本发明属于汽车nvh技术，具体涉及一种车身结构轻量化优化方法。
背景技术：
汽车开发技术的发展使车企间的竞争越来越激烈。如何在缩短研发周期与降低开发成本的同时达成性能目标成为中国自主车企面临的新挑战。随着仿真开发技术的进步，cae在解决上述问题中的作用越来越显著。根据各结构优化方法的特点，在车身正向开发过程中综合运用各优化方法实现车身轻量化变得越来越重要。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种车身结构轻量化优化方法，使设计车身在满足性能要求的前提下，能极大提升了材料利用率和产品的竞争力。
本发明所述的车身结构轻量化优化方法，包括以下步骤：
步骤a、轻量化目标制定
根据整车各项性能目标设定车身轻量化目标；
步骤b、车身拓扑优化
结合设计车型的基础结构、cas面（汽车初步造型面）设计以及内部空间定义建立拓扑优化车身模型，创建设计空间，在创建好设计空间后，基于步骤a制定的车身轻量化目标定义拓扑优化参数，在拓扑优化参数设置完后进行拓扑优化求解，得到车身的整体框架拓扑优化结构，根据车身结构拓扑优化结果对车身结构设计进行指导，得到开发车型详细的车身结构模型；
步骤c．车身结构形貌优化
基于详细的车身结构模型，针对需要起筋优化的部件或结构建立形貌优化模型，根据性能要求和载荷工况设置形貌优化的约束条件和目标，根据形貌优化后的结果优化车身结构；
步骤d．车身尺寸和形状优化
基于载荷工况和性能目标建立车身的尺寸和形状优化模型，设计变量为零件料厚、梁结构横截面属性及形状参数，根据车身尺寸和形状优化后的结果优化车身结构；
步骤e．车身性能验证
对步骤d得到的车身结构进行全面的车身性能验证，若车身性能或轻量化目标未达标，则返回步骤b，直到车身性能和轻量化目标均达标。
进一步，所述步骤a中，所述车身轻量化目标包括车身的各项结构性能指标和车身质量；
所述结构性能指标包括车身刚度、模态和碰撞性能。
进一步，所述步骤b中：所述设计空间是通过封闭原有几何或者有限元网格，形成体网格单元；车身拓扑优化的设计空间为地板、立柱和顶盖。
进一步，所述步骤b中：所述拓扑优化参数包括拓扑优化的载荷工况、拓扑优化的约束条件和目标；
拓扑优化的载荷工况是涉及全局性、整体性结构布置的载荷，其包括全局性的刚度载荷、模态频率和碰撞载荷；
拓扑优化的目标是加权频率最小化，约束是体积分数和扭转弯曲刚度目标值。
对设计空间设置制造工艺约束，包括成员尺寸控制、脱模、模式组和模式重复。
进一步，所述步骤c中：
形貌优化的目标为设定响应函数的最小值或者最大值；
形貌优化的约束条件为刚度的位移值和模态频率值。
所述步骤d中，尺寸优化和形状优化前先通过灵敏度来辨别对某项性能有关键影响的零件；能够有效提升优化效率，同时减轻低灵敏度零件的质量，达到轻量化的目的。
进一步，所述步骤d中，车身尺寸优化指零件料厚优化，零件料厚优化的目标为优化零件的质量为最小，约束条件为车身性能目标中设定的车身刚度值和模态值。
进一步，所述步骤d中，所述形状优化的目标为优化区域的质量最小，约束条件为车身或局部刚度和模态值。
本发明的有益效果：本方法贯穿车身正向开发的整个流程。从概念设计阶段开始，通过拓扑优化获取各载荷工况下的车身载荷传递路径，从而得到车身主要承力部件最合理的布置方案。在详细设计阶段，综合运用形貌优化、尺寸优化和形状优化技术，得到车身钣金件最合理的加强筋布置形状、梁结构最合理的截面形状、料厚尺寸及车身焊点分布等。在车身开发过程中，该方法能够使设计车身在满足性能要求的前提下，极大地提升了材料利用率和产品的竞争力。
附图说明
图1为本发明的流程图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明。
如图1所示的车身结构轻量化优化方法，包括以下步骤：
步骤a、轻量化目标制定
轻量化目标制定的前提是整车性能目标制定。参考竞争车型和原平台车型的摸底分析，由整车各项性能目标分解得到车身轻量化目标；所述车身轻量化目标包括车身的各项结构性能指标（车身刚度、模态和碰撞性能）和车身质量（即减重目标）。
步骤b、车身拓扑优化
结合设计车型的基础结构、cas面（即汽车初步造型面）设计以及内部空间定义建立拓扑优化车身模型。创建设计空间，设计空间一般是通过封闭原有几何或者有限元网格，形成体网格单元。车身拓扑优化的设计空间为地板、立柱和顶盖等区域。在创建好设计空间后，基于步骤a制定的车身轻量化目标定义拓扑优化参数（在optimization面板中的topology（中文名称：拓扑,功能解释：拓扑面板允许用户设立和定义拓扑优化）定义拓扑优化参数）。在拓扑优化参数设置完后进行拓扑优化求解，得到车身的整体框架拓扑优化结构，根据车身结构拓扑优化结果对车身结构设计进行指导，得到开发车型详细的车身结构模型。
本实施例中，拓扑优化参数包括拓扑优化的载荷工况、拓扑优化的约束条件和目标。拓扑优化的载荷工况主要是涉及全局性、整体性结构布置的载荷，比如：全局性的刚度载荷（扭转刚度、弯曲刚度等）、模态频率和碰撞载荷等。拓扑优化的目标是加权频率最小化，约束一般是体积分数（一般在0.3左右）和扭转弯曲刚度目标值。
考虑结构的对称性和可行性，对设计空间设置制造工艺约束，包括成员尺寸控制、脱模、模式组（各种对称）和模式重复等。
在概念设计阶段的拓扑优化结果用于指导车身结构框架与重要传力部件的设计，得到开发车型第一轮详细车身结构方案。
步骤c．车身结构形貌优化
基于详细的车身结构模型，针对需要起筋优化的部件或结构建立形貌优化模型，根据性能要求和载荷工况设置形貌优化的约束条件和目标，根据形貌优化后的结果优化车身结构。其中：形貌优化的载荷工况与设计变量有关。与车身全局性能相关的载荷工况一般为车身弯扭刚度、车身模态等。局部起筋优化的载荷工况一般是局部模态、局部安装点刚度等。闭合件内板起筋优化的载荷工况一般为闭合件模态和内板上安装点刚度。形貌优化的目标为设定响应函数的最小值或者最大值。形貌优化的约束条件为刚度的位移值和模态频率值。考虑工艺可行性，形貌优化加强筋的形成由设置的变量控制。如肋参数的定义包括肋宽（beadwidth）、起肋角（drawangle）以及缓冲区（bufferzone）。用模式组定义对称约束。形貌优化后的分析结果可以通过ossmooth工具（中文名称：提取优化结果，功能解释：提取优化结果面板允许用户从优化程序optistruct、拓扑优化、形貌优化和形状优化结果提取和输入最终的设计几何图形到hypermesh中）生成几何数据输入到cad软件中，进行二次设计。
步骤d．车身尺寸和形状优化
基于载荷工况和性能目标建立车身的尺寸和形状优化模型，设计变量为零件料厚、梁结构横截面属性及形状参数，根据车身尺寸和形状优化后的结果优化车身结构。尺寸优化和形状优化前先通过灵敏度来辨别对某项性能有关键影响的零件。能有效提升优化效率，同时减轻低灵敏度零件的质量，达到轻量化的目的。
车身尺寸优化指零件料厚优化，料厚优化的设计变量为零件的厚度。载荷工况为全局工况，比如车身弯曲扭转刚度、车身模态等。零件料厚优化的目标为优化零件的质量为最小，约束条件为车身性能目标中设定的车身刚度值和模态值。零件厚度为离散的设计变量，在optistruct软件中，需要使用ddval卡片定义desvar卡片的设计变量值。
形状优化的设计变量为结构的形状参数。变量的生成及对应的dvgrid卡片的创建均由hypermorph软件实现。在shape面板（中文名称:形状,功能解释：形状面板允许用户进行形状优化）中将形状设计变量与形状变量相关，然后在optimization软件中定义优化设计约束和目标，最后在optistruct软件中进行优化求解。所述形状优化的目标为优化区域的质量最小，约束条件为车身或局部刚度和模态值。
步骤e．车身性能验证
对步骤d得到的车身结构进行全面的车身性能验证，若车身性能或轻量化目标未达标，则返回步骤b，直到车身性能和轻量化目标均达标。
至此，本本发明可实现结构开发流程（概念设计-详细设计-性能验证）全覆盖。本发明在概念设计阶段，通过全局拓扑和局部拓扑方法分析每一种载荷工况的传递路径和主要承载结构，从而获得主要承力部件最合理的布置位置。在详细设计阶段，对于零件最合理的厚度尺寸、梁结构最合理的截面形状及钣金件最合理的加强筋布置方案，分别采用尺寸优化和形貌优化方法来实现。本发明使设计车身在满足性能要求的前提下，能够极大提升了材料利用率和产品的竞争力。