一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法技术

本发明专利技术揭示了一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，包括以下步骤：其包括以下步骤，1)建立全铝车身有限元模型；2)对全铝车身模态、刚度进行分析；3)建立灵敏度分析优化响应模型；4)计算车身各部件的刚度灵敏度系数、模态灵敏度系数以及重量灵敏度系数；5)根据灵敏度系数计算结果，进行结构优化设计；6)对优化后的车身结构进行CAE分析验证，判断是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤5)，直至满足轻量化设计目标。本发明专利技术能够分析出车身整体结构中所有可实现轻量化的结构，且能够高效的验证优化后的结构是否满足模态、刚度要求，实现高效的、可靠的车身轻量化设计。

【技术实现步骤摘要】
一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法
本专利技术属于车辆设计
，特别是涉及一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法。
技术介绍
高刚度、轻量化成为当今汽车设计追求的指标。仅依靠增加部件厚度来提升白车身弯曲和扭转刚度是与此背道而驰的。而且，研究表明在车身的结构设计中，增加部件的厚度并不一定能够提高白车身的刚度。为此，本文以灵敏度分析为基础，研究各零部件对白车身刚度的贡献量，以确定白车身骨架结构的薄弱环节。并对其结构进行改进，从而有效提升车身性能。据统计，汽车每减轻其总质量的10％，燃油消耗量可降低6％～8％，降低排放5％～6％。车身是汽车的重要组成部分，其重量约占整车重量的40％，对车身结构进行优化设计能够有效降低汽车自重。车身的轻量化对于整车的轻量化起着举足轻重的作用，其对于整车开发的影响是多方面的。新材料、新工艺的大量应用虽然能明显的实现减重，但也带来的成本的急剧增加。优化设计是60年代初发展起来的一门学科，是将最优化原理和计算技术应用于设计领域，为工程设计提供一种重要的科学设计方法。利用这种新的设计方法，人们就可以从众多的设计方案中寻找出最佳设计方案，从而大大提高设计效率和质量，因此优化设计是现代设计理论和方法的一个重要领域。通过优化分析实现减重，降低车辆油耗、提高车辆运行的经济性的同时，也为汽车制造企业节约原材料、降低成本，带来显著的经济效益。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，能够分析出车身整体结构中所有可实现轻量化的结构，且能够高效的验证优化后的结构是否满足模态、刚度要求，实现高效的、可靠的车身轻量化设计。本专利技术通过如下技术方案实现上述目的：一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，其包括以下步骤，1)建立全铝车身有限元模型；2)对全铝车身模态、刚度进行分析，得到模态计算值、扭转刚度计算值以及弯曲刚度计算值；3)建立灵敏度分析优化响应模型：在常规模态、刚度计算模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、优化响应、约束条件以及优化目标；4)计算车身各部件的刚度灵敏度系数、模态灵敏度系数以及重量灵敏度系数；5)根据灵敏度系数计算结果，进行结构优化设计：根据灵敏度分析的结果，选择刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件、以及刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的部件作为优化对象；6)对优化后的车身结构进行CAE分析验证，判断是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤5)，直至满足轻量化设计目标。进一步的，所述步骤1)的具体步骤包括，a)利用HyperMesh软件前处理建立全铝车身有限元模型；b)采用acm单元模拟车身实体焊点；c)采用三角形和四边形网格单元进行网格划分。进一步的，所述步骤3)的具体步骤包括，a)定义设计变量：根据可减重部件表，设定设计变量以及关联设计变量，本实施例中以部件厚度为设计变量；b)设计约束条件：以全铝车身模态不小于所述模态计算值、弯曲刚度不小于所述弯曲刚度计算值、扭转刚度不小于所述扭转刚度计算值为约束条件；c)设置优化响应函数：根据约束条件和优化目标来设定优化响应函数；d)设置优化目标：以全铝车身质量最小为优化目标；进一步的，所述步骤5)的具体优化方法包括，a)对质量灵敏度大，而对弯扭刚度灵敏度小的部件，进行优化减弱处理；b)对质量灵敏度小，而对弯扭刚度灵敏度大的部件，进行加强处理。进一步的，所述步骤5)的具体优化方法包括，a)更改部件厚度：减薄灵敏度系数较小的部件，加厚灵敏度系数较大的部件；b)去掉灵敏度系数较小的部件；c)更改部件截面形状或大小，或者去掉中间的加强筋；d)结合拓扑优化，修改部件的形状；e)更改部件与部件之间的连接。与现有技术相比，本专利技术一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法的有益效果在于：1)在实际的车身开发中起到了较好的指导作用，表现出很强的工程实用性，其优化思路可为各个车型的轻量化分析提供参考；2)基于模态和刚度灵敏度分析，在保证车身常规性能不降低的情况下，实现车身轻量化，除为设计提供轻量化方向，同时也为改善弯扭模态和弯扭刚度性能值提供参考；3)在现有的模态、刚度计算模型基础上，设计车身所有部件的刚度、模态以及重量的灵敏度分析模型，并在此基础上进行轻量化优化，整套方法流程为车身轻量化设计提供了有效的设计方法；4)提出了具体的结构优化方法，使得轻量化车身结构的设计更加具有针对性；针对优化后的结构进行CAE进行分析验证，为整个设计方案提供了可靠的保障。【附图说明】图1为本专利技术本实施例的设计步骤流程图；图2为本专利技术本实施例的模块化设计步骤流程图；图3为本专利技术本实施例中全铝车身的有限元模型结构示意图；图4为本专利技术实施例中建立灵敏度分析优化响应模型的流程图；图中数字表示：1前风窗上横梁；2、左顶盖侧边梁；3、右顶盖侧边梁；4、CCB横梁；5、左门槛梁；6、前风窗下横梁；7、加强梁；8、地板前横梁；9、地板后横梁；10、前地板；11、行李箱边梁；12前减震器支架；13座椅后横梁；14A柱；15后挡风上横梁；16B柱外板；17右门槛梁；18座椅前横梁；19B柱后三角窗封板；20A柱加强板。【具体实施方式】实施例：请参照图1-图2，本实施例为基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，并以某型号全铝车身为设计对象，其包括以下步骤：1)建立全铝车身有限元模型。a)利用HyperMesh软件前处理建立全铝车身有限元模型；b)采用acm单元模拟车身实体焊点；c)采用三角形和四边形网格单元进行网格划分，有限元模型如图3所示。2)对全铝车身模态、刚度进行分析，得到模态计算值、扭转刚度计算值以及弯曲刚度计算值。车身结构的弯曲刚度、扭转刚度和模态是车身结构的重要力学性能，这三个指标反映了车身结构最基本的静动态特性。因此，基于此特性的轻量化设计具有很强的实际意义和应用价值。该型号全铝车身的一阶模态为38.6Hz，大于目标值30Hz，满足要求；弯曲刚度和扭转刚度曲线过渡平滑，其中弯曲刚度为18450N/mm，大于目标值10000N/m，扭转刚度7439Nm/°，大于目标值7000Nm/°，均满足设计要求。3)建立灵敏度分析优化响应模型：在常规模态、刚度计算模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、优化响应、约束条件以及优化目标，其模型处理流程如图4所示。a)定义设计变量：根据可减重部件表，设定设计变量以及关联设计变量，本实施例中以部件厚度为设计变量；b)设计约束条件：以全铝车身模态不小于模态计算值、弯曲刚度不小于弯曲刚度计算值、扭转刚度不小于扭转刚度计算值为约束条件；c)设置优化响应函数：根据约束条件和优化目标来设定优化响应函数；d)设置优化目标：以全铝车身质量最小为优化目标；4)计算车身各部件的刚度灵敏度系数、模态灵敏度系数以及重量灵敏度系数，并由大到小排序；5)根据灵敏度系数排序结果，进行结构优化设计：根据灵敏度分析的结果，选择刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件、以及刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的部件作为优化对象。具体的，对质量灵敏度大，而对弯扭刚度灵敏度小本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，其特征在于：其包括以下步骤，1)建立全铝车身有限元模型；2)对全铝车身模态、刚度进行分析，得到模态计算值、扭转刚度计算值以及弯曲刚度计算值；3)建立灵敏度分析优化响应模型：在常规模态、刚度计算模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、优化响应、约束条件以及优化目标；4)计算车身各部件的刚度灵敏度系数、模态灵敏度系数以及重量灵敏度系数；5)根据灵敏度系数计算结果，进行结构优化设计：根据灵敏度分析的结果，选择刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件、以及刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的部件作为优化对象；6)对优化后的车身结构进行CAE分析验证，判断是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤5)，直至满足轻量化设计目标。

【技术特征摘要】
1.一种基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，其特征在于：其包括以下步骤，1)建立全铝车身有限元模型；2)对全铝车身模态、刚度进行分析，得到模态计算值、扭转刚度计算值以及弯曲刚度计算值；3)建立灵敏度分析优化响应模型：在常规模态、刚度计算模型的基础上设置灵敏度分析所需的设计参数、优化响应、约束条件以及优化目标；4)计算车身各部件的刚度灵敏度系数、模态灵敏度系数以及重量灵敏度系数；5)根据灵敏度系数计算结果，进行结构优化设计：根据灵敏度分析的结果，选择刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数小且重量灵敏度系数大的部件、以及刚度灵敏度系数和模态灵敏度系数大且重量灵敏度系数小的部件作为优化对象；6)对优化后的车身结构进行CAE分析验证，判断是否满足轻量化设计目标，若满足，则设计完成；若不满足，则重复步骤5)，直至满足轻量化设计目标。2.根据权利要求1所述的基于灵敏度与CAE分析的全铝车身轻量化设计方法，其特征在于：所述步骤1)的具体步骤包括，a)利用HyperMesh软件前处理建立全铝车身有限元模型；b)采用acm单元模拟车身实体焊点；c)采用三角形和四边形网格单元进行网格划分。3.根据权利要求1所...

【专利技术属性】
技术研发人员：宿佳敏，唐丹，庞彦飞，蔺瑞兰，孙营，田永义，李明，宋峰，
申请(专利权)人：苏州奥杰汽车技术股份有限公司，苏州奥杰汽车工业有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏,32