汽车车身断面形状两步优化设计方法
【专利摘要】本发明公开了一种汽车车身断面形状两步优化设计方法，本发明采用箱型断面作为中间变量，建立两步骤协同优化设计：第一步优化设计以车身的质量为目标函数，高刚度性能为约束条件，建立关于箱梁断面长、宽、厚度尺寸参数的优化模型；采用基于组件灵敏度信息的序列线性规划求解该优化模型，得到箱梁断面最优尺寸，进而求得断面的最优几何特性；第二步优化设计：以断面积最小为目标，第一层优化得到的弯曲惯性矩、扭转惯性矩以及制造工艺为约束条件，对梁断面的板料厚度、节点坐标进行断面形状优化研究；采用遗传算法求解该离散-连续变量的多项式；本发明以优化设计的方法将车身复杂断面形状进行理性的确定，解决了困扰车身结构设计领域的难题。
【专利说明】汽车车身断面形状两步优化设计方法
【技术领域】
[0001]本发明属于汽车车身设计领域，涉及一种车身断面优化设计方法，主要用于确定轿车车身断面几何形状，从而实现车身结构总体性能的“轻质量，高刚度”目标。
【背景技术】
[0002]在解决节能与环保这一汽车业最重要的命题时，新能源汽车技术是一条路径，另一条路径则是汽车结构轻量化技术——即如何在保证汽车安全性的前提下使其“瘦身”。降低车身自重可以提高输出功率、降低噪声、提升操控性、可靠性，提高车速、降低油耗、减少废气排放量。
[0003]轿车车身结构轻量化设计可分为三步。首先第一步采用拓扑优化方法，如变密度法，将实体网格结构拓扑成线框结构；接着第二步采用梁单元搭建出车身骨架结构。这些梁结构都是由薄板冲压、点焊成型，因此梁的断面形状及其复杂，开口、闭口、单室、双室断面都存在；在断面形状确定后，第三步将车身骨架蒙上薄板，对板厚进行尺寸优化设计。工程上，第一步和第二步属于车身结构概念设计阶段，第三步属于车身结构详细设计阶段。如果将断面性能在概念设计阶段确定，可避免后续详细设计中返工带来的模具、工装的设计与制造风险。
[0004]以上三步中，第一步的拓扑优化与第三步的板厚尺寸优化已经可以有效求解，如商业软件Ansys、Tosca以及Altair公司的Optistruct求解器等,可以高效的计算。但是第二步的车身复杂断面形状的确定目前只是依赖于工程经验进行设计，仍未有理性的优化设计方法对其求解。因此该问题是困扰国际上车身结构设计领域的难题。
【发明内容】
[0005]本发明的目的是为了解决上述汽车车身断面几何形状优化的问题，而提供一种汽车车身断面形状两步优化设计方法。
[0006]本发明采用箱型断面作为中间变量，建立两步骤协同优化设计:
[0007]第一步优化设计:以车身的质量为目标函数，高刚度性能为约束条件，建立关于箱梁断面长、宽、厚度尺寸参数的优化模型；采用基于组件灵敏度信息的序列线性规划求解该优化模型，得到箱梁断面最优尺寸，进而求得断面的最优几何特性；
[0008]所述的高刚度包括位移、频率约束；所述的最优几何特性包括断面积、弯曲惯性矩和扭转惯性矩；
[0009]第二步优化设计:以断面积最小为目标，第一层优化得到的弯曲惯性矩、扭转惯性矩以及制造工艺为约束条件，对梁断面的板料厚度、节点坐标进行断面形状优化研究；采用遗传算法求解该离散-连续变量的多项式；
[0010]所述的约束条件为断面冲压成型中的拔模角度和薄板的位置关系；
[0011]所述的对梁断面的板料厚度为离散变量；所述的节点坐标为连续变量。
[0012]本发明的有益效果:以优化设计方法将车身复杂断面形状进行理性的确定，解决了困扰车身结构设计领域的难题。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1是构成车身骨架的箱梁有限元单元及其优化参数b，h, t。
[0014]图2是第一步优化算法的求解流程图。
[0015]图3是车身薄壁梁复杂断面形状优化对象。
[0016]图4是断面冲压成型中的拔模角度示意图。
[0017]图5是断面冲压成型中的薄板的位置关系示意图。
[0018]图6是要优化的车身初始模型示意图。
[0019]图7是残差收敛曲线图。
[0020]图8是每次迭代的车身质量曲线图。
[0021]图9是每次迭代的扭转刚度曲线图。
[0022]图10是每次迭代的弯曲刚度曲线图。
[0023]图11是每次迭代的一阶频率图。
[0024]图12是每次迭代的二阶频率图。
[0025]图13是每次迭代的三阶频率图。
[0026]图14是初始断面形状极其设计变量活动区域图。
[0027]图15是第二步优化的迭代曲线图。
[0028]图16是优化过程中断面形状及其属性的变化图。
【具体实施方式】
[0029]本发明法采用箱型断面作为中间变量，建立了两步骤协同优化设计:
[0030]I)第一步优化设计:
[0031]如图1所示，设计变量为箱梁断面几何尺寸，那么车身所有箱梁构成的设计变量向量为x = [--x22，4,…，?W]7'，xJ =bj,x) =hj,Xj =G，其中 η 为组件数量，目标是使车身总质量减小，即
【权利要求】
1.一种汽车车身断面形状两步优化设计方法，该方法采用箱型断面作为中间变量，建立两步骤协同优化设计:第一步优化设计:以车身的质量为目标函数，高刚度性能为约束条件，建立关于箱梁断面长、宽、厚度尺寸参数的优化模型；采用基于组件灵敏度信息的序列线性规划求解该优化模型，得到箱梁断面最优尺寸，进而求得断面的最优几何特性；所述的高刚度包括位移、频率约束；所述的最优几何特性包括断面积、弯曲惯性矩和扭转惯性矩；第二步优化设计:以断面积最小为目标，第一层优化得到的弯曲惯性矩、扭转惯性矩以及制造工艺为约束条件，对梁断面的板料厚度、节点坐标进行断面形状优化研究；采用遗传算法求解该离散-连续变量的多项式；所述的约束条件为断面冲压成型中的拔模角度和薄板的位置关系；所述的对梁断面的板料厚度为离散变量；所述的节点坐标为连续变量。
【文档编号】G06F17/50GK103455692SQ201310449623
【公开日】2013年12月18日 申请日期:2013年9月29日 优先权日:2013年9月29日
【发明者】左文杰 申请人:吉林大学