中基于车身模型的左侧的车身部件的灵敏度分析的结果和通过灵敏度分析作为灵敏度而求出的材料密度来决定车身部件的分割位置及一体化的例子的图((a)是预先提供的原来的车身模型的左侧的立体图,(b)是通过灵敏度分析求出的材料密度,(c)是分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型的左侧的立体图)。
图13是表示在本发明的实施方式的其他方式中将车身部件分割及一体化而生成的最佳化分析模型的一例的图((a)是预先提供的原来的车身模型,(b)是重新生成的最佳化分析模型)。
具体实施方式
在说明本发明的实施方式之前,对本发明中作为对象的车身模型进行说明。
<车身模型>
如图2的一例所示,在本发明中作为对象的车身模型100具备多个车身部件。作为车身部件,可以列举A柱(A-pillar)下部101、A柱上部103、后车顶横梁中央部105、后车顶横梁侧部107、舱室中央部A109、舱室侧部A111、舱室中央部B113、舱室侧部B115、下纵梁外构件(side sill outer)117、轮罩加强件119等车身骨架部件(body frame parts)、悬架部件等底盘部件(suspension part)(未图示)等。并且,这些车身部件由多个壳要素(shellelement)和/或立体要素(solid element)模型化而得到。
而且,在车身模型100中,如图3的(a)的一例所示,将多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点121以规定的间隔设定。需要说明的是,在车身模型100中接合点121的间隔设定为25mm~60mm。
需要说明的是,构成车身模型100的各车身部件的材料特性、要素信息、以及与各部件组件中的接合点121(图2的(a))等相关的信息存储于后述的车身模型文件25(参照图1)。
<轻量化装置>
以下,对进行本发明的实施方式的车身模型的轻量化的轻量化装置的结构进行说明。
本实施方式的轻量化装置1针对具备多个车身部件的车身模型进行该车身模型的轻量化。如图1所示,本实施方式的轻量化装置1由PC(个人计算机)等构成,具有显示装置(display device)3、输入装置(input device)5、存储装置(memory storage)7、作业用数据存储器(working data memory)9及运算处理部(arithmetic processing unit)11。并且,显示装置3、输入装置5、存储装置7及作业用数据存储器9与运算处理部11连接,根据来自运算处理部11的指令执行各个功能。
以下,在将图2及图3所示的车身模型100作为分析对象,基于灵敏度分析的结果将车身部件分割及一体化,求出最佳的板厚的情况下,对本实施方式的轻量化装置1的各结构进行说明。
《显示装置》
显示装置3用于分析结果的显示等,由液晶监视器(LCD monitor)等构成。
《输入装置》
输入装置5用于车身模型文件25的显示指示、操作者的条件输入等,由键盘、鼠标等构成。
《存储装置》
存储装置7用于后述那样的记录了与车身模型相关的各种信息的车身模型文件25这样的各种文件的保存等,由硬盘等构成。
《作业用数据存储器》
作业用数据存储器9用于在运算处理部11中使用的数据的临时保存、运算,由RAM(Random Access Memory:随机存取存储器)等构成。
《运算处理部》
如图1所示,运算处理部11具有车身模型取得部13、灵敏度分析部15、车身部件分割位置/一体化决定部17、板厚的最佳化分析模型生成部19、板厚的最佳化分析条件设定部21及板厚的最佳化分析部23,由PC等的CPU(中央运算处理装置(central processingunit))构成。这些各部分通过CPU执行规定的程序而发挥功能。以下说明运算处理部11中的上述各部分的功能。
(车身模型取得部)
车身模型取得部13取得车身模型100,该车身模型100具备图2及图3的(a)所示那样的由多个要素模型化而得到的车身部件(A柱下部101等)和将多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点121。
在本实施方式中,作为一例,构成车身模型100的各车身部件由壳要素模型化而得到,与构成各车身部件的壳要素、各车身部件的材料特性(杨氏模量(Young's modulus)、比重(specific gravity)、泊松比(Poisson's ratio)等)相关的信息记录于存储在存储装置7中的车身模型文件25(参照图1)。因此,车身模型取得部13通过读取车身模型文件25,能够取得车身模型100。
(灵敏度分析部)
灵敏度分析部15设定车身模型100的与车身性能相关的目标条件及车身模型100的与体积(volume)相关的制约条件、提供给车身模型100的载荷/约束条件或仅载荷条件,在设定的载荷/约束条件或仅载荷条件及制约条件下求出满足目标条件的各车身部件中的各元件的灵敏度。
在本实施方式中,作为由灵敏度分析部15设定的与车身性能相关的目标条件,有车身模型100中的应变能(strain energy)总和的最小化、位移(displacement)的最小化、应力的最小化、刚性的最大化等,根据作为对象的车身性能适当选择这些目标条件即可。
另外,作为由灵敏度分析部15设定的车身模型100的与体积相关的制约条件,有规定车身部件的体积的体积制约率(volume fraction ratio)等。
作为由灵敏度分析部15对车身模型100设定的载荷/约束条件,例如设定图4所例示的载荷/约束条件。图4所示的载荷/约束条件是将车身模型100的左右的前悬架(frontsuspension)安装位置(图中P)作为载荷点,对一方施加铅垂方向向上的载荷,对另一方施加铅垂方向向下的载荷,进一步,约束车身模型100的左右的后副车架(rear subframe)安装位置(图中Q)。
而且,在本实施方式中,灵敏度分析部15可以使用应用了密度法(densimetry)的拓扑最佳化,计算各要素的材料密度作为各车身部件中的各要素的灵敏度。此时算出的各要素的材料密度相当于式(1)所示的密度ρ。
[数学式1]
F=ρKx…(1)
F:载荷向量(load vector)
ρ:标准化(normalization)后的密度
K:刚性矩阵(stiffness matrix)
x:位移向量(displacement vector)
式(1)中的标准化的密度ρ是表示各要素中的材料的填充状态的假想的密度,取0至1的值。即,如果要素的材料密度ρ为1,则表示在要素中完全填充有材料的状态,如果材料密度ρ为0,则表示在要素中未填充材料而完全空洞的状态,如果要素的材料密度为0至1的中间值,则表示该要素处于材料和空洞均不符合的中间状态。
并且,通过拓扑最佳化计算出的材料密度在对车身性能的贡献大的要素中,该要素的材料密度成为接近1的值,表示相对于车身性能的灵敏度高。与此相对,在对车身性能的贡献小的要素中,该要素的材料密度成为接近0的值,表示相对于车身性能的灵敏度低。这样,通过拓扑最佳化计算出的要素的材料密度成为表示各要素相对于车身性能的灵敏度的指标。
在图5的(b)、图6的(b)及图7的(b)中,作为由灵敏度分析部15计算出的要素的灵敏度的一例,示出了针对将目标条件设为刚性的最大化、将制约条件设为体积制约率25%、通过图4所示的载荷/约束条件(对载荷点施加的载荷的绝对值为1000N)对车身模型100施加静态扭转时的各车身部件的要素计算出的材料密度的结果的一例。
在此,图5的(b)是车身模型100的前侧的A柱下部101及A柱上部103的(图5的(a))的侧视图,图6的(b)是车身模型100的后侧(图6的(a))的俯视图,图7的(b)是车身模型100的左侧的下纵梁外构件117及车轮罩加强件119(图7的(a))的立体图。
如图5的(b)、图6的(b)及图7的(b)所示,可知即使在同一车身部件中也存在对于静态扭转的灵敏度高的区域和灵敏度低的区域(例如,图7的(b)所示的下纵梁外构件117),即使是不同的车身部件,也存在作为整体而灵敏度为相同程度的情况(例如,图5的(b)所示的A柱下部101和A柱上部103)。
需要说明的是,灵敏度分析部15也可以通过惯性释放法(inertia reliefmethod),仅设定考虑对车身模型100施加了动态载荷时的惯性力(inertia force)的载荷条件。惯性释放法是指在成为惯性力的坐标的基准的支承点处物体被支承的状态(自由支承状态(free support))下根据作用于恒定加速度运动(constant acceleration motion)中的物体的力来求出应力、应变的分析方法,用于运动中的飞机、船的静态分析(staticanalysis)。
另外,在由灵敏度分析部15计算要素的材料密度时,能够使用进行拓扑最佳化等最佳化分析的分析软件。在该情况下,将构成车身模型100的各车身部件作为设计空间(design space),对构成设定为该设计空间的车身部件的要素提供材料密度作为设计变量(design variable),设定规定的目标条件及制约条件和载荷/约束条件,由此计算出材料密度作为要素的灵敏度。
但是,当在灵敏度分析部15中进行最佳化分析的情况下,也可以应用拓扑最佳化以外的其他最佳化分析方法。
(车身部件分割位置/一体化决定部)
车身部件分割位置/一体化决定部17基于由灵敏度分析部15求出的车身部件中的各要素的灵敏度,根据操作者的指示,决定将车身部件分割的位置和/或进行一体化的车身部件。
在基于灵敏度决定车身部件的分割位置及进行一体化的车身部件时,将灵敏度之差作为指标,根据操作者的指示,在同一车身部件中将灵敏度之差大的位置决定为分割位置,灵敏度之差小的相邻的车身部件被决定为进行一体化即可。
在本实施方式中,将车身部件中灵敏度之差为0.7以上的位置决定为分割位置,如果相邻的车身部件的灵敏度之差为0.3以下,则决定为进行一体化。
图5的(b)、图6的(b)及图7的(b)示出通过灵敏度分析求出的车身模型100的前侧、后侧及左侧的车身部件的材料密度和基于材料密度来决定车身部件的分割位置及进行一体化的车身部件的结果的一例。
在车身模型100的前侧(图5的(a))中,如图5的(b)所示,A柱下部101与A柱上部103的灵敏度(材料密度)之差较小,为0.3以下(图中的虚线椭圆)。因此,车身部件分割位置/一体化决定部17根据操作者的指示,决定为使A柱下部101和A柱上部103一体化。
在车身模型100的后侧(图6的(a))中,如图6的(b)中的虚线椭圆所示,关于后车顶横梁中央部105与后车顶横梁侧部107、舱室中央部A109与舱室侧部A111、以及舱室中央部B113与舱室侧部B115,灵敏度之差均较小,为0.3以下。因此,车身部件分割位置/一体化决定部17根据操作者的指示,决定为使后车顶横梁中央部105与后车顶横梁侧部107、舱室中央部A109与舱室侧部A111、以及舱室中央部B113与舱室侧部B115分别一体化。
在车身模型100的左侧(图7的(a))中,如图7的(b)中的虚线椭圆所示,在比下纵梁外构件117的大致中央靠前方侧和后方侧的位置处,灵敏度之差较大,为0.7以上,下纵梁外构件117的后部与车轮罩加强件119的灵敏度之差较小,为0.3以下。因此,车身部件分割位置/一体化决定部17根据操作者的指示,将下纵梁外构件117中灵敏度之差较大的大致中央决定为分割位置。
需要说明的是,在本实施方式中,将在车身部件中灵敏度之差为0.7以上的位置决定为分割位置,将灵敏度之差为0.3以下的相邻的车身部件决定为进行一体化,但也可以适当选择决定分割位置或一体化的灵敏度之差。
(板厚的最佳化分析模型生成部)
如图8的(a)所示,板厚的最佳化分析模型生成部19将车身模型100的车身部件中的由车身部件分割位置/一体化决定部17决定了分割位置和/或一体化的车身部件分割和/或重新一体化,生成如图8的(b)所示那样的将车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型200。
图5的(c)、图6的(c)及图7的(c)示出最佳化分析模型200的前侧、后侧及左侧的各车身部件。图8的(b)示出最佳化分析模型200的整体图。
在车身模型100的前侧,按照图5的(b)所示的车身部件的一体化的决定,如图5的(c)所示,将A柱下部101和A柱上部103一体化而作为A柱201。
在车身模型100的后侧,按照图6的(b)所示的车身部件的一体化的决定,如图6的(c)所示,使后车顶横梁中央部105和后车顶横梁侧部107一体化而作为后车顶横梁203,使舱室中央部A109和舱室侧部A111一体化而作为舱室A205,使舱室中央部B113和舱室侧部B115一体化而作为舱室B207。
在车身模型100的左侧,按照图7的(b)所示的车身部件的分割位置及一体化的决定,如图7的(c)所示,将下纵梁外构件117的前方侧分割为下纵梁外构件前部209,对于下纵梁外构件117的比分割位置靠后方侧的部分,与车轮罩加强件119一体化而作为下纵梁外构件后部211。需要说明的是,在最佳化分析模型200中,分割后的车身部件保持分割前的车身部件的板厚不变,一体化后的车身部件设为一体化前的车身部件中表面积较大一方的车身部件的板厚。
(板厚的最佳化分析条件设定部)
板厚的最佳化分析条件设定部21设定最佳化分析模型200的与车身质量相关的目标条件和最佳化分析模型200的与车身性能相关的制约条件,并设定提供给最佳化分析模型200的载荷/约束条件,作为用于进行最佳化分析模型200中的车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件。
根据最佳化分析的目标仅设定一个目标条件。在本实施方式中,将车身质量的最小化设定为目标条件。
制约条件是在进行最佳化分析的基础上施加的制约,根据需要设定多个制约条件。在本实施方式中,设定与车身性能相关的制约条件和与车身部件的板厚相关的制约条件。
作为与车身性能相关的制约条件,将最佳化分析模型的刚性设为规定的刚性以上,作为规定的刚性,例如设为进行板厚的最佳化分析之前的原来的车身模型100的刚性即可。需要说明的是,最佳化分析模型200及车身模型100的刚性例如可以将载荷点的位移或应变作为指标。
另外,作为与车身部件的板厚相关的制约条件,板厚不是连续变化的值,而是设定从在车身部件的制造中一般使用的钢板的多个板厚中选择的制约。在本实施方式中,设定从在车身部件的制造中通常使用的钢板的板厚即0.55mm、0.60mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm、0.80mm、0.85mm、0.90mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.3mm、2.6mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、4.0mm中选择的制约条件。
载荷/约束条件是与在板厚的最佳化分析中向最佳化分析模型提供的载荷(位置、大小、方向)和约束位置相关的条件。在本实施方式中,载荷/约束条件将最佳化分析模型200的左右的前悬架安装位置(图4中的P)作为载荷点,对一方施加铅垂方向向上的载荷,对另一方施加铅垂方向向下的载荷,进一步,约束最佳化分析模型200的左右的后副车架安装位置(图4中的Q)。
(板厚的最佳化分析部)
板厚的最佳化分析部23在由板厚的最佳化分析条件设定部21设定的载荷/约束条件及最佳化分析条件下进行板厚的最佳化分析,求出最佳化分析模型200中的各车身部件的最佳板厚。
如上所述,在板厚的最佳化分析中,将最佳化分析模型200的板厚作为设计变量,进而施加与板厚相关的制约条件。因此,通过板厚的最佳化分析部23,从作为制约条件而施加的多个板厚之中求出各车身部件的最佳板厚。
<车身的轻量化方法>
本实施方式的车身的轻量化方法针对具备多个车身部件的车身模型,使计算机进行以下的各步骤,进行车身模型的轻量化。如图9所示,该方法包括车身模型取得步骤S1、灵敏度分析步骤S3、车身部件分割位置/一体化决定步骤S5、板厚的最佳化分析模型生成步骤S7、板厚的最佳化分析条件设定步骤S9及板厚的最佳化分析步骤S11。在本实施方式中,由计算机构成的轻量化装置1(参照图1)执行上述各步骤。以下,对上述各步骤进行说明。
《车身模型取得步骤》
车身模型取得步骤S1是取得具备由多个要素模型化而得到的多个车身部件和将多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点的车身模型的步骤。在本实施方式中,轻量化装置1的车身模型取得部13通过读取车身模型文件25(参照图1),取得如图2及图3的(a)中的一例所示那样的、具备由多个壳要素模型化而得到的多个车身部件(A柱下部101等)和将车身部件作为部件组件进行接合的接合点121的车身模型100。
《灵敏度分析步骤》
灵敏度分析步骤S3是如下步骤:对车身模型100的与车身性能相关的目标条件及车身模型100的与体积相关的制约条件和提供给车身模型100的载荷/约束条件或仅载荷条件进行设定,在设定的载荷/约束条件或仅载荷条件及制约条件下求出满足目标条件的各车身部件中的各元件的灵敏度。在本实施方式中,轻量化装置1的灵敏度分析部15设定目标条件及制约条件和载荷/约束条件,计算各要素的材料密度作为各要素的灵敏度。
在灵敏度分析步骤S3中,也可以进行拓扑最佳化等最佳化分析。在该情况下,将构成车身模型100的车身部件作为设计空间,对构成作为设计空间的车身部件的要素提供材料密度作为设计变量来执行最佳化的分析处理,在所设定的制约条件及载荷/约束条件下针对车身部件中的每个要素计算满足目标条件的材料密度即可。
《车身部件分割位置/一体化决定步骤》
车身部件分割位置/一体化决定步骤S5是基于在灵敏度分析步骤S3中求出的车身部件中的各要素的灵敏度,根据操作者的指示而计算机决定将车身部件分割的位置和/或进行一体化的车身部件的步骤。在本实施方式中,由轻量化装置1的车身部件分割位置/一体化决定部17进行。
《板厚的最佳化分析模型生成步骤》
如图5~图8所示,板厚的最佳化分析模型生成步骤S7是如下步骤:将车身模型100的车身部件中的决定了分割位置和/或一体化的车身部件分割和/或重新一体化,生成将车身模型100中的车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型200。在本实施方式中,由轻量化装置1的板厚的最佳化分析模型生成部19进行。
《板厚的最佳化分析条件设定步骤》
板厚的最佳化分析条件设定步骤S9是如下步骤:作为用于进行最佳化分析模型200中的车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件,设定最佳化分析模型200的与车身质量相关的目标条件和最佳化分析模型200的与车身性能相关的制约条件,设定提供给最佳化分析模型200的载荷/约束条件。在本实施方式中,由轻量化装置1的板厚的最佳化分析条件设定部21进行。
《板厚的最佳化分析步骤》
板厚的最佳化分析步骤S11是如下步骤:在板厚的最佳化分析条件设定步骤S9中设定的最佳化分析条件下进行板厚的最佳化分析,求出最佳化分析模型200中的各车身部件的最佳板厚。在本实施方式中,由轻量化装置1的板厚的最佳化分析部23进行。
以上,根据本实施方式的车身的轻量化方法及装置,针对用于车身部件的模型化的每个要素来求出相对于车身性能的灵敏度,基于该求出的车身部件中的各要素的灵敏度来决定分割及一体化的车身部件,针对具有通过该决定而分割或重新一体化的车身部件的最佳化分析模型,进行将车身性能作为制约条件的板厚的最佳化分析。由此,能够为了使车身轻量化而将车身部件分割及重新一体化,求出各车身部件的最佳板厚,能够在保持车身性能的同时高效且充分地实现车身的轻量化。
需要说明的是,在上述说明中,直接使用设定有接合点121的车身模型100来进行灵敏度分析,决定了车身部件的分割位置及进行一体化的车身部件,但根据对车身模型100设定的接合点121的点数的不同,有时相对于车身性能的灵敏度会产生差异。
因此,作为本实施方式的其他方式,如图3的(b)中的一例所示,也可以针对所取得的车身模型100,除了接合点彼此的间隔为25mm~60mm的接合点121以外,还设定能够将部件组件接合的全部追加接合点151而使接合点密集,使用将多个车身部件模拟为连续接合的结构的车身模型150来进行灵敏度分析。需要说明的是,车身模型150是将能够接合的全部追加接合点151以10mm间隔设定10932点的模型。
图10的(b)、图11的(b)及图12的(b)示出使用在车身模型100设定10932点能够接合的全部追加接合点151的车身模型150来进行灵敏度分析,并决定了车身部件的分割位置及进行一体化的车身部件的情况下的结果。在此,对车身模型150中的各车身部件标注与图2所示的车身模型100中的各车身部件相同的附图标记。并且,图10的(b)是车身模型150中的前侧的A柱下部101及A柱上部103(图10的(a))的侧视图,图11的(b)是车身模型150中的后侧(图11的(a))的俯视图,图12的(b)是车身模型150中的左侧的下纵梁外构件117及车轮罩加强件119(图12的(a))的立体图。另外,对于图10的(b)、图11的(b)及图12的(b)所示的灵敏度,设定了与上述的本实施方式相同的目标条件、制约条件及载荷/约束条件(参照图4)。
在车身模型150的前侧(图10的(a))中,如图10的(b)所示,在与A柱下部101和A柱上部103的边界不同的位置处,灵敏度之差较大,为0.7以上。因此,将灵敏度之差大的位置决定为分割位置,如图10的(c)所示,新分割为A柱下部301和A柱上部303。
在车身模型150的后侧(图11的(a))中,如图11的(b)所示,后车顶横梁中央部105与后车顶横梁侧部107、舱室中央部A109与舱室侧部A111、以及舱室中央部B113与舱室侧部B115的灵敏度之差较小,为0.3以下。
因此,决定为这些灵敏度之差小的车身部件进行一体化,如图11的(c)所示,使后车顶横梁中央部105与后车顶横梁侧部107一体化而作为后车顶横梁305,使舱室中央部A109与舱室侧部A111一体化而作为舱室A307,使舱室中央部B113与舱室侧部B115一体化而作为舱室B309。
在车身模型150的左侧(图12的(a))中,如图12的(b)所示,下纵梁外构件117的灵敏度之差较小,为0.3以下,下纵梁外构件117的后部与车轮罩加强件119的灵敏度之差较大,为0.7以上。而且,A柱下部101与下纵梁外构件117的前部的灵敏度之差较小,为0.3以下。
因此,决定为下纵梁外构件117不分割而与A柱下部101一体化,进一步,下纵梁外构件117与车轮罩加强件119不一体化而保持分割的状态,如图12的(c)所示,下纵梁外构件117与A柱下部101一体化而作为A柱下部301,车轮罩加强件119不与下纵梁外构件117一体化而作为车轮罩加强件311。
图13的(b)表示基于图10的(b)、图11的(b)及图12的(b)所示的灵敏度决定车身部件的分割位置及一体化,并基于该决定将车身部件分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型300的整体图。
需要说明的是,在后述的实施例中说明直接使用设定了作为本实施方式叙述的接合点121的车身模型100的情况和使用进一步设定了作为本实施方式的其他方式叙述的能够接合的全部追加接合点151的车身模型150的情况的作用效果的差异。
另外,本实施方式中的灵敏度分析部15及灵敏度分析步骤S3计算每个要素的材料密度作为各要素的灵敏度。但是,本发明也可以在将车身部件由多个壳要素模型化而得到的情况下,计算满足规定的目标条件及制约条件和载荷/约束条件的各壳要素的板厚,将该计算出的壳要素的板厚作为各要素的灵敏度。
这样,在将在灵敏度分析中求出的各壳要素的板厚作为灵敏度的情况下,板厚大的要素表示相对于车身性能的灵敏度高,板厚小的壳要素表示相对于车身性能的灵敏度小。由此,在灵敏度分析中计算出的要素的板厚能够成为表示各要素相对于车身性能的灵敏度的指标。
而且,在本实施方式中,灵敏度分析部15及灵敏度分析步骤S3设定提供静态载荷(static load)的载荷/约束条件来进行灵敏度分析,但本发明也可以设定与使车身振动的动态载荷(dynamic load)相当的载荷/约束条件。
具体而言,在灵敏度分析之前对车身模型进行频率响应分析(frequencyresponse analysis)等,决定施加向与通过该频率响应分析等求出的车身模型的振动模式(vibration mode)中的变形形态(deformation state)对应的车身模型提供的载荷的位置、方向以及大小。然后,将施加所决定的载荷的位置、方向及大小设定为载荷/约束条件,进行灵敏度分析即可。
实施例
由于进行了验证本发明的车身的轻量化方法及装置的效果的实验,因此以下对该情况进行说明。
在本实施例中,作为发明例,如在上述实施方式中叙述的那样,关于基于通过相对于车身性能的灵敏度分析而针对各车身部件的每个要素求出的灵敏度,将车身部件分割及重新一体化而生成的最佳化分析模型200(图8的(b))及最佳化分析模型300(图12的(b)),进行板厚的最佳化分析,验证了针对将车身部件分割及一体化前的车身模型100的车身轻量化的效果。
在板厚的最佳化分析中,作为载荷/约束条件,如图4所示,将最佳化分析模型200及最佳化分析模型300的左右的前悬架安装位置(图中P)作为载荷点,对一方施加铅垂方向向上的载荷(1000N),对另一方施加铅垂方向向下的载荷(1000N),进一步,约束车身模型100的左右的后副车架安装位置(图中Q)。
而且,作为最佳化分析条件,设定设为车身质量的最小化的目标条件和预先提供的原来的车身模型100的刚性以上、以及从0.55mm、0.60mm、0.65mm、0.70mm、0.75mm、0.80mm、0.85mm、0.90mm、1.0mm、1.2mm、1.4mm、1.6mm、1.8mm、2.0mm、2.3mm、2.6mm、3.2mm、3.4mm、3.6mm、4.0mm中选择用于车身部件的钢板的板厚的制约条件。
另外,在本实施例中,作为比较对象,对于预先提供的原来的车身模型100,也与发明例同样地进行板厚的最佳化分析。在表1中示出基于车身模型100、最佳化分析模型200及最佳化分析模型300的板厚的最佳化分析的轻量化效果。
[表1]
(表1)
在表1中,比较例针对车身模型100进行板厚的最佳化分析,发明例1针对最佳化分析模型200进行板厚的最佳化分析,发明例2针对最佳化分析模型300进行板厚的最佳化分析,关于比较例、发明例1及发明例2,示出板厚的最佳化前的车身质量、板厚的最佳化分析后的车身质量及由板厚的最佳化分析带来的车身质量的轻量化量。而且,关于发明例1及发明例2,示出由车身部件的分割及一体化带来的轻量化量。在此,由车身部件的分割及一体化带来的轻量化量通过以下的式子算出。
(由车身部件的分割及一体化带来的轻量化量)=(发明例1或发明例2中的车身质量的轻量化量)-(比较例中的车身质量的轻量化量)
如表1所示,在比较例、发明例1及发明例2的任一个中,通过板厚的最佳化分析,车身质量大幅减少,在发明例1及发明例2中,通过车身部件的分割及一体化,与比较例相比成为车身质量的轻量化量成为4.85kg及5.56kg的结果。由此可知,通过基于要素相对于车身性能的灵敏度来进行车身部件的分割及重新一体化,能够在维持车身性能的状态下进一步得到车身的轻量化效果。
而且,使用了设定能够接合的全部追加接合点151(图3的(b))并进行车身部件的分割及重新一体化的最佳化分析模型300的发明例2与使用了不设定能够接合的全部追加接合点151而进行车身部件的分割及重新一体化的最佳化分析模型200的发明例1相比,轻量化量成为大13%的结果。因此,在本发明中,示出了优选密集地在车身模型100设定能够接合的全部追加接合点151来进行灵敏度分析,决定车身部件的分割位置及一体化的车身部件,并根据该决定对车身部件进行分割及一体化来进行板厚的最佳化分析。
工业上的可用性
根据本发明,能够提供一种能够在保持车身的性能的同时高效且充分地实现车身的轻量化的车身的轻量化方法及装置。
标号说明
1 轻量化装置
3 显示装置
5 输入装置
7 存储装置
9 作业用数据存储器
11 运算处理部
13 车身模型取得部
15 灵敏度分析部
17 车身部件分割位置/一体化决定部
19 板厚的最佳化分析模型生成部
21 板厚的最佳化分析条件设定部
23 板厚的最佳化分析部
25 车身模型文件
100 车身模型
101 A柱下部
103 A柱上部
105 后车顶横梁中央部
107 后车顶横梁侧部
109 舱室中央部A
111 舱室侧部A
113 舱室中央部B
115 舱室侧部B
117 下纵梁外构件
119 车轮罩加强件
121 接合点
150 车身模型
151 能够接合的全部追加接合点
200 最佳化分析模型
201 A柱
203 后车顶横梁
205 舱室A
207 舱室B
209 下纵梁外构件前部
211 下纵梁外构件后部
300 最佳化分析模型
301 A柱下部
303 A柱上部
305 后车顶横梁
307 舱室A
309 舱室B
311 车轮罩加强件。

Claims (6)

1.一种车身的轻量化方法,针对具备多个车身部件的车身模型,使计算机进行以下的各步骤来进行所述车身模型的轻量化,其中,所述车身的轻量化方法包括:
车身模型取得步骤,取得所述车身模型,所述车身模型具备由多个要素模型化而得到的所述多个车身部件和将该多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点;
灵敏度分析步骤,对该车身模型的与车身性能相关的目标条件及该车身模型的与体积相关的制约条件和提供给该车身模型的载荷/约束条件或仅载荷条件进行设定,在该载荷/约束条或仅载荷条件及所述制约条件下求出满足所述目标条件的各要素的灵敏度;
车身部件分割位置/一体化决定步骤,基于该各要素的灵敏度,决定将所述车身部件分割的位置和/或进行一体化的所述车身部件;
板厚的最佳化分析模型生成步骤,将所述车身模型的所述车身部件中的决定了所述分割的位置和/或一体化的所述车身部件分割和/或一体化,生成将所述车身模型中的所述车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型;
板厚的最佳化分析条件设定步骤,作为用于进行所述最佳化分析模型中的所述车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件,设定所述最佳化分析模型的与车身质量相关的目标条件和所述最佳化分析模型的与车身性能相关的制约条件,并设定提供给所述最佳化分析模型的载荷/约束条件;以及
板厚的最佳化分析步骤,在所述板厚的最佳化分析条件设定步骤中设定的所述载荷/约束条件及所述最佳化分析条件下进行所述板厚的最佳化分析,求出所述最佳化分析模型中的所述各车身部件的最佳板厚。
2.根据权利要求1所述的车身的轻量化方法,
在所述灵敏度分析步骤中,在所述制约条件下计算满足所述目标条件的各要素的材料密度,将该计算出的各要素的材料密度作为该各要素的灵敏度。
3.根据权利要求1或2所述的车身的轻量化方法,
在所述车身模型取得步骤中,针对所取得的所述车身模型,除了所述接合点之外,还设定能够将所述部件组件接合的全部追加接合点。
4.一种车身的轻量化装置,针对具备多个车身部件的车身模型,进行该车身模型的轻量化,其中,所述车身的轻量化装置具备:
车身模型取得部,取得所述车身模型,所述车身模型具备由多个要素模型化而得到的所述多个车身部件和将该多个车身部件作为部件组件进行接合的接合点;
灵敏度分析部,对该车身模型的与车身性能相关的目标条件及该车身模型的与体积相关的制约条件和提供给该车身模型的载荷/约束条件或仅载荷条件进行设定,在该载荷/约束条件或仅载荷条件及所述制约条件下求出满足所述目标条件的各要素的灵敏度;
车身部件分割位置/一体化决定部,基于该各要素的灵敏度,决定将所述车身部件分割的位置和/或进行一体化的所述车身部件;
板厚的最佳化分析模型生成部,将所述车身模型的所述车身部件中的决定了所述分割的位置和/或一体化的所述车身部件分割和/或一体化,生成将所述车身模型中的所述车身部件的板厚作为设计变量的最佳化分析模型;
板厚的最佳化分析条件设定部,作为用于进行所述最佳化分析模型中的所述车身部件的板厚的最佳化分析的最佳化分析条件,设定所述最佳化分析模型的与车身质量相关的目标条件和所述最佳化分析模型的与车身性能相关的制约条件,并设定提供给所述最佳化分析模型的载荷/约束条件;以及
板厚的最佳化分析部,在由所述板厚的最佳化分析条件设定部设定的所述载荷/约束条件及所述最佳化分析条件下进行所述板厚的最佳化分析,求出所述最佳化分析模型中的所述各车身部件的最佳板厚。
5.根据权利要求4所述的车身的轻量化装置,
所述灵敏度分析部在所述制约条件下计算满足所述目标条件的各要素的材料密度,将该计算出的各要素的材料密度作为该各要素的灵敏度。
6.根据权利要求4或5所述的车身的轻量化装置,
所述车身模型取得部针对所取得的所述车身模型,除了所述接合点之外,还设定能够将所述部件组件接合的全部追加接合点。
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