CN108875188B - 汽车车身接头的优化方法与装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种汽车车身接头的优化方法与装置，该方法包括如下步骤：对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型；在2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定3D有限元模型中车身接头的扭转刚度加强点位置。本发明提出的汽车车身接头的优化方法，可较为准确快速地确定需进行扭转刚度加强的点的位置，满足了实际性能监测以及产品质量监控的需求，满足了实际生产应用需求。

Description

汽车车身接头的优化方法与装置

技术领域

本发明涉及汽车生产制造技术领域，特别涉及一种汽车车身接头的优化方法与装置。

背景技术

随着经济的不断发展以及人们生活水平的不断提高，人们的日常出行也变得越加的方便。汽车作为日常生活中一种非常普遍的交通工具，在货物运输以及人们日常出行方面起着非常重要的作用。

对汽车的整体性能而言，汽车车身刚度是影响汽车噪声、振动与声振粗糙性能(Noise、Vibration、Harshness度，简称NVH)和结构耐久性能的重要指标。为了保证汽车的高性能，在前期的车身设计开发阶段，对车身刚度进行分析测试的工作就显得非常重要。一直以来，搭建车身简化模型对车身刚度进行分析测试是前期车身设计阶段的通用方法。在该车身简化模型中，用简化的梁单元来模拟车身中的类梁形结构，用板壳单元组成车身大的覆盖面，用刚性接头单元来代替车身主要的接头结构。

车身接头的扭转刚度是评价整车性能的一个重要标准，将直接决定着汽车的安全性。然而，现有的部分车身接头，其扭转刚度较低，在一定程度上降低了汽车的整车性能。

发明内容

基于此，本发明的目的是为了解决现有的汽车中，由于车身接头的扭转刚度较低而影响了整车性能的问题。

本发明提出一种汽车车身接头的优化方法，其中，所述方法包括如下步骤：

对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型；

在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置，其中所述扭转刚度加强点位置为所述车身接头中需要对扭转刚度进行加强的部件的位置。

本发明提出的汽车车身接头的优化方法，首先对包含有车身接头的汽车白车身整体进行网格划分得到2D有限元模型，然后在该2D有限元模型中针对车身接头的部件进行封闭处理，单独进行网格划分以建立3D有限元模型。由于汽车白车身在实际应用中所受到的综合载荷将会在车身接头处反映出来，因此在2D有限元模型中通过模拟的方式加载预设载荷工况，然后进行拓扑优化计算后便可确定出车身接头中最需要进行扭转刚度加强的位置，然后便可有针对性地进行结构优化，从而增强汽车车身接头的整体结构强度。本发明提出的汽车车身接头的优化方法，可较为准确快速地确定需进行扭转刚度加强的点的位置，满足了实际性能监测以及产品质量监控的需求，满足了实际生产应用需求。

另外，根据本发明上述实施例的汽车车身接头的优化方法，还可以具有如下附加的技术特征：

所述汽车车身接头的优化方法，其中，在确定所述扭转刚度加强点位置的步骤之后，所述方法还包括：

在所述扭转刚度加强点位置处设置加强隔板，以增强所述车身接头的扭转刚度。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，在所述对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型的步骤中，所述方法包括如下约束：

采用hypermesh进行网格划分，进行网格划分时的网格尺寸为5～8mm、翘曲<10°、雅克比矩阵特征值>0.7、网格长宽比<5。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，所述在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型的步骤中，所述车身接头的体网格质量坍塌度>0.35。

所述汽车车身接头的优化方法，所述汽车白车身上设有前保险杆、前减震器座、第一后弹簧座以及第二后弹簧座，其中，所述在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况的步骤中，所述方法包括如下约束：

约束所述第一后弹簧座在x方向、y方向以及z方向上的移动自由度，约束所述第二后弹簧座在x方向以及z方向上的移动自由度，所述第一后弹簧座与所述第二后弹簧座为左右并列设置。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，所述方法还包括：

在所述前减震器座上加载合成扭矩为3000NM的载荷。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，所述方法还包括：

在所述前保险杆y＝0的位置处设置一网格节点，约束所述前保险杆z方向上的移动自由度。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，在进行所述拓扑优化的步骤中，对应的约束体积分数的最大值为0.3。

所述汽车车身接头的优化方法，其中，建立有限元模型的软件为Hypermesh、ANSYS、Patran/Nastran或Abaqus中的任一个。

本发明还提出一种汽车车身接头的优化装置，其中，所述优化装置包括：

模型建立模块，用于对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型；

优化确认模块，用于在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置，其中所述扭转刚度加强点位置为所述车身接头中需要对扭转刚度进行加强的部件的位置。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1为本发明第一实施例提出的汽车车身接头的优化方法的流程图；

图2为本发明第二实施例提出的汽车车身接头的优化方法的流程图；

图3为本发明第二实施例提出的汽车车身接头的优化方法中拓扑优化的结果示意图；

图4为本发明第二实施例提出的汽车车身接头的优化方法中对车身接头进行扭曲刚度加强的示意图；

图5为本发明第三实施例提出的汽车车身接头的优化装置的结构示意图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

车身接头的扭转刚度是评价整车性能的一个重要标准，将直接决定着汽车的安全性。然而，现有的部分车身接头，其扭转刚度较低，在一定程度上降低了汽车的整车性能。

为了解决这一技术问题，本发明提出一种汽车车身接头的优化方法，请参阅图1，对于本发明第一实施例提出的车身接头的优化方法，其中该方法包括如下步骤：

S101，对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型。

在本步骤中，通过hypermesh软件对汽车白车身的所有的钣金零部件进行网格划分。其中，对整个汽车白车身进行网格划分得到的为该白车身的2D有限元模型。在得到了该汽车白车身的2D有限元模型后，由于该2D有限元模型中也包括车身接头的模型数据，在本步骤中，需要对该2D有限元模型中的车身接头单独进行封闭处理，在封闭空腔内对该车身接头进行网格划分得到对应的3D有限元模型，以便于后续分析。

S102，在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置。

可以理解的，当汽车在实际行驶过程中，汽车车身受到外界的载荷作用后，此时车身接头处会发生一定的扭转。若车身接头的扭转刚度小于实际所施加的载荷力，则该车身接头容易发生损坏，因此本发明需要通过分析计算，得到车身接头中最需要进行加固处理的位置，进而对应进行加固处理。

在本步骤中，在汽车白车身的2D有限元模型中加载预设载荷工况，以对实际应用过程中汽车车身的载荷进行仿真。其中，在汽车白车身上设有前保险杆、分别设于左右两边的后弹簧座以及前减震器座。在加载预设载荷工况时，分别对上述的前保险杆、后弹簧座以及前减震器座进行扭转刚度求解边界条件设置。

在设置好汽车白车身中几个重要的部件的扭转刚度求解边界条件设置之后，通过拓扑优化计算确定得到汽车白车身的载荷传递路径，然后根据该载荷传递路径数据可确定车身接头的扭转刚度的加强点位置。

在此需要指出的是，上述的扭转刚度加强点位置为车身接头中，需要对扭转刚度进行加强的部件的位置。在确定了车身接头的扭转刚度的加强点位置后，在对应的加强点位置设置一隔板，以增强车身接头的整体结构强度。

本发明提出的汽车车身接头的优化方法，首先对包含有车身接头的汽车白车身整体进行网格划分得到2D有限元模型，然后在该2D有限元模型中针对车身接头的部件进行封闭处理，单独进行网格划分以建立3D有限元模型。由于汽车白车身在实际应用中所受到的综合载荷将会在车身接头处反映出来，因此在2D有限元模型中通过模拟的方式加载预设载荷工况，然后进行拓扑优化计算后便可确定出车身接头中最需要进行扭转刚度加强的位置，然后便可有针对性地进行结构优化，从而增强汽车车身接头的整体结构强度。本发明提出的汽车车身接头的优化方法，可较为准确快速地确定需进行扭转刚度加强的点的位置，满足了实际性能监测以及产品质量监控的需求，满足了实际生产应用需求。

下面以一个具体的实施例对本发明的具体方案进行更加详细地阐述。请参阅图2至图4，对于本发明第二实施例提出的车身接头的优化方法，其具体实施方式如下所述：

S201，对白车身进行建模得到2D有限元模型。

在本步骤中，通过hypermesh软件对汽车白车身的所有的钣金零部件进行网格划分。其中，对整个汽车白车身进行网格划分得到的为该白车身的2D有限元模型。

具体的，在建立汽车白车身的2D有限元模型时，进行网格划分时的网格尺寸为5～8mm、翘曲<10°、雅克比矩阵特征值>0.7、网格长宽比<5。在本实施例中，对应的网格尺寸为8mm，翘曲为9°，雅克比矩阵特征值为0.8以及网格长宽比为4。在此需要补充说明的是，上述的网格尺寸、翘曲、雅克比矩阵特征值以及网格长宽比的限定值可根据实际优化需求进行设定，并不局限于上述的具体的单个值。

在此还需要补充的是，不仅可以通过Hypermesh软件进行网格划分，还可以通过ANSYS、Patran/Nastran或Abaqus中的任一个进行网格划分，以建立汽车白车身的2D有限元模型。

S202，对车身接头进行封闭处理，建模得到3D有限元模型。

在得到了该汽车白车身的2D有限元模型后，由于该2D有限元模型中也包括车身接头的模型数据，在本步骤中，需要对该2D有限元模型中的车身接头单独进行封闭处理，在封闭空腔内对该车身接头进行网格划分得到对应的3D有限元模型，以便于后续分析。

此外，在建立车身接头的3D有限元模型时，设置车身接头的体网格质量坍塌度>0.35。具体的，在本实施例中，设置车身接头的体网格质量坍塌度为0.4。在此需要补充说明的是，上述的体网格质量坍塌度可根据实际优化需求进行设定，并不局限于上述的具体的单个值。

S203，加载预设载荷工况，进行拓扑优化。

对汽车白车身而言，在汽车白车身上设有前保险杆、前减震器座、第一后弹簧座以及第二后弹簧座。其中，加载在前保险杆、前减震器座、第一后弹簧座以及第二后弹簧座的载荷约束，会对应地在车身接头的位置处体现出来。也即车身接头发生扭转，通过计算确定出载荷传递路径，进而确定需进行扭转刚度加强点的位置。

具体的，在加载载荷工况时，对上述的第一后弹簧座以及第二后弹簧座而言，约束第一后弹簧座在x方向、y方向以及z方向上的移动自由度，约束第二后弹簧座在x方向以及z方向上的移动自由度。其中，上述的第一后弹簧座与第二后弹簧座为左右并列设置。

对前保险杆而言，在前保险杆y＝0的位置处设置一网格节点，约束前保险杆z方向上的移动自由度。对前减震器座而言，在前减震器座上加载合成扭矩为3000NM的载荷。在确定了各主要部件的约束条件并加载了对应的载荷之后，进行拓扑优化计算。在进行拓扑优化计算之前，将车身接头的单元属性设置为体积分数响应，将前减震器座加载点的位移设置为位移响应，将车身接头的单元属性设置为拓扑优化的变量。此外，约束体积分数的上限值为0.3。

S204，确定车身接头的扭转刚度的优化位置。

车身接头的3D有限元模型，经拓扑优化后得到该车身接头的载荷传递路径。然后根据计算得到的载荷传递路径便可确定该车身接头的扭转刚度的优化位置，也即需要对该车身接头的扭转刚度进行加强的点的位置。请参阅图3，对于车身接头的拓扑优化结果，在图3所示的拓扑优化结果中对应显示了需要进行扭转刚度加强的点的位置，也即颜色较深的斑点位置。在确定了车身接头的扭转刚度的优化位置之后，工作人员可在该对应的位置设置隔板，以增强车身接头的扭转刚度。

S205，验证车身接头的扭转刚度的优化结果。

请参阅图4，图4中的左图为未增设隔板的普通的车身接头的结构示意图，图4中的右图为根据上述计算得到的具体优化位置后，在优化位置增设隔板后的车身接头的结构示意图。在增设隔板前后，对该车身接头的相关性能参数再次进行了测试，测试结果如下表一所示。

表一：

其中，图4中的左图表示的为未增加隔板的车身接头，图4中的右图表示的为增加隔板的车身接头。从表一中可以看出，在增设隔板之后，车身接头的扭转刚度由原来的14424.4N.m/deg提高至15419.6N.m/deg，且轻量化系数由5.23下降至4.90。由此可以看出，在车身接头上增设隔板，在提高了扭转刚度的同时，还降低了轻量化系数，提升了车身接头的整体性能。

请参阅图5，对于本发明第三实施例提出的汽车车身接头的优化装置，该优化装置包括相互连接的模型建立模块11以及优化确认模块12；

其中所述模型建立模块11具体用于：

对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型。

所述优化确认模块12具体用于：

在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置，其中所述扭转刚度加强点位置为所述车身接头中需要对扭转刚度进行加强的部件的位置。

应当理解，本发明的各部分可以用硬件、软件、固件或它们的组合来实现。在上述实施方式中，多个步骤或方法可以用存储在存储器中且由合适的指令执行***执行的软件或固件来实现。例如，如果用硬件来实现，和在另一实施方式中一样，可用本领域公知的下列技术中的任一项或他们的组合来实现：具有用于对数据信号实现逻辑功能的逻辑门电路的离散逻辑电路，具有合适的组合逻辑门电路的专用集成电路，可编程门阵列(PGA)，现场可编程门阵列(FPGA)等。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (9)

1.一种汽车车身接头的优化方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型；

在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置，其中所述扭转刚度加强点位置为所述车身接头中需要对扭转刚度进行加强的部件的位置；

所述汽车白车身上设有前保险杆、前减震器座、第一后弹簧座以及第二后弹簧座，所述在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况的步骤中，所述方法包括如下约束：

约束所述第一后弹簧座在x方向、y方向以及z方向上的移动自由度，约束所述第二后弹簧座在x方向以及z方向上的移动自由度，所述第一后弹簧座与所述第二后弹簧座为左右并列设置。

2.根据权利要求1所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，在确定所述扭转刚度加强点位置的步骤之后，所述方法还包括：

在所述扭转刚度加强点位置处设置加强隔板，以增强所述车身接头的扭转刚度。

3.根据权利要求2所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，在所述对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型的步骤中，所述方法包括如下约束：

采用hypermesh进行网格划分，进行网格划分时的网格尺寸为5～8mm、翘曲<10°、雅克比矩阵特征值>0.7、网格长宽比<5。

4.根据权利要求2所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，所述在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型的步骤中，所述车身接头的体网格质量坍塌度>0.35。

5.根据权利要求1所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述前减震器座上加载合成扭矩为3000NM的载荷。

6.根据权利要求1所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，所述方法还包括：

在所述前保险杆y＝0的位置处设置一网格节点，约束所述前保险杆z方向上的移动自由度。

7.根据权利要求1所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，在进行所述拓扑优化的步骤中，对应的约束体积分数的最大值为0.3。

8.根据权利要求1所述的汽车车身接头的优化方法，其特征在于，建立有限元模型的软件为Hypermesh、ANSYS、Patran/Nastran或Abaqus中的任一个。

9.一种汽车车身接头的优化装置，其特征在于，所述优化装置包括：

模型建立模块，用于对汽车白车身进行网格划分得到2D有限元模型后，对所述2D有限元模型中的车身接头进行封闭处理后，在封闭空腔内对所述车身接头进行网格划分以得到3D有限元模型；

优化确认模块，用于在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况后，进行拓扑优化以确定所述3D有限元模型中所述车身接头的扭转刚度加强点位置，其中所述扭转刚度加强点位置为所述车身接头中需要对扭转刚度进行加强的部件的位置；

所述汽车白车身上设有前保险杆、前减震器座、第一后弹簧座以及第二后弹簧座，所述优化确认模块在所述2D有限元模型中加载预设载荷工况的步骤中，包括如下约束：

约束所述第一后弹簧座在x方向、y方向以及z方向上的移动自由度，约束所述第二后弹簧座在x方向以及z方向上的移动自由度，所述第一后弹簧座与所述第二后弹簧座为左右并列设置。

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