一种基于模型确认技术的车身梁截面设计方法与流程

本发明涉及车身截面设计技术领域，尤其涉及一种基于模型确认技术的车身梁截面设计方法。

背景技术：

现代车身设计过程中，常采用cae技术对车身性能进行早期的评估。但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已被定义参数的梁单元构成的简化框架模型，无法定义车身截面的详细参数，因此车身后期优化设计结果并不准确，其已成为由车身概念设计线框模型顺利过渡到由曲面定义车身设计模型的发展瓶颈。

车身梁截面形状直接影响汽车的碰撞安全性，为了提高车身侧面碰撞强度，需要在b柱中增加加强板或改变加强板形状。现有技术中，优化方法不具备解决车身截面的通用性实际设计问题，也没有充分考虑实际工程设计因素对于截面设计的影响。可见，对于车身设计而言，无论是在前期概念设计还是后续详细设计阶段，迫切需要一种针对完整车身梁截面的优化设计方法以增强整车的安全性，实现整车轻量化和商业化。

目前，数值建模仿真已广泛应用于车身设计领域，并发挥着越来越重要的作用。但实际生产中的情况与实验室中的理想状态存在差异，数值仿真技术尚处于发展阶段，仿真中的误差严重影响实际生产制造，数值仿真的可信度成为评价仿真计算品质的决定因素，正确可信的建模仿真具有实际的应用价值和意义，反之会导致错误的决策并产生负面影响。可见，当前缺少一种可信的采用数值建模仿真和实验验证二合一的方法用于车身梁截面设计。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明实施例旨在提供一种基于模型确认技术的车身梁截面设计方法，用以解决现有技术无法可信地将数值建模仿真和实验验证结合用于车身梁截面设计的问题。

一方面，本发明实施例提供了一种基于模型确认技术的车身梁截面设计方法，包括如下步骤：

建立汽车车身物理模型，获得其对应的车身梁单元结构；

根据多目标优化参数以及约束条件，建立车身优化目标函数，获得车身梁截面的最优形状、关键控制点坐标，并制造对应的车身模型实物；

对所述车身模型实物进行静载或动载试验，获得车身静载或动载试验实测结果；

判断上述实测结果与所述车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足模型确认准则；不满足，则修正所述最优形状、关键控制点坐标以及材料，直到满足为止。

上述技术方案的有益效果如下：在汽车车身的产品设计周期中，引入模型确认方法，将试验实测结果与cae仿真结果对比，修正实际情况中的可变因素，量化复杂的数值模型与试验结果的数值差异，形成理论与实际相结合的数值分析循环周期，可令车身设计结果更接近实际，并缩短设计与加工周期。

基于上述方法的另一个实施例中，所述建立汽车车身物理模型，获得其对应的车身梁单元结构，包括如下步骤：

通过建模软件，建立汽车车身物理模型；所述汽车车身物理模型包括车身梁、车身骨架结构；

通过有限元分析方法，获得所述汽车对应的车身梁单元结构；

针对每一个车身梁单元结构，设置初始模型参数。

上述技术方案的有益效果是：现有技术大多只是针对车身梁自身进行优化分析，而忽略了其他重要的影响因素，例如车身骨架结果，因此分析结果与现实有很大差距。上述技术方案对此进行了考虑，并且，由于车身梁单元结构性能将影响到车身的整体性能，因此，对车身梁单元结构进行设计是车身概念设计的一项关键任务，针对每个车身梁单元结构设置初始模型参数，更加贴合实际情况，能够兼顾到局部信息，提供详细的截面参数信息，带来突出的技术效果。

进一步，所述多目标优化参数包括车身梁截面面积、y轴惯性矩、z轴惯性矩、混合惯性矩、y向塑性力矩、z向塑性力矩、抗扭截面系数、抗弯截面系数、材料成本；

所述约束条件包括可制造性约束、可装配性约束和材料约束。

上述进一步方案的有益效果是：对多目标优化参数和约束条件进行了限定，上述内容是通过试验总结出的规律，直接应用能够缩短试验周期和试验复杂度。

进一步，所述车身优化目标函数表示为

式中，f1表示车身梁截面面积，f2表示y轴惯性矩，f3表示z轴惯性矩，f4表示混合惯性矩，f5表示y向塑性力矩，f6表示z向塑性力矩，f7表示抗扭截面系数，f8表示抗弯截面系数，f9表示材料成本。

上述进一步方案的有益效果是：梁、柱结构是车身骨架的基本承载单元，它很大程度上决定了汽车整车的承载结构和性能，直接影响汽车的经济性和碰撞安全性。车身梁的承载能力是由其截面属性决定的，即车身梁截面面积、惯性矩等。且当惯性矩、塑性力矩、抗扭截面系数和抗弯截面系数取最大值时，车身梁的承载特性达到最优效果。车身截面的设计目标不仅要满足设计人员对截面特性的要求，还需要使车身结构最轻且材料成本最低，故而取截面面积和材料成本为最小值，作为优化目标。

进一步，所述可制造性约束设置为，通过对设计变量dj,k定义设计边界dj,k^l和dj,k^u来实现约束

dj,k^u＝dmax

式中，dj,k表示梁截面坐标系下车身截面的多层板中第k层板的第j个点到k-1层板的第j个点的距离，dmax表示最大距离，zj,k表示第k层板的第j个控制点的z轴坐标，zj,k-1表示第k-1层板的第j个控制点的z轴坐标,l表示下边界,u表示上边界；

所述可装配性约束设置为，不参与形状变化的设计变量

dj,k＝0

所述材料约束设置为，将所有材料参数建立数据库管理，在设置初始模型参数时以数据库的方式直接调用离散的材料参数作为优化设计的初值，在后续的模型确认流程中通过区间变量模型修正方法求解最优材料参数，以确定车身梁截面的材料选择。

上述进一步方案的有益效果是：车身形状的优化设计目标，一般可抽象为用于控制截面形状的坐标点的连续变化。在设计中，存在离散变量和连续变量，适合采用遗传算法或遗传算法的变异算法进行求解。但是约束设计对于遗传算法或遗传算法的变异算法是个难点，特别是当约束不能够被显式表示的时候。因此，上述进一步方案约束优化时设计变量没有直接选择形状控制点，而是使用各层板控制点之间的偏移量dj,k，这为解决可制造性约束提供了便利条件。由于设计变量定义的是控制点位置的变化，是在j控制点垂直于y轴方向进行上下移动，这就决定了如果设计初始的截面形状没有负角，优化后的截面形状也不会产生负角，这就消除了负角情况，符合冲压条件。对于装配约束的设定，由于考虑到装配设计或位置约束，截面的部分形状并不能参与形状的调整，不参与优化的设计变量dj,k＝0。

进一步，所述对车身模型实物进行静载或动载试验、获得车身静载或动载试验实测结果，包括如下步骤：

选择与上述车身梁截面最优形状、所用材料一致的车身梁设计工业标准；

根据上述车身梁设计工业标准，对所述车身模型实物进行静载或动载试验，获得车身静载或动载试验实测结果。

上述进一步方案的有益效果是：根据上述设计方法制造实物，并将实物用于验证设计的可信性，符合相关工业设计标准。

进一步，所述判断上述实测结果与车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足模型确认准则，包括如下步骤：

计算所述车身静载或动载试验实测结果对应的累计分布函数一；

建立所述车身模型实物对应的仿真模型，对所述仿真模型进行静载或动载仿真计算，获得对应的静载或动载仿真结果；

根据上述静载或动载仿真结果，计算所述静载或动载仿真结果对应的累积分布函数二；

设置包括所述累计分布函数一和累计分布函数二关系的模型确认参数，并计算其数值，将获得的模型确认参数计算结果与预设模型确认指标进行比较，判断车身静载或动载试验结果与所述车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足所述模型确认准则；如果满足，判定所述最优形状、关键控制点坐标以及选用材料满足车身梁截面设计；如果不满足，对所述最优形状、关键控制点坐标以及材料进行修正，重复上述步骤，再次验证是否满足模型确认准则，直到满足为止。

上述进一步方案的有益效果是：利用试验实测结果的累计分布函数与cae仿真结果的累计分布函数的量化对比，修正实际情况中的可变因素，量化复杂数值模型与试验结果的数值差异，形成理论与实际相结合的数值分析循环周期，可令车身设计结果更接近实际，并缩短设计与加工周期。

进一步，所述模型确认准则为，通过模型确认参数ssqr(x)与预设模型确认指标ε比较，判断所述最优形状、关键控制点坐标以及材料是否满足汽车车身梁截面设计，其中，

式中，表示车身静载或动载试验实测数据的均值，f^e(x)表示车身静载或动载试验实测结果的累计分布函数，f^m(x)表示车身静载或动载仿真结果的累计分布函数，x表示设计变量；

如果判定所述最优形状、关键控制点坐标以及材料满足汽车车身梁截面设计；

如果ssqr≥ε，判定需要通过区间变量模型修正方法对所述最优形状、关键控制点坐标以及材料进行修正。

上述进一步方案的有益效果是：量化计算模型与物理模型的差异，为决策提供可靠的理论依据。可应用累计分布函数之间的面积衡量二者的不确定性，并应用使其成为一种模型确认方法。

进一步，所述区间变量模型修正方法的计算公式为

式中，ssqr(x)表示模型确认参数，表示不能满足确认指标的准则参数，u表示上边界，aⁱ表示定参数矢量。

上述进一步方案的有益效果是：修正不确定变量的区间，优化不确定变量在数据库中的选择范围，为不确定变量的再选择与仿真的再计算奠定基础。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明实施例1基于模型确认技术的车身梁截面设计方法的步骤示意图；

图2为本发明实施例2建立汽车车身物理模型、获得其对应的车身梁单元结构的步骤示意图；

图3为本发明实施例2对车身模型实物进行静载或动载试验、获得车身静载或动载试验实测结果的步骤示意图；

图4为本发明实施例2判断实测结果与车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足模型确认准则的步骤示意图。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种基于模型确认技术的车身梁截面设计方法，如图1所示，包括如下步骤：

s1.建立汽车车身物理模型，获得其对应的车身梁单元结构。

s2.根据多目标优化参数以及约束条件，建立车身优化目标函数，获得车身梁截面的最优形状、关键控制点坐标，并制造对应的车身模型实物。所述车身优化目标函数的建立，目的是使车身性能最优、成本最低。

s3.按照工业设计标准，对所述车身模型实物进行静载或动载试验，获得车身静载或动载试验实测结果。

s4.判断上述实测结果与所述车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足模型确认准则；不满足，则修正所述最优形状、关键控制点坐标以及材料，直到满足为止。

与现有技术相比，本实施例提供的方法将模型确认技术应用于车身概念设计阶段，既满足车身设计目标，又符合工程设计要求，同时也适用于详细工程设计阶段对现有车身截面进行局部优化，以增加车身刚度和降低部件重量。在试验数据较少的情况下进行模型确认，既有利于提高设计精度，又减少了设计投资成本。

实施例2

在上述实施例的基础上进行优化，如图2所示，步骤s1可进一步细化为如下步骤：

s11.根据预设需求，通过建模软件，建立汽车车身物理模型。所述汽车车身物理模型包括车身梁、车身骨架结构等。

s12.通过有限元分析方法对上述汽车车身物理模型进行有限元分析，获得所述汽车对应的车身梁单元结构。

s13.针对每一个车身梁单元结构，设置初始模型参数。所述初始模型参数包括材料参数和壁面厚度，其中，所述材料参数包括弹性模量、泊松比、密度等。

优选地，步骤s2中，所述多目标优化参数包括车身梁截面面积、y轴惯性矩、z轴惯性矩、混合惯性矩、y向塑性力矩、z向塑性力矩、抗扭截面系数、抗弯截面系数、材料成本9个参数。所述约束条件包括可制造性约束、可装配性约束和材料约束。

其中，车身梁截面面积可以表示为

式中，a表示车身梁单元结构的截面面积，li表示第i段车身梁单元结构的壁段长度，ti表示第i段车身梁单元结构的壁段宽度，k表示车身梁单元结构的个数。

y轴惯性矩表示为

式中，z表示截面线段中心的z轴坐标，zai表示第i段车身梁单元结构壁段上a点在形心坐标系zgy下的z轴坐标，zbi表示第i段车身梁单元结构壁段上b点在形心坐标系zgy下的z轴坐标，n表示控制点个数。

z轴惯性矩表示为

式中，y表示截面线段中心的y轴坐标，yai表示第i段车身梁单元结构壁段上a点在形心坐标系zgy下的y轴坐标，ybi表示第i段车身梁单元结构壁段上b点在形心坐标系zgy下的y轴坐标。

混合惯性矩表示为

y向塑性力矩表示为

f5＝∫azσz(y,z)da(5)

式中，σz(y,z)表示z方向上的应力。

z向塑性力矩表示为

f6＝∫azσy(y,z)da(6)

式中，σy(y,z)表示y方向上的应力。

抗扭截面系数表示为

式中，ip表示极惯性矩，ρmax表示最大计算半径。

抗弯截面系数表示为

式中，iz表示惯性矩，ymax表示相对于中性层的最大距离。

材料成本表示为

式中，c表示板材单价，ρ表示板料密度，v表示材料体积，l表示车身梁截面宽度，ρi表示第i段车身梁单元结构材料密度，ci表示第i段车身梁单元结构材料价格。

优选地，步骤s2中，所述车身优化目标函数表示为

式中，f1表示车身梁截面面积，f2表示y轴惯性矩，f3表示z轴惯性矩，f4表示混合惯性矩，f5表示y向塑性力矩，f6表示z向塑性力矩，f7表示抗扭截面系数，f8表示抗弯截面系数，f9表示材料成本。

优选地，步骤s2中，所述获得车身梁截面的最优形状、关键控制点坐标的方法，为非支配排序遗传算法、小生境非劣遗传算法或非劣蚁群优化算法中的至少一种。本领域技术人员能够理解，不再详述。

优选地，可制造性约束设置为：通过对设计变量dj,k定义设计边界dj,k^l和dj,k^u来实现约束

式中，dj,k表示梁截面坐标系下车身截面的多层板中第k层板的第j个点到k-1层板的第j个点的距离，dmax表示最大距离，zj,k表示第k层板的第j个控制点的z轴坐标，zj,k-1表示第k-1层板的第j个控制点的z轴坐标,l表示下边界,u表示上边界。

可制造工艺约束限定截面形状不能产生负角、截面各层之间不能出现交叉的情况，否则无法通过冲压工艺进行加工。

可装配性约束设置为：不参与形状变化的设计变量

dj,k＝0(12)

材料约束设置为：将所有材料参数建立数据库管理，在设置初始模型参数时以数据库的方式直接调用离散的材料参数作为优化设计的初值，在后续的模型确认流程中通过区间变量模型修正方法求解最优材料参数，以确定车身梁截面的材料选择。

上述设计变量dj,k可进一步解释为：以梁截面两个焊点连线为y轴，过左焊点垂直y轴直线设为z轴，建立梁截面局部坐标。沿y轴方向将两焊点间距离等分成j+1段得到j个点，每层截面上将产生相对应的j个点，每层截面上将产生相对应的j个点作为截面形状的控制点，每个控制点的坐标可表示为(yj,k,zj,k),j＝1···j，k表示截面层数。dj,1为第1层板上第j个点到y轴的距离，dj,k(k＞1)则表示第k层板的第j个点到第k-1层板的第j个点的距离。控制点总个数为j，坐标公式为

优选地，如图3所示，步骤s3可进一步细化为如下步骤：

s31.选择与上述车身梁截面最优形状、所用材料一致的车身梁设计工业标准；

s32.根据上述车身梁设计工业标准，对所述车身模型实物进行静载或动载试验，获得车身静载或动载试验实测结果。

优选地，如图4所示，步骤s4可进一步细化为如下步骤：

s41.根据车身静载或动载试验实测结果，计算所述车身静载或动载试验实测结果对应的累计分布函数一。

s42.建立所述车身模型实物对应的仿真模型，对所述仿真模型进行静载或动载仿真计算，获得对应的静载或动载仿真结果。

s43.根据上述静载或动载仿真结果，计算所述静载或动载仿真结果对应的累积分布函数二。

s44.设置包括所述累计分布函数一和累计分布函数二关系的模型确认参数，并计算其数值，将获得的模型确认参数计算结果与预设模型确认指标进行比较，判断车身静载或动载试验结果与所述车身模型实物对应的静载或动载仿真结果是否满足所述模型确认准则。如果满足，判定所述最优形状、关键控制点坐标以及选用材料满足车身梁截面设计；如果不满足，对所述最优形状、关键控制点坐标以及材料进行修正，重复上述步骤，再次验证是否满足模型确认准则，直到满足为止。

优选地，步骤s4中和步骤s44中，所述模型确认准则为：通过模型确认参数ssqr(x)与预设模型确认指标ε比较，判断所述最优形状、关键控制点坐标以及材料是否满足汽车车身梁截面设计，其中，

式中，表示车身静载或动载试验实测数据的均值，f^e(x)表示车身静载或动载试验实测结果的累计分布函数，f^m(x)表示车身静载或动载仿真结果的累计分布函数，x表示设计变量。

如果判定所述最优形状、关键控制点坐标以及材料满足汽车车身梁截面设计。

如果ssqr≥ε，判定需要通过区间变量模型修正方法对所述最优形状、关键控制点坐标以及材料进行修正。

优选地，上述区间变量模型修正方法的计算公式为

式中，ssqr(x)表示模型确认参数，表示不能满足确认指标的准则参数，u表示上边界，ai表示定参数矢量。

上述区间变量模型修正方法的求解是一个复杂的双层嵌套求解过程，耗时较长。为了简化计算，也可以将定参数矢量转换为

aⁱ＝[a^c-a^w，a^c+a^w](16)

式中，a^c和a^w分别表示区间aⁱ的中点和半径。

通过上述公式，可以将将区间变量模型修正方法中的区间变量(定参数矢量)写成中点与半径的形式，则区间变量模型修正方法的目标函数可以写成

x^c＝(x^c1，x^c2，…，x^cn)

x^w＝(x^w1，x^w2，…，x^wn)(17)

式中，x^c为中心点矢量，x^w为半径矢量。

在模型修正中，通过试验计算x^c，区间变量模型修正方法的优化参数变成x^w，由此模型修正的目标函数简化为

通过上述处理过程，模型修正问题变成了一个带约束的优化问题。

上述方法应用区间确认理论，将模型修正问题由双层嵌套求解过程演变为一个带约束的求解问题，能够降低计算成本。且应用区间模型确认方法优化区间范围，便于梁截面形状优化过程中材料在数据库的读取及软件开发。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法的全部或部分流程，可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于计算机可读存储介质中。其中，所述计算机可读存储介质为磁盘、光盘、只读存储记忆体或随机存储记忆体等。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。