专利名称：汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法
技术领域：
本发明涉及一种汽车制造技术领域的设计方法，具体是一种汽车安全性协同设 计中的有限元模型合成方法。
背景技术：
当今，在激烈的汽车制造领域，汽车制造商一方面要縮短研发的周期、加快产 品上市速度、改善产品质量、降低生产成本，以满足不断变化的市场；另一方面消 费者对汽车的安全性、舒适性提出了更高的要求。汽车制造商与零部件供应商强强 联手，协同开发汽车产品可以很好的解决以上提及的问题。汽车碰撞安全性设计是 汽车产品设计的一项重要内容。为了评估部件质量，部件需要在整车环境下进行碰 撞仿真实验。然而，由于存在商业竞争与保密，各部件商与整车商迫切需要在不共 享各自模型的条件下实现整车有限元模型的合成，以保护各自的模型信息(包括建 模技术、结构形式、材料特性等)及商业利益。协作的双方如何在对各自透明的模 型上正确完成整车模型的合成，成为该类汽车协同设计的关键问题。
经对现有技术的检索发现，在汽车设计领域，众多的研究集中在汽车的CAD协同 设计上，很少涉及CAE协同，而且大多基于模型共享。倪晓宇等在《机械工程学报》 2006， Vol. 42(8): 71_77上发表的"协同CAE系统及其实现方法"较全面的介绍了CAE 协同。文中提出了关于有限元前处理协同策略，其模型合成解决方案也是基于模型 共享的，对于需要模型保密要求下的有限元模型的自动合成显然是不能实现的。S. D. Noh等在International Journal of Advanced Manufacturing Technology, 2005, Vol. 26 (5) : 572-584上发表文掌'Concurrent and Collaborative Process Planning for Automotive General Assembly"("面向汽车装配的并发协同过程研究"，《国 际先进制造杂志》，2005， Vol.26 (5): 572-584)，文中提到利用约束法实现对汽
车各部件装配合成的过程安排，此方法基于汽车的几何信息，对于有限元模型则无 能为力。因此，目前还没有一项成熟的设计方法可以实现在各个部件模型透明的情 况下完成整车有限元模型的合成。
发明内容
本发明针对现有技术中存在的上述不足，提出了一种汽车安全性协同设计中的 有限元模型合成方法，使其满足整车商与部件商对模型信息的保密要求；不需人工 干预，自动实现部件模型与整车模型的合成。
本发明是通过以下技术方案实现的，包括以下步骤-
第一步，在协同环境里整车商提供三个模型文件，这些模型文件可以用英文字 母的组合分别表示为SUB-FE-CAR、 SUB-CAD-ENV、 SUB-FE-ENV 。其中 SUB-FE-CAR对部件商不可见。部件商可以得到其余两个模型文件，并利用它们来 设计、构造其部件CAD、 CAE模型。这三个模型的说明如下
SUB-FE-CAR:除部件外的整车有限元模型。
SUB-CAD-ENV:部件环境几何模型。该模型是一个非完整的几何体，表 达了部件周围环境信息，以便部件厂商根据此环境模型设计出部件的几何体，使得 部件的几何样式与周围环境协调，并确保它们之间无干涉产生。
SUB-FE-ENV:部件环境有限元模型。为了对整车商建模信息的保密，该 模型只包含部件环境的节点、单元、部件信息。其作用是为部件厂商定义部件与周 围环境的连接与接触信息。
第二步，部件商根据整车商提供的模型文件SUB-CAD-ENV、 SUB-FE-ENV设 计部件几何模型，然后对几何模型划分网格以获得部件有限元模型SUB-FE-PAR。
第三步，将SUB-FE-PAR与SUB-FE-CAR通过程序先进行车辆有限元模型与部件 有限元模型的建模，然后合成得到整车有限元模型G-FE-CAR。
所述车辆有限元模型与部件有限元模型的建模，是指为了能使部件与整车模 型顺利合成，整车商与部件商在建立各自有限元模型时须根据以下技术要求进行
①整车商为部件商指定部件模型中的ID范围，此ID号范围应用于待设计部件 SUB-FE-PAR中的节点、单元、部件、材料、特性定义、接触定义、曲线定义等的ID 标识。
② SUB-FE-PAR模型中应含有本模型中待输出的数据定义
③ SUB-FE-PAR模型中应含有此模型与SUB-FE-ENV模型的接触定义，接触类型 不受限制。
SUB-FE-PAR模型中应含有与SUB-FE-ENV模型中的连接信息，可以是点焊连 接、铰链连接、铆接。同时在本模型中还可以含有施加于本模型的边界条件
⑤ 以上接触定义与连接定义中涉及到的SUB-FE-ENV模型中ID号保持不变，此 ID包括节点ID、单元ID、部件ID等。
⑥ SUB-FE-PAR模型中不含有SUB-FE-ENV模型中有关节点、单元等元素的定义。 SUB-FE-ENV模型定义只可以出现在SUB-FE-CAR模型中。
⑦ SUB-FE-PAR模型中不含有求解控制信息，所有的求解控制信息只出现在 SUB-FE-CAR模型中。
所述合成得到整车有限元模型G-FE-CAR，是指按照以上规则完成SUB-FE-PAR 与SUB-FE-CAR模型后，再进行模型合并。在计算机中有限元模型的表现形式为 ASCII文件，因此可利用任何具有文本处理能力的编程语言将SUB-FE-PAR模型文 件中的所有内容读写到SUB-FE-CAR模型文件中，所得到的ASCII文件就是 G-FE-CAR模型文件。此文件处理过程可经任何一方、或第三方启动来自动完成模 型的合并，启动方不需，也无权查看模型内容，从而实现了对各自模型信息的保密。
按照以上规则建立的有限元模型SUB-FE-PAR与SUB-FE-CAR含有各自的建模技 术信息，除其本身外，任何其他方不需要也无权获取其模型信息，保护了各自的知 识产权。不同于SUB-FE-CAR模型，SUB-FE-PAR是一个不完整的有限元模型，只有 将其与SUB-FE-CAR模型合并，才能得到整车可求解有限元模型G-FE-CAR。
本发明不仅适用于单部件商与整车商的模型合成，当多个部件商与同一整车商 协同进行有限元仿真计算时，整车商将为各个部件商提供不同的ID号范围。只要各 模型在上述规则下建立，所有模型也可以自动合并为一个可求解的有限元模型。
本发明应用在协同环境中，满足了部件商与整车商同时对各自建模技术知识产 权保护的要求，从而扩大了整车商与部件商的合作范围，有利于协同汽车制造业的
发展。
本发明所得到的G-FE-CAR可以作为最终的整车有限元模型进行求解计算。根据 前处理环境的不同，可以选择相应的有限元计算求解器，如LS-DYNA、 PAM—CRASH 等。部件商根据求解结果，查看所设计的部件是否满足碰撞安全性法规的要求，如 果不满足则重新设计部件，并进行模型合成，直到满足碰撞法规要求。由于模型合 成是在部件商与整车商相互透明的情况下完成的，因此消除了各自对知识产权泄漏 的顾虑，从而扩大了整车商与部件商的合作范围，提高了整车的有限元分析效率， 加快了产品开发周期。
本发明所涉及的方法可以方便、快捷的实现部件有限元模型与整车有限元模型 的合成，从而提高了整车的有限元分析效率，加快了产品开发周期。
图1为本发明实施例中的模型SUB-FE-CAR模型文件的示意图 图2为本发明实施例中的模型SUB-FE-ENV模型文件的示意图 图3为本发明实施例中的模型SUB-FE-PAR模型文件的示意图
具体实施例方式
下面结合附图对本发明的实施例作详细说明本实施例在以本发明技术方案为 前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围 不限于下述的实施例。
本发明能够实施应用于任何汽车安全性协同设计系统
首先，整车商在本地CAD、 CAE环境中设计除部件商所设计部件外的所有车辆有 限元模型SUB-FE-CAR模型文件，该模型包含实验环境模型。根据安全性设计类型的 不同，实验环境包括车辆与刚性墙的正面碰撞或台车与车辆的侧面碰撞等。同时， 整车商从SUB-FE-CAR模型文件中提取待设计部件的环境模型SUB-CAD-ENV模型文 件、SUB-FE-ENV模型文件。为了保护模型信息，环境模型是不完整的，只包含节点、 单元、部件信息。
然后部件商从整车商处得到环境模型，根据此模型部件商在本地CAD、 CAE环境 中完成部件模型SUB-FE-PAR，设计过程中需要遵循以上发明内容中提到的建模规
范。
最后，编写文件读写程序，将ASCII文件形式的SUB-FE-PAR模型写入 SUB-FE-CAR模型中，得到最终的整车有限元模型G-FE-CAR。 实施例具体如下
以座椅商与整车商的汽车安全行协同设计为例，阐述其过程。本实例所采用的 协同环境为基于VEGA与WebServices技术的网格系统。安全性设计的实验环境为侧 面碰撞，因此，整车商在本地除建立车辆有限元模型外，还需建立侧碰环境中的台 车模型，并施加边界条件与初始条件。模型SUB-FE-CAR模型文件如图l所示。
整车商从所建立的SUB-FE-CAR模型文件中提取座椅周围环境模型，如图2所示， 包括车地板，左车门外板与内饰，左中柱内板，假人模型。
通过网格平台的文件传输机制，座椅商从整车商处获得座椅环境模型 SUB-CAD-ENV模型文件、SUB-FE-ENV模型文件，并在本地依据SUB-CAD-ENV模型设 计出符合座椅结构要求、与座椅环境无干涉的座椅几何模型。然后在有限元前处理 软件中对座椅划分网格以建立座椅的有限元模型。
所建立的有限元根据以下技术要求进行
1. 整车商为座椅商分配的ID号范围为5000000 5050000。
2. 座椅模型中含有座椅模型中待输出的座椅头枕的加速度定义，以便评测 座椅是否满足对人体头部的保护。
3. 座椅模型中含有此模型与环境模型的接触定义，包括座椅与人体的接 触、座椅与左中柱内、外板的接触、座椅与左前车门外板、内饰、车门玻璃的接触。
4. 座椅模型中含有与环境模型中地板的连接信息，类型为点焊连接，将座 椅固定在地板上。
5. 以上接触定义与连接定义中涉及到的环境模型中ID号保持不变，此ID 包括节点ID、单元ID、部件ID等。
6. 座椅模型中不含有环境模型中有关节点、单元等元素的定义。环境模型 定义只可以出现在SUB-FE-CAR模型中。如图3所示。
7. 座椅模型中含有求解控制信息，所有的求解控制信息只出现在
SUB-FE-CAR模型中。
在整车商与座椅商分别建立的有限元模型的基础上，编制程序完成模型的合成。 使用JAVA语言编制文本处理程序，利用WebServices技术将其作为服务发布到协同 平台上。整车商启动此程序，程序将自动读取座椅模型的ASCII文件全部内容到整 车ASCII文件中，从而实现座椅模型与整车模型的合成。
合成所得到的是可求解的碰撞仿真有限元模型，该模型包含整车及碰撞用台车 的有限元模型。应用LS-DYNA求解器对该模型进行解算，座椅商依据计算结果考察 该座椅是否满足碰撞法规中的相关要求，例如座椅头枕的加速度要求以及座椅变形 要求。如不满足，则要重新设计座椅，并与整车模型合成，直到满足相关碰撞法规 的要求。
本发明的特点为满足整车商与部件商对模型信息的保密要求；不需人工干预， 自动实现部件模型与整车模型的合成。本发明不仅适用于单部件商与整车商的模型 合成，也适用于多个部件商与同一整车商协同进行有限元仿真计算的环境。
应用本发明，座椅商与整车商不必担心各自知识产权的泄漏，从而拓宽了其合 作范围，有利于协同汽车制造业的发展。另外，本发明所涉及的方法可以方便、快 捷的实现座椅有限元模型与整车有限元模型的合成，从而提高了整车的有限元分析 效率，加快了产品开发周期。
权利要求
1、一种汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特征在于，包括以下步骤第一步，在协同环境里整车商提供三个模型文件，这些模型文件分别表示为SUB-FE-CAR、SUB-CAD-ENV、SUB-FE-ENV，其中SUB-FE-CAR对部件商不可见，部件商能得到其余两个模型文件，并利用它们来设计、构造其部件CAD、CAE模型，其中SUB-FE-CAR是指除部件外的整车有限元模型；SUB-CAD-ENV是指部件环境几何模型； SUB-FE-ENV是指部件环境有限元模型；第二步，部件商根据整车商提供的SUB-CAD-ENV、SUB-FE-ENV设计部件几何模型，然后对几何模型划分网格以获得部件有限元模型SUB-FE-PAR；第三步，将SUB-FE-PAR与SUB-FE-CAR通过程序先进行车辆有限元模型与部件有限元模型的建模，然后合成得到整车有限元模型G-FE-CAR。
2、 根据权利要求1所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述部件环境几何模型，是一个非完整的几何体，表达了部件周围环境信息， 部件厂商根据此环境模型设计出部件的几何体，使得部件的几何样式与周围环境协 调，并确保它们之间无干涉产生。
3、 根据权利要求1所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述部件环境有限元模型，只包含部件环境的节点、单元、部件信息，为部 件厂商定义部件与周围环境的连接与接触信息。
4、 根据权利要求1所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述车辆有限元模型与部件有限元模型的建模，根据以下技术要求进行① 整车商为部件商指定部件模型中的ID范围；② SUB-FE-PAR模型中含有本模型中待输出的数据定义；③ SUB-FE-PAR模型中含有此模型与SUB-FE-ENV模型的接触定义；④ SUB-FE-PAR模型中含有与SUB-FE-ENV模型中的连接信息； ⑤ 以上接触定义与连接定义中涉及到的SUB-FE-ENV模型中ID号保持不变；⑥ SUB-FE-PAR模型中不含有SUB-FE-ENV模型中有关节点、单元元素的定义， SUB-FE-ENV模型定义只能出现在SUB-FE-CAR模型中；⑦ SUB-FE-PAR模型中不含有求解控制信息，所有的求解控制信息只出现在 SUB-FE-CAR模型中。
5、 根据权利要求4所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述的①中，ID号范围应用于待设计部件有限元模型SUB-FE-PAR中的节点、 单元、部件、材料、特性定义、接触定义、曲线定义的ID标识。
6、 根据权利要求4所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述④中的连接信息，是点焊连接、铰链连接或铆接。
7、 根据权利要求4所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述的UB-FE-PAR模型中含有施加于本模型的边界条件。
8、 根据权利要求4所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述 中，ID包括节点ID、单元ID、部件ID。
9、 根据权利要求1所述的汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，其特 征是，所述合成得到整车有限元模型G-FE-CAR，是指在计算机中有限元模型的表 现形式为ASCII文件，将SUB-FE-PAR中的所有内容读写到SUB-FE-CAR中，所得到 的ASCII文件就是整车有限元模型G-FE-CAR文件。
全文摘要
一种汽车安全性协同设计中的有限元模型合成方法，步骤为第一步，在协同环境里整车商提供三个模型文件SUB-FE-CAR、SUB-CAD-ENV、SUB-FE-ENV，其中SUB-FE-CAR对部件商不可见，部件商能得到其余两个模型文件，并利用它们来设计、构造其部件CAD、CAE模型；第二步，部件商根据整车商提供的SUB-CAD-ENV、SUB-FE-ENV设计部件几何模型，然后对几何模型划分网格以获得部件有限元模型SUB-FE-PAR；第三步，将SUB-FE-PAR与SUB-FE-CAR通过程序先进行车辆有限元模型与部件有限元模型的建模，然后合成得到整车有限元模型G-FE-CAR。本发明的特点为满足整车商与部件商对模型信息的保密要求；不需人工干预，自动实现部件模型与整车模型的合成。
文档编号G06F17/50GK101114311SQ20071004544
公开日2008年1月30日 申请日期2007年8月30日 优先权日2007年8月30日
发明者源 曹, 王建炜, 赵志杰, 金先龙 申请人:上海交通大学