一种基于应变能的车身结构优化设计方法技术

一种基于应变能的车身结构优化设计方法，包含车身结构有限元模型建立及模块划分、基于应变能计算刚度贡献率对车身结构优化模块进行筛选、建立刚度分布数学模型，以车身结构刚度贡献分布均匀化为约束条件，实现车身结构优化设计。本发明专利技术通过计算车身结构各模块的刚度贡献率来评价各模块所占刚度贡献的比重，实现车身结构刚度的合理分布，相比传统零部件抗疲劳轻量化方法，具有定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势；能够快速筛选出车身结构优化对象，改善结构应力集中的问题，提高车身结构疲劳寿命，减轻车身质量，大大提高优化效率。

An Optimum Design Method of Vehicle Body Structure Based on Strain Energy

An optimization design method of automobile body structure based on strain energy includes the establishment of finite element model of automobile body structure and the division of modules, the screening of optimization module of automobile body structure based on strain energy calculation stiffness contribution rate, and the establishment of mathematical model of stiffness distribution. The uniform distribution of stiffness contribution of automobile body structure is taken as constraint condition to realize automobile body structure optimization. Structural optimization design. The invention evaluates the proportion of each module's stiffness contribution by calculating the stiffness contribution rate of each module of the body structure, realizes the reasonable distribution of the body structure stiffness. Compared with the traditional anti-fatigue lightweight method of parts, the invention has a quantitative evaluation of the stiffness contribution of each sub-module of the body structure, and is compared with the traditional stiffness sensitivity score. The analysis method has advantages in computational efficiency and simplicity of calculation process; it can quickly select the optimization object of body structure, improve the problem of structural stress concentration, improve the fatigue life of body structure, reduce the quality of body, and greatly improve the optimization efficiency.

【技术实现步骤摘要】
一种基于应变能的车身结构优化设计方法专利
本专利技术涉及一种基于应变能的车身结构优化设计方法，属于车辆车身优化设计

技术介绍
车辆车身的疲劳寿命是影响车辆行驶安全性和可靠性的关键因素，对车身进行结构优化是提高车身疲劳寿命的有效手段，而目前针对车身的抗疲劳结构优化主要是结合灵敏度方法和优化算法对疲劳寿命进行优化，然而当车身结构的优化变量数量较多时，这种方法操作流程复杂且费时，无法快速有效地对车身结构进行抗疲劳优化。车身结构产生疲劳破坏的力学本质是应力集中，而刚度突变又是产生应力集中的根本原因，因此对于车身结构的抗疲劳优化的研究可以从协调车身结构的刚度着手。目前车身结构刚度设计主要关注结构的整体刚度，只能定性地指出车身结构刚度相对薄弱的区域，但是对于各区域的结构刚度具体强弱关系没有定量的判断，也就无法将车身结构的刚度设计目标分解到各模块中去。
技术实现思路
本专利技术针对现有的车身结构优化对象筛选方法的不足，导致无法快速有效地对车身结构进行优化设计的问题，提供一种基于应变能的车身结构优化设计方法。本专利技术的方法包括车身结构优化模块筛选方法以及基于该筛选方法的车身优化设计方法。本专利技术的车身结构优化模块筛选方法能够定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势。基于该筛选方法的车身优化设计方法是将刚度贡献均匀化作为约束条件，用于实现车身结构的优化设计。这一整套方法包含车身结构有限元模型建立及模块划分、刚度贡献率计算、刚度分布数学模型建立等流程，以车身结构刚度贡献分布均匀化为约束条件，最终实现车身结构优化设计。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，该方法包括以下步骤：步骤1依据结构部件将车身结构划分为若干模块；建立车身结构有限元模型，在建立有限元模型时，同一模块内网格编号连续；所述结构部件是指车架横梁、纵梁、保险杠、尾梁、底梁、前牵引横梁、后牵引横梁、支座、吊耳、龙门梁、小龙门梁、接头A、接头B、接头C、接头D和附件；功能型的加强筋并入相应位置的结构部件中；步骤2对车身整体结构进行弯曲工况与扭转工况刚度仿真，得到车身各模块中每一个单元的应变能值；对各模块每一个单元的应变能值求和得到车身各模块的应变能Vi；对车身各模块的应变能Vi求和得到车身整体结构应变能V0；步骤3按式(1)计算车身各模块的刚度贡献率：式中，V0为车身整体结构应变能，Vi为模块i的应变能；步骤4按式(2)确定模块的单位质量刚度贡献率，定义为刚度相对贡献率ξi：ξi＝ηi/mi(2)式中，mi为第i个模块的质量；步骤5计算车身各模块的刚度相对贡献率ξi，从高至低排序，筛选刚度相对贡献率位于高端的最前的20％的模块以及位于低端的最后的20％的模块；步骤6将步骤5筛选出的模块的特征参数作为变量，输入步骤1中有限元模型中，计算得到不同特征参数变量条件下的车身各模块的刚度相对贡献率数据；对得到的数据进行拟合，得到各模块的刚度相对贡献率与筛选出的模块的特征参数之间的弯曲工况函数关系式FWξi与扭转工况函数关系式FNξi；步骤7对步骤6的函数关系式FWξi和FNξi求方差，再求其平均值，得到刚度分布协调函数S，式(3)中：n是划分模块的个数；步骤8以刚度分布协调函数S、强度、刚度为约束条件，以筛选出的模块的特征参数作为变量，对优化目标建立优化函数，进行目标优化求解。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤2中，车身各模块中每一个单元是指每一个网格所对应的单元。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，式(1)按以下步骤得到：根据刚度贡献率定义，有：式(4)中，ηi为车身结构模块i对车身结构整体的刚度贡献率；Ki为第i个模块的刚度；K为车身结构的整体刚度；当车身结构整体刚度均匀发生相同比例λ的微小改变，那么车身结构整体刚度的改变量ΔKa为：ΔKa＝λK使车身结构某一特定模块i刚度均匀发生同比例改变，则模块i的刚度改变量ΔKi＝λKi，此时车身结构整体刚度改变量为ΔKp，当λ→0时，则有ΔKp→ΔKi；根据式(4)，则有：由位移的倒数来表征相对刚度，则式(5)可表示为：式(6)中，u1为各模块刚度均发生微小改变后车身的结构位移，u2为仅模块i刚度发生微小改变后车身的结构位移，u0为车身刚度改变前的结构位移；当λ→0时，有u1→u2，且有u0-u2＜＜u1，u0-u1＜＜u2，则式(6)可变形为：根据动能定理，结构的总应变能与结构位移有如下关系：综合式(7)、(8)，刚度贡献率可以表示为：本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，模块的特征参数选自模块板厚、弹性模量、截面形状中的至少一种。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤6中，拟合方法选自响应面模型、正交多项式模型、克里格模型、神经网络模型中的一种得到拟合的函数关系式FWξi、FNξi。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，采用二次响应面模型拟合，得到的弯曲函数关系式FWξi与扭转函数关系式FNξi为：式中，aWi,bWij,cWikl为弯曲工况中FWξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；xWj,xWk,xWl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数，j,k,l为1～n之间的整数；aNi,bNij,cNikl为弯曲工况中FNξi的二次响应面模型中待定系数，可在仿真试验分析的基础上确定；xNj,xNk,xNl分别为弯曲工况中第j,k,l个特征参数。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，根据步骤5得到的车身各模块的刚度相对贡献率ξi；刚度相对贡献率小的模块作为轻量化的优化对象；刚度相对贡献率大的模块作为刚度强化的优化对象。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，优化目标选自车身质量、车身疲劳寿命中的至少一种。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，优化车身质量和/或车身疲劳寿命时，约束条件为：刚度分布协调函数S值范围在0～0.1；强度以施加的应力小于材料的许用应力，即σ＜[σ]；刚度不小于原车身设计刚度，即KW≥KW0，KN≥KN0；其中KW为弯曲刚度、KW0为原车身的设计弯曲刚度、KN为扭转刚度、KN0为原车身设计扭转刚度。本专利技术一种基于应变能的车身结构优化设计方法，步骤8中，优化车身质量时，优化函数为：优化车身疲劳寿命时，优化函数为：优化车身质量和车身疲劳寿命时，优化函数为：本专利技术建立的基于应变能的车身结构优化设计方法有效地计算出车身结构各模块的刚度贡献，并用刚度相对贡献率来评价各模块所占刚度贡献的比重，最终实现车身结构刚度的合理分布，相比传统零部件抗疲劳轻量化方法，本专利技术有益效果是：1.本专利技术的车身结构优化模块筛选方法能够定量地评价车身结构各子模块的刚度贡献，相较于传统的刚度灵敏度分析方法在计算效率及计算的流程简洁性上存在优势；2.本专利技术将车身结构细化分成若干模块，用刚度相对贡献率定量地评价各模块的刚度贡献大小，刚度相对贡献率较大的模块作为加强对象，刚度相对贡献率较小的作为轻量化对象。该方法能够快速筛选出车身结构优化对象，大大提高优化效率；3.本专利技术从协调车身结构的刚度着手，通过车身结构刚度贡献均匀化，改善结构应力集中的问题，从而提高车身结构疲劳寿命。附本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1依据结构部件将车身结构划分为若干模块；建立车身结构有限元模型，在建立有限元模型时，同一模块内网格编号连续；步骤2对车身整体结构进行弯曲工况与扭转工况刚度仿真，得到车身各模块中每一个单元的应变能值；对各模块每一个单元的应变能值求和得到车身各模块的应变能Vi；对车身各模块的应变能Vi求和得到车身整体结构应变能V0；步骤3按式(1)计算车身各模块的刚度贡献率：

【技术特征摘要】
1.一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：步骤1依据结构部件将车身结构划分为若干模块；建立车身结构有限元模型，在建立有限元模型时，同一模块内网格编号连续；步骤2对车身整体结构进行弯曲工况与扭转工况刚度仿真，得到车身各模块中每一个单元的应变能值；对各模块每一个单元的应变能值求和得到车身各模块的应变能Vi；对车身各模块的应变能Vi求和得到车身整体结构应变能V0；步骤3按式(1)计算车身各模块的刚度贡献率：式中，V0为车身整体结构应变能，Vi为模块i的应变能；步骤4按式(2)确定模块的单位质量刚度贡献率，定义为刚度相对贡献率ξi：ξi＝ηi/mi(2)式中，mi为第i个模块的质量；步骤5计算车身各模块的刚度相对贡献率ξi，从高至低排序，筛选刚度相对贡献率位于高端的最前的20％的模块以及位于低端的最后的20％的模块；步骤6将步骤5筛选出的模块的特征参数作为变量，输入步骤1中有限元模型中，计算得到不同特征参数变量条件下的车身各模块的刚度相对贡献率数据；对得到的数据进行拟合，得到各模块的刚度相对贡献率与筛选出的模块的特征参数之间的弯曲工况函数关系式FWξi与扭转工况函数关系式FNξi；步骤7对步骤6的函数关系式FWξi和FNξi求方差，再求其平均值，得到刚度分布协调函数S，式(3)中：n是划分模块的个数；步骤8以刚度分布协调函数S及强度、刚度为约束条件，以筛选出的模块的特征参数作为变量，对优化目标建立优化函数，进行目标优化求解。2.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，步骤2中，车身各模块中每一个单元是指每一个网格所对应的单元。3.根据权利要求1所述的一种基于应变能的车身结构优化设计方法，其特征在于，式(1)按以下步骤得到：根据刚度贡献率定义，有：式(4)中，ηi为车身结构模块i对车身结构整体的刚度贡献率；Ki为第i个模块的刚度；K为车身结构的整体刚度；当车身结构整体刚度均匀发生相同比例λ的微小改变，那么车身结构整体刚度的改变量ΔKa为：ΔKa＝λK使车身结构某一特定模块i刚度均匀发生同比例改变，则模块i的刚度改变量ΔKi＝λKi，此时车身结构整体刚度改变量为ΔKp，当λ→0时，则有ΔKp→ΔKi；根据式(4)，则有：由位移的倒数来表征相对刚度，则式(5)可表示为：式(6)中，u1为各模块刚度均发生微小改变后车身的结构位移，u2为仅模...

【专利技术属性】
技术研发人员：谷正气，张沙，符筱，李国勇，马骁骙，胡洪波，韩征彤，
申请(专利权)人：湖南文理学院，
类型：发明
国别省市：湖南,43