一种汽车前部结构正面碰撞概念模型设计方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于汽车车身设计技术领域，涉及一种汽车前部结构正面碰撞概念模型设 计方法，具体地说，涉及一种基于集中参数化模型的汽车前部结构正面碰撞概念模型设计 方法。
【背景技术】
[0002] 车身结构设计通常分为概念设计和详细设计两个阶段。汽车正面碰撞概念设计阶 段的主要任务是确定车身吸能部件的布置形式及抗撞性刚度分布。车身结构作为汽车四大 总成之一，是汽车设计中的重要组成部分，同时也是保证汽车碰撞安全性能的重要载体。结 构抗撞性作为评价汽车安全性能的重要指标，其设计的难度大，在汽车详细设计阶段进行 修改的余地较小，因此在概念设计阶段即将汽车的抗撞性能作为设计目标，对于提高整车 碰撞安全性能，缩短产品设计周期具有十分重要的意义。
[0003] 通过对相关文献检索，国内外各研宄机构都对汽车概念设计进行大量研宄。丰田 公司的Hidekazu Nishigaki等人开发了以EXCEL为操作平台的FOA系统，以实现概念设 计阶段的车身框架结构快速建模。Nissan北美技术中心的Karim Hamza等人，建立了包 括滑动副与转动副的车身概念设计模型，进行了仿真分析。福特汽车公司的设计人员开 发了一种概念车身框架结构；Volvo汽车公司的Nicklas Bylund等人开发了 DAMIDA程序 和ADRIAN程序，分别用于建立梁单元和接头单元，并应用这两种程序建立了包含接头刚度 矩阵和梁单元截面信息的车身概念模型PBM(Property-Based Model)，这种模型已应用于 Volvo平台车型的概念设计开发。吉林大学的徐涛教授团队与中国第一汽车集团公司技术 中心的设计人员共同研宄开发了适用于车身概念设计阶段的专用分析工具，集成了快速建 模、刚度分析、DOE及多种优化算法，实现了概念设计阶段车身框架结构简化模型的快速建 模、分析与优化。
[0004] 从以上分析看出概念设计模型必须满足以下三点要求：（1)模型必须简单，在没 有详细车身数据的概念设计阶段能够易于构造，从而对车身结构的合理性实现快速分析； (2)模型要方便修改，通过简化模型分析对比设计方案的合理性，其最终目的是车身结构的 最优化，简化模型如果不满足快速修改的要求，则不能适用于概念设计阶段；（3)模型还要 能够实现参数化，参数化的建模方法能够保证实现只需要修改模型的部分设计参数就能够 适应新车型功能的目的，另一方面，通过参数化建立的简化模型可实现概念设计阶段的优 化设计在车型设计初期引入优化的概念，从设计的源头保证概念设计方案的合理性，避免 详细阶段的反复修改。
[0005] 集中参数化模型LPM(Lumped Parameter Model)能很好的满足以上三点要求。类 似现有技术中整车LPM的弹簧单元均采用弹性材料，这会导致在碰撞过程中质量块发生回 弹，出现相应误差。并且，现有技术中对LPM的弹簧单元进行力-位移关系曲线刚度赋值大 多根据试验数据或模拟结果来定义，属于逆向概念设计，对新车型详细设计阶段的指导意 义不大。LPM的主要优势在于，在汽车概念设计阶段，可以根据总布置需求快速修改LPM设 计参数，从而对部件质量及车身轴向刚度分布有一个量化的设计，设计的自由度大，实现正 向的概念设计。
【发明内容】
[0006] 为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种汽车前部结构正面碰撞概念模 型设计方法，是一种简化的集中参数化模型LPM (Lumped Parameter Model)，主要用于新车 型的正向概念设计阶段中的抗撞性分析、以及车身前部结构的布局研宄。通过建立新车型 的多自由度LPM，来快速分析评价汽车在正面碰撞过程的抗撞性表现，并可进一步指导与开 展基于安全性的汽车结构优化设计。通过将可参数化的分段线性的力-位移关系曲线赋值 给LPM中的弹簧单元，实现LPM轴向碰撞刚度的定义，将可参数化的非线性弯矩-转角特性 曲线赋值给扭转弹簧，模拟塑性铰的弯曲变形，从而达到在汽车的概念设计阶段初步评估 抗撞性能、控制车身轴向刚度分布、整车弯曲特性的设计目标。
[0007] 其技术方案为：
[0008] 一种汽车前部结构正面碰撞概念模型设计方法，包括以下步骤：
[0009] 步骤1 :设计人员对概念设计阶段的汽车前部结构进行总体设计，确定汽车的主 要参数和布局；
[0010] 步骤2 :设计人员根据汽车正面碰撞安全性实际设计问题的需要，确定LPM的规模 和形状，即模型的自由度数、空间布局结构，也就是汽车前部吸能结构各个子系统的实际尺 寸、位置等；
[0011] 步骤3 :根据以上信息，对整车系统进行集成和简化，将其抽象为集中参数化模型 LPM，其中，包括将吸能子系统或部件发生轴向压溃的部件简化为弹-塑性的弹簧单元，将 发生塑性弯曲变形的部件简化为塑性铰结构，将在碰撞过程中不发生大变形或不承担吸能 任务的大质量结构，简化为刚性的质量块单元；
[0012] 步骤4:根据目标车型的总布置情况及设计目标，确定整车LPM中各单元代表的实 际意义，即弹簧单元及质量块的设计参数，包括弹簧长度、质量块边长及质量块质量；
[0013] 步骤5 :根据概念设计方案中预期要达到的抗撞性目标，设计整车LPM中各轴向压 溃弹簧的刚度情况、塑形弯曲弹簧的弯曲特性，根据设计经验及设计要求，对代表各弹簧刚 度的分段线性的力-位移关系曲线、弯矩-转角曲线进行设计定义，然后将特性曲线赋值给 相应的弹-塑性弹簧材料；
[0014] 步骤6 :把模型中的设计参数，实现参数化建模，最终实现全流程自动化，即建模 到求解的一键式操作；
[0015] 步骤7 :将建立好的整车LPM导入通用的商业软件中进行正面碰撞仿真分析，得到 整车LPM的结果信息，包括：碰撞力、能量和速度在时域内的曲线，据此判断整车LPM的碰撞 响应是否满足预定义的正面碰撞安全性设计要求，如不满足，则在设计允许范围内应用开 发平台修改LPM中的设计参数，包括弹簧长度、质量块质量及弹簧的刚度，直至满足设计要 求，自此概念设计阶段结束，并可在此基础上开展汽车结构的详细设计。
[0016] 优选地，步骤1中所述主要参数和布局包括车身长度、宽度、高度及整车质量等。
[0017] 优选地，步骤6中所述设计参数为部件的长度、刚度、空间布局等。
[0018] 与现有技术相比，本发明的有益效果为：
[0019] 本发明通过该基于集中参数化模型的汽车前部结构正面碰撞概念设计方法，能够 根据总布置要求快速搭建整车碰撞概念分析模型，实现抗撞性能的快速评估，进而指导后 续的结构修改和布置调整，符合面向被动安全性能的结构设计需求。设计人员采用本发明， 能够实现对初步设计方案中的整车抗撞性能的快速评估和设计方案的快速修改。具有较强 的实用性。
【附图说明】
[0020] 图1为本发明LPM实施的流程图；