一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法及系统技术方案

本发明专利技术公开了一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法及系统，包括，确定顶棚结构的拓扑优化空间；利用铰链安装位置作为非设计区域，并确定适用于所述顶棚结构分析的工况路径；利用所述工况路径，建立顶棚拓扑分析模型；计算所述分析模型，并输出处理结果，构建几何模型；基于输出的所述几何模型，构建初版顶棚结构方案；利用所述初版顶棚结构方案建立有限元模型，验证所述顶棚结构的性能，并分析所述顶棚结构性能是否满足所述顶棚结构建立要求。本发明专利技术通过拓扑优化策略，结合有限元仿真分析策略，能够寻找到最佳的传力路径，基于此传力路径设计出的顶棚结构，在满足强度刚度性能的同时，可以实现重量最轻，仿真驱动设计，缩短研发周期。

An analysis method and system based on topology optimization of car body ceiling structure

【技术实现步骤摘要】
一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法及系统
本专利技术涉及汽车研发、计算机仿真
，尤其涉及一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法及系统。
技术介绍
拓扑优化式建立在拓扑学、计算机技术和优化方法基础上的结构优化理论，涉及到应用数学、计算机力学、优化策略等领域，并且不断融入新的数值算法、图像处理技术、科学计算可视化等新兴学科与技术。随着拓扑优化理论和工程研究的逐步进展，拓扑优化即将成为新产品设计和开发的有利工具；拓扑优化方法，是在给定的空间区域内，依据已知的载荷与约束条件，找出最佳的材料分布，使结构在材料质量一定的前提下，刚度、强度等性能达到最佳，或者在性能保持不变的前提下，质量达到最小。目前最常用的拓扑优化方法是密度法，其基本思想是引入一种相对密度的概念，材料密度在0-1之间可变，0表示无材料填充，1表示实体填充，0-1之间表示材料为过度单元，然后定义单元密度作为设计变量，再引入惩罚因子对密度在0-1之间的单元进行惩罚，是拓扑优化模型更好的逼近0或者1。现有的结构设计方法是，设计工程师在现有结构基础上制作出新的结构，或者依据工程师经验设计出新结构，然后再交给仿真工程，开展仿真分析，考察强度、刚度是否满足目标，如果不满足，需要优化结构，直至满足；整个过程缺少正向设计，开发周期长，结构性能与重量的平衡上不是最优。
技术实现思路
本部分的目的在于概述本专利技术的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本申请的说明书摘要和专利技术名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和专利技术名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本专利技术的范围。鉴于上述现有存在的问题，提出了本专利技术。因此，本专利技术提供了一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法及系统，通过拓扑优化策略，利用传力路径分析，获取最优的材料分布。为解决上述技术问题，本专利技术提供如下技术方案：确定顶棚结构的拓扑优化空间；利用铰链安装位置作为非设计区域，并确定适用于所述顶棚结构分析的工况路径；利用所述工况路径，建立顶棚拓扑分析模型；计算所述分析模型，并输出处理结果，构建几何模型；基于输出的所述几何模型，构建初版顶棚结构方案；利用所述初版顶棚结构方案建立有限元模型，验证所述顶棚结构的性能，并分析所述顶棚结构性能是否满足所述顶棚结构建立要求。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：定义所述顶棚结构的外观造型为上边界；将所述顶棚结构的A柱、B柱、C柱、D柱位置分别定义为前后左右边界；再将所述顶棚结构的乘员头部空间位置定义为下边界；利用所述上边界、所述前后左右边界和所述下边界作为最大的优化空间，从而确定所述顶棚结构的所述拓扑优化空间。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：利用整体式鸥翼门的所述铰链安装位置作为所述非设计区域；将所述整体式鸥翼门的结构与所述铰链安装位置作为不能更改的约束条件，参与力的传递；利用所述整体式鸥翼门的自身重力由所述铰链传递到所述顶棚结构上。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：检测所述整体式鸥翼门安装在所述顶棚结构上所需要的强度、刚度；测算所述整体式鸥翼门最大开启角度时的车门自身重量载荷；获取开启过程中所述车门铰链处承受的最大力矩。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：分析所述顶棚结构对于车身整体扭转和弯曲性能的贡献；利用国际标准，确定车身扭转工况、弯曲工况及顶压工况；根据顶压相关试验标准，确定加载位置、力大小和角度。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：在所述拓扑优化空间内生成体网格；确定所述体网格合适的弹性模量；定义约束条件，确定目标；利用所述目标，建立所述分析模型。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：所述体网格利用节点绑定策略分别与所述A柱、所述C柱连接；利用所述弹性模量设置较小值，并计算车辆扭转刚度；将所述扭转刚度、弯曲刚度、车身静载变形量、顶压变形量作为约束条件，利用最小质量分数作为目标，建立所述分析模型。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：提交所述车辆扭转刚度的计算过程，并以igs或stp格式输出结果数据；利用所述结果数据调整所述弹性模量，直到所述车辆扭转刚度满足要求；识别所述结果数据，并根据所述车辆扭转刚度构建所述几何模型。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的一种优选方案，其中：基于所述几何模型构建所述初版顶棚结构方案，建立所述有限元模型；利用所述分析模型提交数据求解，并输出计算结果；根据所述输出计算结果对所述初版顶棚结构进行判定分析；验证分析最终优化的所述顶棚结构是否满足要求。作为本专利技术所述的一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析系统的一种优选方案，其中：计算模块，包括检测单元和处理单元，所述检测单元检测所述整体式鸥翼门安装在所述顶棚结构上所需要的强度、刚度，并通知所述处理单元计算所述整体式鸥翼门最大开启角度时的车门自身重量载荷，最获取开启过程中所述车门铰链处承受的最大力矩；仿真模块与所述计算模块相连，驱动器获取所述有限元模型，并驱动仿真运动单元模拟还原所述约束条件下构建的所述顶棚结构，根据所述计算模块输出的结果数据，初步判定所述模拟的所述顶棚结构是否满足构建要求，并通过所述驱动器将初步判定结果传输到分析模块内；分析模块接收所述初步判定结果，通过控制单元对所述初步判定结果再次进行判定分析，并触发所述计算模块获取所需验证数据，规整所述顶棚结构的所述约束条件，结合所述再次判定分析结果，确定优化后的所述顶棚结构是否满足构建要求。本专利技术的有益效果：本专利技术通过仿真驱动设计，缩短开发周期、寻找最优结构，实现完全正向开发；以体积分数、强度、刚度工况作为约束条件，重量作为目标，可以在满足性能的同时，达到结构重量最轻、性能最优。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。其中：图1为本专利技术第一个实施例所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的流程示意图；图2为本专利技术第一个实施例所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的几何模型示意图；图3为本专利技术第一个实施例所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法的结构拓扑优化计算流程示意图；图4为本专利技术第二个实施例所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析系统的模块结构示意图。具体实施方式为使本专利技术的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合说明书附图对本专利技术的具体实施方式做详细的说明，显然所描述的实施例是本专利技术的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本专利技术中的实施例，本本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：包括，/n确定顶棚结构的拓扑优化空间；/n利用铰链安装位置作为非设计区域，并确定适用于所述顶棚结构分析的工况路径；/n利用所述工况路径，建立顶棚拓扑分析模型；/n计算所述分析模型，并输出处理结果，构建几何模型；/n基于输出的所述几何模型，构建初版顶棚结构方案；/n利用所述初版顶棚结构方案建立有限元模型，验证所述顶棚结构的性能，并分析所述顶棚结构性能是否满足所述顶棚结构建立要求。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：包括，
确定顶棚结构的拓扑优化空间；
利用铰链安装位置作为非设计区域，并确定适用于所述顶棚结构分析的工况路径；
利用所述工况路径，建立顶棚拓扑分析模型；
计算所述分析模型，并输出处理结果，构建几何模型；
基于输出的所述几何模型，构建初版顶棚结构方案；
利用所述初版顶棚结构方案建立有限元模型，验证所述顶棚结构的性能，并分析所述顶棚结构性能是否满足所述顶棚结构建立要求。


2.如权利要求1所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：确定所述顶棚结构的拓扑优化空间包括，
定义所述顶棚结构的外观造型为上边界；
将所述顶棚结构的A柱、B柱、C柱、D柱位置分别定义为前后左右边界；
再将所述顶棚结构的乘员头部空间位置定义为下边界；
利用所述上边界、所述前后左右边界和所述下边界作为最大的优化空间，从而确定所述顶棚结构的所述拓扑优化空间。


3.如权利要求1或2所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：包括，
利用整体式鸥翼门的所述铰链安装位置作为所述非设计区域；
将所述整体式鸥翼门的结构与所述铰链安装位置作为不能更改的约束条件，参与力的传递；
利用所述整体式鸥翼门的自身重力由所述铰链传递到所述顶棚结构上。


4.如权利要求3所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：确定传递到所述顶棚结构上的力包括，
检测所述整体式鸥翼门安装在所述顶棚结构上所需要的强度、刚度；
测算所述整体式鸥翼门最大开启角度时的车门自身重量载荷；
获取开启过程中所述车门铰链处承受的最大力矩。


5.如权利要求1或4所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：确定适用于所述顶棚结构分析的工况包括，
分析所述顶棚结构对于车身整体扭转和弯曲性能的贡献；
利用国际标准，确定车身扭转工况、弯曲工况及顶压工况；
根据顶压相关试验标准，确定加载位置、力大小和角度。


6.如权利要求1所述的基于拓扑优化车身顶棚结构的分析方法，其特征在于：建立所述顶棚拓扑分析模型包括，
在所述拓扑优化空间内生成体网格；
确定所述体网格合适的弹性模量；
定义约束条件，确定目标；
利用所...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡高宁，
申请(专利权)人：的卢技术有限公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32