CN117272513A - 一种车身框架概念模型的设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种车身框架概念模型的设计方法，涉及车身框架概念模型设计领域，采用的方案是：利用标杆车身框架有限元模型获取拓扑空间模型，对拓扑空间模型进行拓扑优化，得到最优传力路径，对传力路径解读得到主要传力路径；获取标杆车身框架有限元模型中多处局部的关键截面，将异型截面的关键截面等效为BOX矩形截面，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束计算相应BOX矩形截面的截面尺寸；结合载荷主要传力路径与多个BOX矩形截面的截面尺寸获得车身框架的参数模型，将参数模型进行尺寸优化，获得多个BOX矩形截面的优化截面尺寸，将优化截面尺寸更新到参数模型中，创建车身框架的概念模型。本发明能够提升车身框架设计的效率。
Description
技术领域
本发明涉及车身框架概念模型设计领域，尤其涉及一种车身框架概念模型的设计方法。
背景技术
车身作为车型开发的重要零部件，在整车开发中的资源占比较大，开发周期较长，车身框架搭建不合理会造成开发周期延长，投入资源浪费，实际在车身开发中，在标杆车身上改型的车身开发项目往往更多，汽车车身结构的静态扭矩、弯曲刚度和碰撞安全性能等是汽车车身设计需要考虑的基本性能，综合考虑各种载荷工况，以实现汽车车身框架载荷传递路径的合理设计，是汽车车身设计领域的难点和痛点；车身框架概念模型的设计方法通常采用“对标车参考－初版结构数模－结构改进”的设计思路，但是由于目标车与对标车存在底盘、动力总成和造型等诸多方面的差异，导致基于工程师以往的设计经验和对标设计得到的目标车的车身结构往往存在局部甚至全局的缺陷，从而导致难以做到合理设计，进而导致后期仍需做大量的车身结构优化工作，影响了车身框架的设计精度和设计效率。
现有技术中，为了解决后续需要大量优化工作的技术问题，在汽车车身设计阶段，根据对标车的车身框架的包络几何模型建立车身框架的有限元模型，建立车身框架的拓扑优化分析模型；通过对车身框架的拓扑优化分析模型进行迭代求解，以获取车身框架的最优载荷传递路径，并根据车身框架的最优载荷传递路径创建车身的概念模型，以实现对车身框架的后期优化提供有效地指导，从而避免了由于基于工程师以往的设计经验和对标设计而导致得到的目标车的车身结构存在局部甚至全局的缺陷，进而提高了汽车的车身框架的设计精度和设计效率。
但采用以上技术方案时，由于车身框架截面多为异形截面，几何参数复杂，数量众多，对车身框架进行后期优化时，对所有异形截面进行优化需要耗费大量的时间和资源，仍然造成车身框架设计效率较低的问题。
发明内容
为了解决上述现有技术中的车身框架设计效率较低问题，本发明提供了一种车身框架概念模型的设计方法，能够提升车身框架设计效率。
为解决上述技术问题，本发明提供了一种车身框架概念模型的设计方法，包括以下步骤：利用标杆车身框架有限元模型获取拓扑空间模型，对拓扑空间模型进行拓扑优化，经过拓扑优化分析得到最优传力路径，对传力路径解读得到主要传力路径；获取标杆车身框架有限元模型中多处局部的关键截面，将异型截面的关键截面等效为BOX矩形截面，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束计算相应BOX矩形截面的截面尺寸；结合载荷主要传力路径与多个BOX矩形截面的截面尺寸获得车身框架的参数模型，将参数模型进行尺寸优化，获得多个BOX矩形截面的优化截面尺寸，将优化截面尺寸更新到参数模型中，创建车身框架的概念模型。通过使用等效的BOX矩形截面对关键截面进行设计优化，方便模型搭建提高分析效率，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束进行计算能够使得等效后的BOX矩形截面保证车身性能与原关键截面的情况下相接近，同时结合车身框架的主要传力路径能够避免车身结构存在局部甚至全局的缺陷，进而提高了汽车的车身框架的设计精度和设计效率。
进一步的，在进行拓扑优化前，对标杆车身框架有限元模型进行校核，获得多种性能指标的上限值和下限值，再选取约束条件进行拓扑优化。通过事先进行校核能找到准确的性能指标上下限，提升优化设计的准确度。
进一步的，在进行拓扑优化时，约束条件为对车身影响较大的关键性能指标校核的上限值或下限值。由于车身性能指标众多，但对车身结构影响程度并不相同，以影响较大的性能指标作为约束条件能够极大提高优化效率。
进一步的，在获取拓扑空间模型时，基于对标杆车身框架有限元模型，去除玻璃及前轮罩，包络标杆车身框架，并根据目标车身框架的可用空间要求，补全可用空间。
进一步的，局部的关键截面为封闭截面。通过使用封闭截面能够准确获得等效BOX矩形截面的截面尺寸。
进一步的，BOX矩形截面的面积A’=DIM1*DIM2-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)≥A；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM1*DIM2*DIM2*DIM2/12-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)/12≥/>；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM2*DIM1*DIM1*DIM1/12-(DIM2-2*DIM3)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)/12≥/>；
BOX矩形截面的抗扭系数J’=2*DIM4*DIM3*(DIM1-DIM4)*(DIM1-DIM4)*(DIM2-DIM3)*(DIM2-DIM3)/(DIM1*DIM4+DIM2*DIM3-DIM3*DIM3-DIM4*DIM4) ≥J ；
其中，DIM1、DIM2、DIM3、DIM4为BOX矩形截面的截面尺寸，A、、/>、J分别为关键截面的截面面积、主惯性矩一、主惯性矩二和抗扭系数，A、/>、/>、J事先进行计算。通过将等效的BOX矩形截面的截面积、两个主惯性矩以及抗扭系数均在大于关键截面相应的数值下计算，能够使计算得到的截面尺寸不对车身性能产生弱化影响。
进一步的，根据BOX矩形截面的截面尺寸的计算结果，选取合适的截面尺寸与目标车身的一次参数模型相结合，该组截面尺寸使BOX矩形截面形状最接近标杆车身截面轮廓。通过选取与标杆车身截面轮廓较为接近的截面尺寸能够减少对车身模型中其他未选取截面处的结构的改变，提升数据处理效率。
进一步的，进行尺寸优化时，以质量最小为目标，约束条件与拓扑优化的约束条件相同。
进一步的，将尺寸优化前后的参数模型显示到同一模型中，并使用不用颜色标记优化前后的模型。通过在同一模型中显示优化前后的模型，能够直观看到尺寸变化情况，更加方便准确的指导新车的设计。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明提供了一种车身框架概念模型的设计方法，通过使用等效的BOX矩形截面对关键截面进行设计优化，方便模型搭建提高分析效率，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束进行计算能够使得等效后的BOX矩形截面保证车身性能与原关键截面的情况下相接近，同时结合车身框架的主要传力路径能够避免车身结构存在局部甚至全局的缺陷，进而提高了汽车的车身框架的设计精度和设计效率；通过事先进行校核能找到准确的性能指标上下限，提升优化设计的准确度；以影响较大的性能指标作为约束条件能够极大提高优化效率；通过使用封闭截面能够准确获得等效BOX矩形截面的截面尺寸；通过将等效的BOX矩形截面的截面积、两个主惯性矩以及抗扭系数均在大于关键截面相应的数值下计算，能够使计算得到的截面尺寸不对车身性能产生弱化影响；通过选取与标杆车身截面轮廓较为接近的截面尺寸能够减少对车身模型中其他未选取截面处的结构的改变，提升数据处理效率；通过在同一模型中显示优化前后的模型，能够直观看到尺寸变化情况，更加方便准确的指导新车的设计。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明具体实施方式的流程图。
图2为本发明具体实施方式中BOX矩形截面的示意图。
图3为本发明具体实施方式中的拓扑空间模型图。
图4为本发明具体实施方式中的拓扑优化传力路径图。
图5为本发明具体实施方式中的参数模型图。
具体实施方式
为使得本发明的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本具体实施例中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，下面所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而非全部的实施例。基于本专利中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本专利保护的范围。
如图1至图5所示，本具体实施方式提供了一种车身框架概念模型的设计方法，包括以下步骤：利用标杆车身框架有限元模型获取拓扑空间模型，对拓扑空间模型进行拓扑优化，经过拓扑优化迭代计算得到最优传力路径，对传力路径解读，忽略载荷细小的传力路径，获取主要传力路径，通过传力路径知道概念模型的设置；获取对标车有限元模型中多处局部的关键截面，选取的关键截面为封闭截面，可以选取关键截面的位置为封闭结构的梁处以及封闭型腔处，关键截面的形状为矩形截面和异型截面，在本具体实施方式中，关键截面的数量为十六处，可以根据结构的细化程度选取更多数量的关键截面，其中，将多个截面为异型的关键截面分别等效为BOX矩形截面，以对应的关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束计算相应BOX矩形截面的截面尺寸，截面尺寸指导概念模型中梁的尺寸设置；结合载荷主要传力路径与多个BOX矩形截面的截面尺寸获得参数模型，在本具体实施方式中，参数模型为1D参数模型；将参数模型进行尺寸优化，获得多个BOX矩形截面的优化截面尺寸，将优化截面尺寸更新到参数模型，创建车身框架的概念模型。通过使用等效的BOX矩形截面代替关键截面进行设计优化，方便模型搭建提高分析效率，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束进行计算能够使得等效后的BOX矩形截面保证车身性能与原关键截面的情况下相接近，同时通过根据车身框架的载荷主要传力路径创建目标车身的一次参数模型能够避免车身结构存在局部甚至全局的缺陷，进而提高了汽车的车身框架的设计精度和设计效率。
在进行拓扑优化前，对标杆车身框架有限元模型进行校核，获得多种性能指标的上限值和下限值，再选取约束条件进行拓扑优化，通过事先进行校核能找到准确的性能指标上下限，提升优化设计的准确度，校核的性能包括如玻璃升降器安装点刚度、门锁安装点刚度、车门模态分析、车身侧门锁安装点刚度、车门耐挤压刚度分析、前门密封条安装处钣金刚度、前围抗凹分析、车门外开把手安装点刚度强度、内开把手安装点刚度、车门锁柱安装点强度分析、车身刚度分析、座椅刚度分析、车门垂向刚度分析、全包裹车身模态分析以及车身随机振动疲劳分析等；在本具体实施方式中，在进行拓扑优化时，约束条件为对车身影响较大的关键性能指标校核的上限值或下限值，这是由于车身性能指标众多，但对车身结构影响程度并不相同，往往关键指标的影响较大，如玻璃升降器安装点刚度仅仅影响车身玻璃升降器安装位置的结构，车身刚度分析确影响车身整体结构，因此选取以影响较大的性能指标作为约束条件能够极大提高优化效率，在本具体实施方式中，选取车身刚度分析结果的柔度为最小值和座椅刚度分析结果中位移的最小值作为约束条件，同时以质量最小为目标进行拓扑优化。
为了防止采用等效BOX矩形截面后导致车身性能指标弱化，在本具体实施方式中，采用以下公式计算BOX矩形截面的截面积：
BOX矩形截面的面积A’=DIM1*DIM2-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)≥A；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM1*DIM2*DIM2*DIM2/12-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)/12≥/>；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM2*DIM1*DIM1*DIM1/12-(DIM2-2*DIM3)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)/12≥/>；
BOX矩形截面的抗扭系数J’=2*DIM4*DIM3*(DIM1-DIM4)*(DIM1-DIM4)*(DIM2-DIM3)*(DIM2-DIM3)/(DIM1*DIM4+DIM2*DIM3-DIM3*DIM3-DIM4*DIM4) ≥J ；
其中，DIM1、DIM2、DIM3、DIM4为BOX矩形截面的截面尺寸，A、、/>、J分别为关键截面的截面面积、主惯性矩一、主惯性矩二和抗扭系数，A、/>、/>、J分别根据关键截面事先进行计算，不同关键截面的两个主惯性矩的主轴方向的选取有所不同。通过将等效的BOX矩形截面的截面积、两个主惯性矩以及抗扭系数均在大于关键截面相应的数值下计算，能够使计算得到的截面尺寸不对车身性能产生弱化影响。
通过以上公式能够使每个等效BOX矩形截面均获得多组符合要求的横截面尺寸，在本具体实施方式中，为了减少车型设计过程总对对标车型模型非关键位置处结构参数信息的改动，提升模型搭建处理效率，在本具体实施方式中，根据BOX矩形截面的截面尺寸的计算结果，选取合适的截面尺寸与目标车身的一次参数模型相结合，该组截面尺寸使BOX矩形截面形状最接近标杆车身截面轮廓；通过选取与标杆车身截面轮廓较为接近的截面尺寸能够减少对车身模型中其他未选取截面处的结构的改变，提升数据处理效率。
在本具体实施方式中，进行尺寸优化时，以质量最小为目标，约束条件与拓扑优化的约束条件相同。
为了直观看到尺寸优化前后的变化，将尺寸优化前后的参数模型显示到同一模型中，并使用不用颜色标记优化前后的模型，能够清晰看到截面变化，根据优化前后对比出的截面尺寸变化，指导新车身开发时的截面设计，明确截面轮廓尺寸及厚度在不同方向上变大或缩小，并对新截面参数进行计算验证。
在本具体实施方式中，利用有限元前处理软件对标杆车车身框架的包络几何模型进行有限元网格划分，网格尺寸为8mm，定义有限元单元的材料性能和单元类型，建立车身框架的有限元模型；在获取拓扑空间模型时，基于对标杆车身框架有限元模型，去除玻璃及前轮罩，包络标杆车身框架，并根据目标车身框架的可用空间要求，补全可用空间；在本具体实施方式中，利用Hyperworks软件进行拓扑优化，实现对异型的关键截面的截面面积、两个主惯性矩、抗扭系数的提取以及1D参数模型的尺寸优化工作，利用Hyperstudy实现BOX矩形截面尺寸的等效计算。
从以上具体实施方式中可以看出本发明具有以下有益效果：
1、通过使用等效的BOX矩形截面对关键截面进行设计优化，方便模型搭建提高分析效率，同时以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束进行计算能够使得等效后的BOX矩形截面保证车身性能与原关键截面的情况下相接近；
2、通过事先进行校核能找到准确的性能指标上下限，提升优化设计的准确度；
3、以影响较大的性能指标作为约束条件能够极大提高优化效率；
4、通过根据车身框架的最优载荷传递路径创建目标车身的一次参数模型能够避免车身结构存在局部甚至全局的缺陷，进而提高了汽车的车身框架的设计精度和设计效率；
5、通过使用封闭截面能够准确获得等效BOX矩形截面的截面尺寸；通过将等效的BOX矩形截面的截面积、两个主惯性矩以及抗扭系数均在大于关键截面相应的数值下计算，能够使计算得到的截面尺寸不对车身性能产生弱化影响；
6、通过选取与标杆车身截面轮廓较为接近的截面尺寸能够减少对车身模型中其他未选取截面处的结构的改变，提升数据处理效率；
7、通过在同一模型中显示优化前后的模型，能够直观看到尺寸变化情况，更加方便准确的指导新车的设计。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。
Claims (9)
1.一种车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：利用标杆车身框架有限元模型获取拓扑空间模型，对拓扑空间模型进行拓扑优化，经过拓扑优化分析得到最优传力路径，对传力路径解读得到主要传力路径；获取标杆车身框架有限元模型中多处局部的关键截面，将异型截面的关键截面等效为BOX矩形截面，以关键截面的截面面积、主惯性矩和抗扭系数为约束计算相应BOX矩形截面的截面尺寸；结合载荷主要传力路径与多个BOX矩形截面的截面尺寸获得车身框架的参数模型，将参数模型进行尺寸优化，获得多个BOX矩形截面的优化截面尺寸，将优化截面尺寸更新到参数模型，创建车身框架的概念模型。
2.如权利要求1所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，在进行拓扑优化前，对标杆车身框架有限元模型进行校核，获得多种性能指标的上限值和下限值，再选取约束条件进行拓扑优化。
3.如权利要求2所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，在进行拓扑优化时，约束条件为对车身影响较大的关键性能指标校核的上限值或下限值。
4.如权利要求2所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，在获取拓扑空间模型时，基于对标杆车身框架有限元模型，去除玻璃及前轮罩，包络标杆车身框架，并根据目标车身框架的可用空间要求，补全可用空间。
5.如权利要求1-4任一项所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，局部的关键截面为封闭截面。
6.如权利要求5所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，
BOX矩形截面的面积A’=DIM1*DIM2-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)≥A；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM1*DIM2*DIM2*DIM2/12-(DIM1-2*DIM4)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)*(DIM2-2*DIM3)/12≥/>；
BOX矩形截面的截面惯性矩=DIM2*DIM1*DIM1*DIM1/12-(DIM2-2*DIM3)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)*(DIM1-2*DIM4)/12≥/>；
BOX矩形截面的抗扭系数J’=2*DIM4*DIM3*(DIM1-DIM4)*(DIM1-DIM4)*(DIM2-DIM3)*(DIM2-DIM3)/(DIM1*DIM4+DIM2*DIM3-DIM3*DIM3-DIM4*DIM4) ≥J ；
其中，DIM1、DIM2、DIM3、DIM4为BOX矩形截面的截面尺寸，A、、/>、J分别为关键截面的截面面积、主惯性矩一、主惯性矩二和抗扭系数，，A、/>、/>、J事先进行计算。
7.如权利要求6所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，根据BOX矩形截面的截面尺寸的计算结果，选取合适的截面尺寸与目标车身的一次参数模型相结合，该组截面尺寸使BOX矩形截面形状最接近标杆车身截面轮廓。
8.如权利要求7所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，进行尺寸优化时，以质量最小为目标，约束条件与拓扑优化的约束条件相同。
9.如权利要求7所述的车身框架概念模型的设计方法，其特征在于，将尺寸优化前后的参数模型显示到同一模型中，并使用不用颜色标记优化前后的模型。
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