一种白车身变截面梁的设计方法与流程

本发明属于汽车白车身结构设计领域，特别涉及到一种车身变截面梁的设计和优化方法。该发明既可以应用于正向设计过程中梁的变截面轮廓线的确定，也可对现有的梁进行基于结构性能的改进优化。

背景技术：
经过一百三十年的发展，汽车工业已经成为影响国民经济发展的重要支柱产业之一，它的快速发展对国家的经济起到巨大的推动作用。然而随着世界各国汽车保有量的迅速增加，石油、天然气等不可再生能源消耗严重并且有害排气体放逐年递增。汽车产业的发展面临着越来越严峻的挑战，汽车不仅需要保证较好的节能环保性，还要在激烈的市场竞争取得良好的业绩。如何能较快、高效的开发设计出高性能、低消耗的车型，已经成为汽车企业在竞争中脱颖而出的关键。汽车车身设计按照设计过程先后分为两个阶段，概念设计阶段与详细设计阶段。概念设计阶段主要任务是确定车身整体结构性能，在此阶段的车身设计，需要对整体模型的力学性能进行反复仿真与校核，在很大程度上决定了汽车设计周期的长短和后期的重复设计量，直接关系到车辆的开发成本，如果在这个阶段留下缺陷，在以后进一步的设计中将面临诸多困难，并且前期的错误很难在后期弥补。在车身概念设计阶段，用于车身性能评估的车身模型大多是简化的框架模型，车身分析优化得到的结果是具体的梁单元的性能参数，而无法获得具有目标特性的截面形状，设计者只能根据以往的经验和直觉来设计，这必然将截面设计的一些不合理性带到以后的设计过程中，这已成为阻碍车身快速设计的一大障碍。此外，截面形状与厚度直接关系到车身的重量，进而影响到车辆的燃油经济性与排放。因此，在车身结构设计领域，需要一个操作简便、充分考虑设计工程约束的梁截面优化设计方法。传统的梁截面设计主要是基于经验判断与实验模拟，这种方法既不可靠又不高效，这势必制约新车型的开发速度，影响汽车的设计周期。这一问题可以通过截面优化设计来解决。车身薄壁梁截面设计问题主要包括对截面形状、材料和厚度的优化设计，国内学者对截面设计及优化问题也做了许多研究工作，但结合车身变截面优化方面的工作还比较少，例如，在公开号为103455692A、题为“汽车车身断面形状两步优化设计方法”的专利文献中提出一种以汽车车身箱型断面作为中间变量的两步优化设计方法，但在该专利方法中并没有关于变截面板以及多个板之间的同步优化的研究。由于车身梁结构截面的形状极其复杂，在对截面进行优化设计时，需要找到一种即可以保证截面连续变化，截面的控制变量又相对较少的截面形状控制方法，保证优化操作可以顺利实施，因此，目前车身截面设计仍需要开发一个真正符合汽车行业标准的，满足可制造性要求的综合设计方法。

技术实现要素：
本发明的目的是综合考虑车身梁截面设计的装配及制造的约束，例如：车身梁截面需要跟车身造型相适应，其截面外板形状受到车身整体造型的约束；车身梁截面是由薄壁板冲压而成，其形状也受到冲压工艺的限制。另外，车身梁结构冲压钢板的厚度也不是连续的，设计者必须从市场可提供的标准厚度的材料中进行选择制造，因此材料类型和材料厚度的选择是一个离散问题。本发明通过在梁截面上选取一定数量的控制点从而对截面形状进行控制，并建立材料参数与厚度数据库，以连续的梁截面形状，离散的材料厚度、材料种类、梁截面板的数量为设计变量，以满足车身刚度所需截面属性、质量以及成本等为设计目标，实现满足不同设计约束条件下的变截面优化。为车身设计者提供一个符合汽车设计标准的、易操作的、实用的车身截面优化设计途径。解决了变截面梁的同步优化难题。本发明不仅对各种约束工况的单一截面的设计问题进行了研究，并实现了对具有多层板数的变截面梁的设计。一种白车身变截面梁的设计方法，具体步骤如下：(1)白车身变截面梁中控制点排布方式：针对截面形式和优化条件进行白车身变截面梁中个体控制点排布，通过控制点排布能准确表达出截面参数信息，如截面形状、板的厚度等。控制点的排布方法为：梁截面两个连接点的连线为y轴，过其中一个连接点垂直y轴直线设为z轴，建立梁截面局部坐标系，以y轴与z轴的交点为坐标原点；进行梁截面形状控制时，将外板控制点的y坐标分别投影到内板和加强板上，其中，外板、内板和加强板上分别有多个控制点；保持外板控制点的y坐标不变，改变外板上控制点到y轴的距离dj,1控制外板的形状，以z轴正向为正；改变加强板到外板距离dj,2，控制加强板的形状，改变内板到加强板距离dj,3，控制内板的形状，其中j表示第j个控制点。(2)计算梁截面参数值：根据梁截面上各个控制点排布情况及相应的目标函数计算出表示梁截面的结构性能参数，并将梁截面的结构性能参数进行有效存储；计算梁截面的结构性能参数与梁截面单位质量的目标函数如下：f1＝min(|Iy[m]-obj_Iy|)f2＝min(|Iz[m]-obj_Iz|)(1)f3＝min(weight[m])其中：Iy[m]、Iz[m]为所获得的第m个梁截面的惯性矩，obj_Iy、obj_Iz为预期的第m个梁截面的目标惯性矩，weight[m]为第m个梁截面的单位质量。(3)对梁截面的结构性能参数进行快速非支配排序：根据设计条件设定支配控制表达式，对梁截面的结构性能参数值进行非支配排序；梁截面的结构性能参数的排序支配关系如下：1)|Iy[m]-obj_Iy|≤|Iy[n]-obj_Iy|2)|Iz[m]-obj_Iz|≤|Iz[n]-obj_Iz|(2)3)weight[m]≤weight[n]当上述三个条件都满足时，第m个截面支配第n个截面；若上述三个条件均不满足时，则第n个截面支配第m个截面。(4)得到最优梁截面：通过梁截面控制点对梁截面结构性能参数值求解，当达到最优条件时获取梁截面数据。通过对梁截面数据性能进一步评价，选择出最符合设计值的梁截面；本发明实现将车身的多个设计目标为约束条件进行多个板同步设计。最优梁截面的设计值选取根据如式：本发明的有益效果在于：对车身变截面梁的截面设计和优化方法进行了研究，基于同步优化变量建立了多截面协同设计过程，实现了基于工程设计中可制造性约束和可装配性约束下的变截面梁的优化设计，该方法既可以应用于正向设计过程中车身概念设计阶段梁的变截面轮廓线的确定，也可对现有的梁进行结构性能的改进优化，实现了制造成本降低和车身轻量化设计。附图说明图1是本发明方法已实施进行优化设计的车身变截面梁位置示意图。图2是本发明所采用的截面形状控制点示意图。图3是本发明所采用的变截面形状控制点示意图。图4是实例中所取样的车身B柱详细模型示意图。图5A是车身B柱的一处取样位置截面形状示意。图5B是车身B柱的另一处取样位置截面形状示意。图6A是设计工况一下一处取样最优截面形状。图6B是设计工况一下另一处取样最优截面形状。图6C是设计工况一下图6A和图6B两处最优解分布。图7A是设计工况二下一处取样最优截面形状。图7B是设计工况二下另一处取样最优截面形状。图7C是设计工况二下图7A和图7B两处最优解分布。图8A是设计工况三下一处取样最优截面形状。图8B是设计工况三下另一处取样最优截面形状。图8C是设计工况三下图8A和图8B两处最优解分布。图9是优化后B柱取样截面形状示意图。图中：1前指梁；2A柱；3B柱；4C柱；5顶盖纵梁；6门槛梁；7外板；8加强板；9内板；Y坐标轴；Z坐标轴；dj,1表示外板上第j个控制点到y轴的距离；dj,2表示外板上第j个控制点到加强版控制点的距离；dj,3表示加强板上第j个控制点到内板控制点的距离；d1,1,m表示第m个截面外板上的第1个控制点的纵坐标与第m-1个截面中加强板上的第1个控制点的纵坐标之差，以此类推；A、B分别表示变截面中的两个取样位置。具体实施方式以下结合附图对本发明进行进一步地说明。本发明针对截面形式和优化条件进行白车身变截面梁中个体控制点排布，以梁截面的两个连接点为y轴，过其中一个连接点垂直y轴直线设为z轴，建立梁截面局部坐标，以y轴与z轴的交点为坐标原点；在进行梁截面形状控制时，将外板控制点的y坐标分别投影到内板和加强板上，其中，外板、内板和加强板上分别有多个控制点；保持外板控制点的y坐标不变，改变外板上控制点到y轴的距离dj,1控制外板的形状，以z轴正向为正；通过改变加强板到外板距离dj,2，控制加强板的形状，通过改变内板到加强板距离dj,3，控制内板的形状。其中，设计变量dj,k(k＞1)表示第k层板的第j个点到第k-1层板的第j个点的距离，如图2所示。通过这种控制方式，每个截面形状控制点纵坐标Zj,k可以表示为设计变量dj,k的函数，如式4，在进行截面形状控制时，只需对变量dj,k进行设计，可有效避免出现负角与交叉的情况。为了约束车身梁截面纵向变化太大，本方法在控制dj,k变化范围的同时，引入纵向变化的限制，保证相邻的控制点纵坐标变化与横坐标变化之比不超过一定值。对应于装配约束，可规定不参与优化的设计变量dj,k＝0。变截面梁的形状控制不仅需要考虑单个截面优化时的所有约束，同时两个截面之间的形状也相互制约，在进行优化时，两个截面同一块板的材料与厚度保持一致。变截面优化截面形状控制时，首先分别将每个截面的板上的控制点的y坐标映射到同一截面另外的板上，然后再分别将一个截面上的点的坐标按照比例映射到另一个的截面中，这样保持了y坐标的连续性。在纵坐标的控制上，引入同步变截面设计变量dj,k,m，以保证两个截面之间板的变化不会太剧烈，它可以看作是对单个截面设计变量的扩展，其中dj,k,m表示第m个截面中第k层板上的第j个控制点的纵坐标与第m-1(m＞1)个截面中第k层板上的第j个控制点的纵坐标之差，定义如图3所示。经过处理，第m个截面控制点纵坐标zj,k,m可以表示为第m-1个截面控制点纵坐标zj,k,m-1与变截面设计变量dj,k,m的函数，见式5。zj,k,m＝zj,k,m-1-dj,k,m(m≠1)(5)变截面在优化过程中不仅每个截面受到单个截面设计时的工程约束，两截面之间还不能剧烈变化，该方法中定义设计边界参数dL和dU来约束设计变量dj,k,m，其约束设计如下，见式6：dUj,k,m＝dmax(m≠1)(6)其中，dmax是指在考虑截面在冲压和装配等工程约束的情况下，两截面形状允许的最大位移量，当m＝1时，即为单个梁截面的优化约束问题。对梁截面的设计是一个多目标取舍问题。截面优化变量有截面形状控制变量dj,k,或dj,k,m，截面板材厚度，截面材料种类，截面板的数量；优化约束主要包括装配、制造约束，材料种类约束，市场提供板材厚度约束等；优化目标包括截面重量最低，材料成本最低，截面性能参数最优等。根据梁截面上各个控制点排布情况及相应的目标函数计算出表示梁截面的结构性能参数，并将梁截面的结构性能参数进行有效存储。本发明方法计算梁截面的结构性能参数与梁截面单位质量的目标函数可表示为：f1＝min(|Iy[m]-obj_Iy|)f2＝min(|Iz[m]-obj_Iz|)(1)f3＝min(weight[m])其中Iy[m]、Iz[m]为所获得的第m个截面的惯性矩，obj_Iy、obj_Iz为预期的第m个截面的目标惯性矩，weight[m]为第m个截面的重量。梁截面的结构性能设计变量有截面形状、材料种类与板材的厚度以及板的层数等。本设计算例的优化过程中截面性能参数群大为200，性能参数群的迭代次数为400，参数互换概率为0.8，参数突变概率为0.1。采用精英策略的快速非支配排序，有效地降低了该设计方法复杂度,提高了效率。本发明非支配排序支配关系如式2：1)|Iy[m]-obj_Iy|≤|Iy[n]-obj_Iy|2)|Iz[m]-obj_Iz|≤|Iz[n]-obj_Iz|(2)3)weight[m]≤weight[n]当上述三个条件都满足时，第m个截面支配第n个截面；若上述三个条件均不满足时，则第n个截面支配第m个截面。通过梁截面控制点对梁截面结构性能参数值求解，当达到最优条件时获取梁截面数据。通过对梁截面数据性能进一步评价，选择出最符合设计值的梁截面。最优梁截面的设计值选取根据如式(3)：在发明算例中，以某车B柱(如图4所示)变截面多层板梁设计为例，首先采对该款三厢车车身结构的全新概念设计，并进行所需的结构分析和尺寸参数优化，可得到相关的截面设计参数，然后通过本发明方法进行截面设计，设计的初始截面来自车型原有的截面数据库。根据不同的设计目标实现了三种变截面优化工况，设计前截面形状如图5所示。各工况优化变量均为梁截面加强板形状控制参数d、截面材料类型m、板厚t。设计约束为截面内外板形状不变，只改变加强板形状等设计变量。设计工况一：以车身B柱上截面A、B所需达到的截面惯性矩Iy，Iz值和单位重量最小为优化目标，优化后截面形状与截面性能参数帕累托最优解分布如图6所示。设计工况二：以车身B柱上截面A、B所需达到的截面惯性矩Iy，Iz值和材料成本为优化目标进行优化求解，优化后截面形状与截面性能参数帕累托最优解分布如图7所示。设计工况三：以车身B柱上截面A、B所需达到的截面惯性矩Iy，Iz值和截面重量、材料成本为优化目标进行优化求解，优化后的截面形状与截面性能参数帕累托最优解分布如图8所示。图6至图8中，小圆圈中的点的坐标代表了所选择的最优解在最优解群中的位置，各工况设计结果如表1所示：表1车身B柱截面优化结果通过设计统计结果可以看出，通过本发明方法对变截面梁B柱的优化，优化误差均在0.7％以内。设计工况一优化后截面具有较低的质量，实现了对现有截面性能提高基础上的轻量化设计，外板、加强板材料都为铝合金，内板材料为高强钢，通过离散点图可以看出优化结果的单位截面重量都在2.0-4.0kg之间，但截面材料成本较高；设计工况二得到的截面具有较低的成本，内、外板材料都为普碳钢，加强板材料为高强钢，质量相对较大，这种优化用于普通零部件的设计可以有效降低材料成本；设计工况三得到的截面质量跟材料都成本对较低，比较适合工程应用，最后生成的B柱截面如图9所示。对车身B柱进行了变截面梁的设计，得出的结果都能较好的满足设计要求。根据不同的设计目标优化，所得到的结果来看，当以结构性能、轻量化为首要设计目标时，可选择以截面性能参数值和质量最低为目标参数，这种设计可用于中高档车车身的结构设计中；当追求良好的性能和亲民的价格时，可选择以截面性能参数值和成本最少为设计目标，这种设计可用于中低档车车身的结构设计中；当希望获得较好的轻量化效果和较低成本时，可选择以截面性能参数值和重量、花费都较少为设计目标，这种设计可用于中档车车身的结构设计中。该发明方法应用于车身概念设计阶段，可实现在满足各种工程约束和结构性能的前提下，对梁的变截面轮廓线的确定；同时也适用于详细设计阶段对截面参数进行优化，从而达到增加车身刚度和实现车身轻量化的目的。以上列举了具体实施例来详细阐明本发明基于白车身变截面梁同步设计方法实现车身结构的设计，这些个例仅供说明本发明的原理及其实施方式之用，而非对本发明的限制，在不脱离本发明的精神和范围的情况下，本领域的普通技术人员还可以做出各种变形和改进。因此所有等同的技术方案均应属于本发明的范畴并为本发明的各项权利要求所限定。