一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法与流程

1.本发明属于白车身优化设计技术领域，具体公开了一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法。


背景技术：

2.白车身的优化设计一般分为三个阶段：设计前期的拓扑优化；设计中期的断面尺寸、接头等优化；设计后期的料厚和形貌优化。设计前期的方案还未固化，拓扑优化能够最大程度地实现轻量化，同时也可以带来比设计后期优化大得多的经济效益。
3.目前，在概念设计阶段进行车身多工况拓扑优化时，通常只考虑车身的静态弯曲刚度、扭转刚度以及固有频率等，在详细设计阶段再考虑结构的碰撞安全性能。事实上，在详细设计阶段结构更改的空间十分有限，给碰撞性能的优化工作带来很大的难度，需要花费更多的人力和时间。因此在概念设计阶段引入碰撞安全性能的拓扑优化十分必要。。


技术实现要素：

4.针对现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法，其用于在概念设计阶段通过拓扑优化得到偏置碰撞工况下的车身传力路径，用于指导车身设计。
5.本发明公开了一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法，其用于在白车身概念设计阶段对车身进行拓扑优化，得到基于偏置碰撞和侧面碰撞工况的传力路径，包括以下步骤：s1，建立白车身模型，生成白车身模型的优化区域并对优化区域进行网格划分；s2，基于等效静态载荷方法对划分网格后的优化区域进行动态非线性分析，得到获取等效静态载荷；s3，将等效静态载荷施加到模型上，依据设定的约束条件和目标函数对静态线性模型进行优化，其中，对称约束、优化尺寸的上下限为40mm-80mm，约束条件为优化区域体积分数《0.2，优化目标采用多目标优化；s4，判断静态线性优化的结果是否收敛，如果结果不收敛，根据优化结果更新设计变量，返回步骤s2，如果结果收敛，结束步骤。
6.在本发明的一种优选实施方案中，s1中，用于划分优化区域的网格为六面体网格，每个六面体网格的边长为20mm。
7.在本发明的一种优选实施方案中，白车身模型的优化区域基于整车的参数以及周围环境件的位置确定。
8.在本发明的一种优选实施方案中，所述白车身模型上附加有车门模型和轮胎模型。
9.在本发明的一种优选实施方案中，s2中，
10.s21，基于等效静态载荷方法对划分网格后的优化区域进行动态非线性分析，得到位移响应；
11.s22，基于位移响应计算等效静态载荷。
12.在本发明的一种优选实施方案中，s3中，优化目标采用多目标优化，即：
[0013][0014]
a、b、c、d是权重系数，默认a＝b＝c＝d＝1，或者根据实际情况将较关注的性能给予更高的权重；
[0015]d10
、d
20
、d
30
分别是d1、d2、d3的初始值，即未变形前的值；
[0016]
e0是第一次非线性分析的应变能值。
[0017]
在本发明的一种优选实施方案中，对于偏置碰撞，在本发明的一种优选实施方案中，对于偏置碰撞，的意义如下：
[0018]
f是目标函数，e是优化区域的整体应变能，d1是防火墙变形量，d2是前舱变形量，d3是前门框变形量，。
[0019]
在本发明的一种优选实施方案中，d1：在防火墙左半区域均匀取6个点的x向位移dx
1-dx6，在左右后纵梁根部分别取两个点的x向位移dx7、dx8，整车坐标系的x方向是汽车的纵向方向，从车头指向车尾；y向的汽车的宽度方向，从左侧指向右侧，y＝0的平面是汽车的左右对称面；
[0020][0021]
d2:在前防撞梁左半区域均匀取3个点的x向位移dx
9-dx
11
，
[0022][0023]
d3:在a柱左侧外表面上、中、下区域分别取三个点的x向位移dx
12-dx
14
，在b柱左侧外表面上、中、下区域分别取三个点的x向位移dx
15-dx
17
，
[0024][0025]
在本发明的一种优选实施方案中，对于侧面碰撞，在本发明的一种优选实施方案中，对于侧面碰撞，的意义如下：
[0026]
f是目标函数，e是优化区域的整体应变能，d1是b柱侵入量，d2是前门侵入量，d3是门槛侵入量。
[0027]
在本发明的一种优选实施方案中，d1：在左侧b柱内测从上往下均匀取5个点的y向位移dy
1-dy5，在右侧b柱内测从上往下均匀取5个点的y向位移dy
6-dy
10
，(整车坐标系的x方向是汽车的纵向方向，从车头指向车尾；y向的汽车的宽度方向，从左侧指向右侧，y＝0的平面是汽车的左右对称面)
[0028]
[0029]
d2:在左前门内测后部(靠近b柱的区域)从上往下均匀取5个点的y向位移dy
11-dy
15
，在右前门内测后部(靠近b柱的区域)从上往下均匀取5个点的y向位移dy
16-dy
20
[0030][0031]
d3:在左门槛内测(前地板后半区域到后地板前半区域)从前往后取5个点的y向位移dy
21-dy
25
，在右门槛内测(前地板后半区域到后地板前半区域)从前往后取5个点的y向位移dy
26-dy
30
，
[0032][0033]
本发明的有益效果是：本发明在概念设计阶段对车身进行拓扑优化，得到基于偏置碰撞和侧面碰撞工况的传力路径，其结合参数化建模和优化技术可以在设计前期针对碰撞性能优化、指导设计，将仿真分析和优化的工作前置，有利于节约详细设计阶段的设计和优化时间，减少开发周期。
附图说明
[0034]
图1是本发明一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法的流程图。
具体实施方式
[0035]
下面通过附图以及列举本发明的一些可选实施例的方式，对本发明的技术方案(包括优选技术方案)做进一步的详细描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0036]
如附图1所示，本发明公开了一种汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径拓扑优化方法，其用于在白车身概念设计阶段对车身进行拓扑优化，得到基于偏置碰撞和侧面碰撞工况的传力路径，包括以下步骤：s1，建立白车身模型，生成白车身模型的优化区域并对优化区域进行网格划分；s2，基于等效静态载荷方法对划分网格后的优化区域进行动态非线性分析，得到获取等效静态载荷；s3，将等效静态载荷施加到模型上，依据设定的约束条件和目标函数对静态线性模型进行优化，其中，对称约束、优化尺寸的上下限为40mm-80mm，约束条件为优化区域体积分数《0.2，优化目标采用多目标优化；s4，判断静态线性优化的结果是否收敛，如果结果不收敛，根据优化结果更新设计变量，返回步骤s2，如果结果收敛，结束步骤。
[0037]
在本发明的一种优选实施方案中，s1中，用于划分优化区域的网格为六面体网格，每个六面体网格的边长为20mm。
[0038]
在本发明的一种优选实施方案中，白车身模型的优化区域基于整车的参数(如长、宽、高等)以及周围环境件的位置确定。
[0039]
在本发明的一种优选实施方案中，所述白车身模型上附加有车门模型和轮胎模型
(侧面碰撞时，车门对碰撞结果影响较大，必须在碰撞模型中加上车门模型(如没有详细的车门有限元模型，将车门也生成六面体网格作为优化对象的一部分)。当车辆被碰撞时，必须加上轮胎模型，防止出现自由位移)。
[0040]
在本发明的一种优选实施方案中，s2中，
[0041]
s21，基于等效静态载荷方法对划分网格后的优化区域进行动态非线性分析，得到位移响应；
[0042]
s22，基于位移响应计算等效静态载荷。
[0043]
在本发明的一种优选实施方案中，s3中，优化目标采用多目标优化，即：
[0044][0045]
a、b、c、d是权重系数，默认a＝b＝c＝d＝1，或者根据实际情况将较关注的性能给予更高的权重；
[0046]d10
、d
20
、d
30
分别是d1、d2、d3的初始值，即未变形前的值；
[0047]
e0是第一次非线性分析的应变能值。
[0048]
在本发明的一种优选实施方案中，对于偏置碰撞，在本发明的一种优选实施方案中，对于偏置碰撞，的意义如下：
[0049]
f是目标函数，e是优化区域的整体应变能，d1是防火墙变形量，d2是前舱变形量，d3是前门框变形量，。
[0050]
在本发明的一种优选实施方案中，d1：在防火墙左半区域均匀取6个点的x向位移dx
1-dx6，在左右后纵梁根部分别取两个点的x向位移dx7、dx8，整车坐标系的x方向是汽车的纵向方向，从车头指向车尾；y向的汽车的宽度方向，从左侧指向右侧，y＝0的平面是汽车的左右对称面；
[0051][0052]
d2:在前防撞梁左半区域均匀取3个点的x向位移dx
9-dx
11
，
[0053][0054]
d3:在a柱左侧外表面上、中、下区域分别取三个点的x向位移dx
12-dx
14
，在b柱左侧外表面上、中、下区域分别取三个点的x向位移dx
15-dx
17
，
[0055][0056]
在本发明的一种优选实施方案中，对于侧面碰撞，在本发明的一种优选实施方案中，对于侧面碰撞，的意义如下：
[0057]
f是目标函数，e是优化区域的整体应变能，d1是b柱侵入量，d2是前门侵入量，d3是
门槛侵入量。
[0058]
在本发明的一种优选实施方案中，d1：在左侧b柱内测从上往下均匀取5个点的y向位移dy
1-dy5，在右侧b柱内测从上往下均匀取5个点的y向位移dy
6-dy
10
，(整车坐标系的x方向是汽车的纵向方向，从车头指向车尾；y向的汽车的宽度方向，从左侧指向右侧，y＝0的平面是汽车的左右对称面)
[0059][0060]
d2:在左前门内测后部(靠近b柱的区域)从上往下均匀取5个点的y向位移dy
11-dy
15
，在右前门内测后部(靠近b柱的区域)从上往下均匀取5个点的y向位移dy
16-dy
20
[0061][0062]
d3:在左门槛内测(前地板后半区域到后地板前半区域)从前往后取5个点的y向位移dy
21-dy
25
，在右门槛内测(前地板后半区域到后地板前半区域)从前往后取5个点的y向位移dy
26-dy
30
，
[0063][0064]
需要指出，本发明所记载的等效静态载荷法为现有技术，等效静态载荷法的思想是将一系列静态载荷加载到分析域上进行静态分析，使其在任意时刻产生的位移与非线性分析产生的位移相同。即：
[0065]feq
(s)＝k
l
(b)zn(t)(s＝s0,s1,
…
,sn)
[0066]
式中，f
eq
(s)为等效载荷，k
l
(b)为模型刚度矩阵，zn(t)为位移向量。其中s和t是一一对应的，即t＝ti等价于s＝si。这样就保证了任意时刻静态线性模型的位移与动态非线性模型的位移相同。等效静态载荷方法进行优化分析时有两个分析模型：一个是动态非线性模型，用于动态响应的分析；一个是静态线性模型，用于拓扑优化。
[0067]
进一步需要指出，本发明的白车身建模、动态非线性分析、静态线性优化均基于所属技术领域的技术人员所熟识的软件直接匀性，本发明的和新发明点在于步骤s3：将等效静态载荷施加到模型上，依据设定的约束条件和目标函数对静态线性模型进行优化，这一步是优化的关键步骤，优化参数的设置对结果有决定性影响。
[0068]
进一步需要指出，本发明的步骤s4中的结果收敛指的是结果至少存在一条完成的优化后的汽车偏置碰撞和侧面碰撞传力路径，如果该路径不完整或不存在，则不收敛。
[0069]
进一步的，在发生碰撞时，汽车既要有很好的刚性，同时又要保证一定的柔度，因此采用多目标的优化才能使得优化结果更符合实际的需要。汽车发生侧面碰撞时更多的是考虑乘员舱的保护问题，要求汽车具有较好的整体刚性，b柱、前门、门槛侵入量尽可能小(给乘员足够空间)。正面可变形壁障碰撞是汽车与壁障车发生正面的对碰，因此考虑了整体刚性、防火墙侵入量、前舱变形量以及对面壁障车前端的变形量和变形量的均匀性。本发明是汽车撞向刚性墙，主要考虑整体刚性、防火墙侵入量、前舱变形量、前门侵入量。针对不
同的碰撞形式采用不同的多目标优化，才能优化出符合该工况下的传力路径。
[0070]
人员容易理解，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并不以限制本发明，凡在本发明的精神和原则下所做的任何修改、组合、替换、改进等均包含在本发明的保护范围之内。