CN116522499A - 一种基于薄壁–点阵填充结构车身前端结构设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于薄壁‑点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：包括：步骤1：针对新能源汽车前端结构，根据可布置空间确定设计域和非设计域，建立典型的载荷工况进行载荷施加；步骤2：采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；步骤3：车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计；步骤4：构建基于薄壁‑点阵填充结构的实体单元模型和梁‑壳复合单元模型；步骤5：利用有限元方法进行仿真性能验证，进行结构重构设计的变形模式分析。该方法结合增材制造工艺实现了薄壁‑点阵填充结构的一体化设计与制造，并提出了与模型相对应的高精度仿真建模方法。

Description

一种基于薄壁–点阵填充结构车身前端结构设计方法

技术领域

本发明涉及结构优化设计方法相关领域，尤其涉及一种基于薄壁–点阵填充结构车身前端结构设计方法。

背景技术

薄壁–填充结构通常由外部密实材料薄壁和内部孔隙填充材料组成。密实材料薄壁在保持整体结构外部形貌的同时，也为内部孔隙填充材料提供可靠的边界。密实材料薄壁与内部填充结构能够协同承载，并通过其拓扑构型影响整体结构的力学性能与失效规律。薄壁–填充结构特征，使其呈现出优异的性能和轻量化水平，如高比刚度、高比强度、优异的吸声吸能性能等。与传统结构相比，薄壁–填充结构可以通过整体结构与填充结构的协同设计，从而最大限度地提高力学性能和轻量化水平。随着结构轻量化设计的多元化发展，单一工况下的简单构型已经不能满足需求。将薄壁-点阵填充结构与拓扑优化相结合以获取更多工况下的复杂构型，即基于拓扑优化的薄壁点阵填充结构，是薄壁-点阵填充结构未来的发展趋势。并且近年来增材制造技术的普遍应用使得制造复杂结构成为可能，这极大地拓展了结构的设计空间。

车身前端结构是汽车外部集成多个组件的复杂***部件，主要起着连接汽车前端和功能集成的作用。近年来，随着制造技术快速发展，汽车前端结构整向着集成化、轻量化等方向发展。在概念设计阶段，通过拓扑优化获得材料最优布局，从而在保证结构性能的同时最大限度的提升轻量化水平。特别是随着增材制造技术的发展，为制造新能源汽车用轻量化超轻量化结构提供了制造保障。

受制于动力电池能量密度，新能源汽车对轻量化提出了更为迫切的需求，综合利用拓扑优化和增材制造，进行设计和制造薄壁-点阵填充型新能源汽车前端结构，可以充分挖掘材料与结构的综合潜力，有助于实现高性能超轻量化，为未来超轻量化新能源汽车结构创新设计提供新的思路。

发明内容

本发明的目的是以新能源汽车车身前端结构框架为对象，提供一种基于薄壁–点阵填充结构的车身前端结构设计方法。首先，根据7个前端结构载荷工况，基于变密度法拓扑优化获取最优传力路径；然后，以最优传力路径为基础，结合杆径尺寸优化进行重构获得薄壁–点阵填充型一体化前端车身结构；最后，通过仿真验证了结构的扭转刚度与弯曲刚度。通过采用薄壁–点阵填充结构，在保证优异的力学性能同时，能够有效提升轻量化水平，减重比最高可达85.51％。

为实现上述目的，本发明具体的技术方案如下：

本发明提出的一种基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，包括如下步骤：

步骤1：针对某型新能源汽车前端结构，根据可布置空间确定设计域和非设计域，建立有限元网格，并选择7种典型的载荷工况进行载荷施加，施加边界条件，设置制造性约束，对优化参数进行初始化赋值；

步骤2：采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，建立其数学优化模型，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；

步骤3：对步骤2中的车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计，接着对结构杆径进行进一步地尺寸优化，利用三维建模软件将优化杆径尺寸后的实体模型进行填充，得到简明的几何构型，提升一体化程度；

步骤4：构建基于薄壁-点阵填充结构的实体单元模型和梁-壳复合单元模型。

步骤5：利用有限元方法进行仿真性能验证，进行结构重构设计的变形模式分析，并对重构结构进行力学性能评价；

本发明的有益效果：

(1)本发明结合增材制造工艺实现了薄壁-点阵填充结构的一体化设计与制造，并提出了与模型相对应的高精度仿真建模方法。

(2)本发明利用某型号汽车车身前端结构为基础设计域开展了多工况拓扑优化，并在所得传力路径上进行重构设计，实现了薄壁-点阵填充结构在车身前端结构中的应用。并在极高减重比的情况下，所得结构仍保持较高水平的刚度，这表明了基于拓扑优化的薄壁-点阵填充结构拥有优异的材料利用率，并足以适应多工况下的设计需求。

(3)另外，本发明探索新型结构轻量化的设计方法，并通过拓展几何外形与载荷工况的复杂度，从多方面探索并验证了该设计方法的有效性与可行性。

附图说明

图1为本发明中设计域边界参考；

图2为本发明中设计域实际模型参考；

图3为本发明中设计域有限元网格划分模型；

图4为本发明图3中有限元模型边界设置参考；

图5为本发明中典型载荷工况；

图6为优化过程加权柔度随迭代次数的变化曲线；

图7为拓扑优化所得结构；

图8为本发明图7中拓扑优化结果的高密度区域；

图9为本发明图7中前端重构结构；

图10为本发明图9中内部点阵填充结构模型；

图11为本发明图9中在扭转工况下位移变形图及应力分布图；

图12为本发明图9中在侧向弯曲工况下位移变形图及应力分布图；

图13为本发明图9中在垂向弯曲工况下位移变形图及应力分布图。

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

本申请文件中的上、下、左、右、前和后等方位用语是基于附图所示的位置关系而建立的。附图不同，则相应的位置关系也有可能随之发生变化，故不能以此理解为对保护范围的限定。

该实施例提供了一种基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1：针对某型新能源汽车前端结构，根据可布置空间确定设计域和非设计域，建立有限元网格，并选择7种典型的载荷工况进行载荷施加，施加边界条件，设置制造性约束，对优化参数进行初始化赋值；

其中，基于薄壁-点阵填充结构的实体单元模型和梁-壳复合单元模型构建如下：

对车身前端结构基础设计及设计域构建如下：

提取某车身有几何模型，并对车身模型仅保留研究的前端部分。由于目前尚没有可以直接进行薄壁-点阵填充结构优化设计的商用软件，因此利用三维建模软件将实体模型进行点阵填充胞元进行均匀填充。

为保障汽车原有的车轮、悬架与后备箱配置，设计域将以主车架和防火墙为连接面，并包含副车架与前端防撞梁，且结构整体关于xOz平面对称。将车身前端设计域与防火墙设置为共节点，并于防火墙的上方与下方设置六个自由度的全约束，作为所有载荷工况共有的边界条件。在该实施例中，其边界参考如图1所示。考虑结构整体关于xOz平面对称，所得设计域实际体积为2.98×10⁸mm³，如图2所示。

为了尽可能的展示优化结构的细节，将设计域的网格大小设置为10mm，且均为正六面体实体网格，其中前端设计域共652684个网格单元，防火墙共61072个网格单元，如图3所示。将车身前端设计域与防火墙设置为共节点，并于防火墙的上方与下方设置六个自由度的全约束，作为所有载荷工况共有的边界条件，如图4所示。

由于力传递到车身结构的方式是通过车轮和车轮悬架，因此与行驶和操纵相关的载荷往往应用于主、副车架和悬架的连接位置，而考察车身前端结构整体的弯曲刚度的相关载荷则施加于防撞梁与纵梁连接位置。在原设计中，悬架与主、副车身的连接以及防撞梁与纵梁的连接均通过螺栓实现，为保证这三组载荷施加点与整体设计域的连接，将载荷施加位置附近的单元从设计域中单独隔离出来作为非设计域。

对汽车前端结构的载荷工况设置如下：选择7种较为典型的载荷工况，并且所有的负载情况都是静态线性的，包括：扭转刚度工况、侧向刚度工况、向上弯曲工况、右上车轮悬架工况、悬架上部压缩工况、右下车轮悬架工况、副车架压缩工况。

在该实施例中，采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，建立其数学优化模型；7种较为典型的载荷工况如图5所示，具体定义如下：

(a)扭转刚度工况：两个大小相等但方向相反的平行于z轴的集中力分别作用于悬架上部与主车身的两个连接位置；

(b)侧向刚度工况：两个大小、方向相同的集中力沿y轴负方向分别施加在防撞梁与纵梁的两个连接位置；

(c)向上弯曲工况：两个大小、方向相同的集中力沿z轴正方向分别施加在防撞梁与纵梁的两个连接位置；

(d)右上车轮悬架工况：在右侧一个集中力作用在悬架上部与主车架的连接点上，并被导入车身；

(e)悬架上部压缩工况：载荷两个大小相等但方向相反的平行于y轴的集中力分别作用于悬架上部与主车身的两个连接位置；

(f)右下车轮悬架工况：在右侧一个集中力作用在悬架下部与主车架的连接点上，并被导入车身；

(g)副车架压缩工况：两个大小相等但方向相反的平行于y轴的集中力分别作用于悬架下部与主车身的两个连接位置。

由于考虑了结构关于xOz平面对称，故载荷工况(b)与(d)关于该平面对称的载荷并没有施加。如果重复施加对称工况，会导致在最终计算结构响应时，对本质相同的工况重复计算权重，既影响优化结果，也增大了整体优化的计算时间。最后考虑增材制造的可制造性，对有限元模型进行制造性约束设置。典型载荷工况将填充结构等效为均质各向同性材料，并在传力路径的外侧生成薄壁包络，能够获得力学性能优异的结构。

在该实施例中，本次拓扑优化设计中采用了两种材料参数：

(1)铝，弹性模量为66444.8MPa，泊松比为0.33，密度为，赋值于整个设计域单元；

(2)碳素结构钢，弹性模量为196000MPa，泊松比为0.33，密度为，赋值于整个防火墙单元。

步骤2：采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，建立其数学优化模型，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；

采用柔度加权的多目标拓扑优化方法如下：

find x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T,i＝1,2,...,n

s.t.KU_e＝F_e

x_min≤x_i≤x_max

式中，x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T为设计变量向量，对应了车身前端结构设计域每个单元的相对密度，n为车身前端结构载荷工况总数；w_e为第e个工况的权重因子；c_e(x)为第e个工况的柔度；K为整体刚度矩阵；F_e与U_e分别为第e个工况对应的载荷与位移矩阵；v_i为优化后的单元体积；V₀为优化前车身前端结构的总体积；f为体积分数；x_min为设计变量的下限；x_max为设计变量的下限。以上述的有限元模型与拓扑优化模型为基础，设置了如下参数进行多工况拓扑优化求解：

将拓扑优化模型中的体积分数约束设置为0.08，最小的单元密度设置为0.01，相对收敛准则设置为0.001。此外，为保证拓扑优化结果的可制造性，将最小尺寸约束设置为30mm，最大尺寸约束为60mm。

步骤3：对步骤2中的车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计，对结构杆径进行进一步地尺寸优化，利用三维建模软件将优化杆径尺寸后的实体模型进行填充，得到简明的几何构型。

整个优化过程中加权柔度随迭代次数的变化曲线如图6所示，当迭代次数达到110次时，达到了收敛条件。优化结果中，0.3～1.0密度区间单元占设计域体积的8.0％，与优化体积分数约束保持了一致，故将将显示的密度阈值设置为0.3，所得结构如图7所示。

为了更好地确定车身前端结构的传力路径，重点显示了拓扑优化结果的高密度区域作为结构重构设计的主要参考，如图8所示。车身前端结构重构设计遵照了以下几个原则：

(1)保证原新能源汽车模型中的悬架和保险杠与改进设计结构的连接并避免车轮与结构之间发生干涉；

(2)保证改进设计后的车身前端结构与原车身框架的连接；

(3)合并体积较小且几何构型复杂的结构，保留传力路径中较为重要的特征。

在优化结果中，分析不同密度区间单元占原设计域体积的百分比，其中处于0.3～1.0密度区间的元素共占设计域体积的80％，与优化体积分数约束保持了一致，故将将显示的密度阈值设置为0.3。在此基础上利用尺寸优化的方法，对高密度区域模型进行杆径的尺寸优化，通过改变结构的单元属性，如梁单元的横截面积、壳单元厚度等参数使其满足结构的力学性能要求，最后得到保证轻量化水平的车身前端重构结构。所得车身前端重构设计如图9所示，车身车身前端结构的薄壁-点阵填充的内部结构如图10所示；

步骤4：构建基于薄壁-点阵填充结构的实体单元模型和梁-壳复合单元模型。

与传统单一材料属性的拓扑优化方法相比，薄壁–填充结构拓扑优化方法在主要传力路径和承载构型的***生成了不同材料属性的薄壁层，这大大加强了结构整体的稳定性，同时对吸能能力、变形模式等产生了较大影响。填充结构与薄壁实体层两种

薄壁–均匀填充结构拓扑优化方法将填充结构等效为均质各向同性材料，并在传力路径的外侧生成薄壁包络，能够获得力学性能优异的结构，其数学模型为：

s.t.KU＝F

g(μ)＝M(μ)/M^*-f_mass≤0

式中，c为柔度；μ为设计变量；K为整体刚度矩阵；U和F为整***移与力矢量；M(μ)为优化后的材料质量；M^*为设定的材料质量最大值；f_mass为质量分数；表达式g(μ)表示实体材料与填充材料的实际质量分数小于预设质量分数最大值。

不同的材料特性不仅增加了设计的自由度，还为多功能复合结构设计提供了新的研究思路。点阵胞元在微观上表现为微结构形式，而在宏观上则可以看作是均质材料，即在胞元尺度和宏观结构尺度之间存在长度尺度分离。因此，可以将点阵结构的单位胞元建模为包含均质材料的体积，即代表性体积单元，再通过代表性体积单元的等效均匀特性来描述点阵结构在宏观尺度上的力学行为，这些等效特性取决于母体材料性能和胞元几何构型与参数设定。点阵结构可以在相同的母材参数下，通过改变结构的几何构型及对应参数实现各种性能在特定设计空间内的变化。本发明中，在车身前端结构关键承载位置填充与薄壁结构相同的实体材料，实现薄壁–混合填充结构拓扑优化方法，将能有效提高结构的刚度并降低应力最大值，其数学模型为：

s.t.KU＝F

0≤μ₁≤1

0≤μ₂≤1

式中，μ₁与μ₂为相同设计域中的两个设计变量，分别指代实体材料与填充材料与分别为实体材料与填充材料的质量；M(μ)为优化后的材料质量；M^*为设定的材料质量最大值。f_mass1与f_mass2为预设实体材料与填充材料的质量分数最大值；表达式g₁(μ₁,μ₂)、g₂(μ₁,μ₂)表示实体材料与填充材料的实际质量分数小于预设质量分数最大值；c(μ₁,μ₂)为柔度；K为整体刚度矩阵；U和F为整***移与力矢量。结合两步滤波方法，定义薄壁-混合填充结构拓扑优化方法的质量密度和刚度的插值函数。

步骤5：利用有限元方法进行仿真性能验证，进行结构重构设计的变形模式分析，并对重构结构进行力学性能评价；

进一步地，在步骤5中，利用尺寸优化的方法，对高密度区域模型进行杆径的尺寸优化。在优化的过程中，通过改变结构的单元属性，如梁单元的横截面积、壳单元厚度等参数使其满足结构的力学性能要求，最后得到保证轻量化水平的车身前端重构结构。

进一步地，在步骤5中，对仿真性能的验证如下：

为了使仿真分析更贴近薄壁点阵填充结构的传力形式，并综合考虑计算成本，采用了壳单元与实体单元相结合的复合单元有限元模型其中壳单元代表薄壁层，实体单元代表内部填充结构。结构的材料参数采用薄壁点阵填充结构准静态压缩实验所得等效弹性模量，并采取三种不同相对密度的填充结构进行仿真对比分析。仿真验证选取了扭转工况、侧向弯曲工况和垂向弯曲工况。整体结构在三种工况下，都呈现出合理的变形方式并呈现出对称性。

其中，扭转工况的应力分布集中在结构尾端的约束施加位置，扭转载荷加载更类似于悬臂梁工况。侧向弯曲与垂向弯曲工况的应力分布在重构后的杆件，这说明了重建模所得结构对这两种工况下的结构变形有着非常显著的影响。

定性分析重构设计后车身前端结构的变形模式与应力分布，选取相对密度为0.082的仿真结果进行展示，如图11～13可以看出，整体结构在三种工况下，都呈现出合理的变形方式并呈现出对称性。其中，扭转工况的应力分布集中在结构尾端的约束施加位置，扭转载荷加载更类似于悬臂梁工况。侧向弯曲与垂向弯曲工况的应力分布在重构后的杆件，这说明了重建模所得结构对这两种工况下的结构变形有着非常显著的影响。

为定量分析改进设计后的车身前端结构，计算以上三种工况下的刚度进行对比分析。扭转刚度的计算表达式为：

式中，K_t为扭转刚度，单位为kN×m/deg；F_t为扭转工况下的集中力，F_t取1000N；L为载荷施加点沿y轴的距离，L取0.9m；u_t为左右两侧最大位移差值的绝对值，单位为mm。

弯曲刚度的计算表达式为：

式中，K_b为弯曲刚度，单位为N/mm；F_b为弯曲工况下集中力之和，F_b取2000N；u_b为结构的最大位移，单位为mm。本章所用汽车模型的前端框架结构的体积约为0.012m³，以钢的密度7980kg/m³计算，质量m₀为95.76kg，故薄壁–点阵填充结构的减重比W_L计算表达式为：

式中，m₀为优化前原结构的质量，m_d为薄壁–点阵填充结构的质量。

表1展示了三种不同相对密度填充方式的减重比，以及在三种工况下所得的刚度指标。可以看出，即使是在85.51％减重比的情况下，整体结构仍拥有良好的刚度。此外，相对密度的增大对于三个刚度指标均有明显影响且幅值变化近似于线性，这为实际工程应用中相对密度的选取有着直接的指导作用。

附图中的各个部件的形状均是示意性的，不排除与其真实形状存在一定差异，附图仅用于对本申请的原理进行说明，并非意在对本申请进行限制。

尽管参考附图详地公开了本申请，但应理解的是，这些描述仅仅是示例性的，并非用来限制本申请的应用。本申请的保护范围由附加权利要求限定，并可包括在不脱离本申请保护范围和精神的情况下针对发明所作的各种变型、改型及等效方案。

Claims (6)

1.一种基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：针对新能源汽车前端结构，根据可布置空间确定设计域和非设计域，建立有限元网格，进行材料设置，选择扭转刚度工况、侧向刚度工况、向上弯曲工况、右上车轮悬架工况、悬架上部压缩工况、右下车轮悬架工况、副车架压缩工况7种典型的载荷工况进行载荷施加，施加边界条件，设置制造性约束，对优化参数进行初始化赋值；

步骤2：采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，建立其数学优化模型，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；

步骤3：对步骤2中的车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计，对结构杆径进行进一步地尺寸优化，利用三维建模软件将优化杆径尺寸后的实体模型进行填充，得到简明的几何构型。

步骤4：构建基于薄壁-点阵填充结构的实体单元模型和梁-壳复合单元模型；

步骤5：利用有限元方法进行仿真性能验证，进行结构重构设计的变形模式分析，并对重构结构进行力学性能评价。

2.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：步骤1中，对车身前端结构基础设计及设计域构建如下：提取车身几何模型，并对车身模型仅保留研究的前端部分，利用三维建模软件将实体模型进行点阵填充胞元进行均匀填充；设计域以主车架和防火墙为连接面，并包含副车架与前端防撞梁，将车身前端设计域与防火墙设置为共节点，并于防火墙的上方与下方设置六个自由度的全约束，作为所有载荷工况共有的边界条件。

3.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤2中，采用柔度加权的多目标拓扑优化方法如下：

find x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T,i＝1,2,...,n

s.t.KU_e＝F_e

x_min≤x_i≤x_max

式中，x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T为设计变量向量，对应了车身前端结构设计域每个单元的相对密度，n为车身前端结构载荷工况总数；w_e为第e个工况的权重因子；c_e(x)为第e个工况的柔度；K为整体刚度矩阵；F_e与U_e分别为第e个工况对应的载荷与位移矩阵；v_i为优化后的单元体积；V₀为优化前车身前端结构的总体积；f为体积分数；x_min为设计变量的下限；x_max为设计变量的下限。以上述的有限元模型与拓扑优化模型为基础，设置拓扑优化参数进行多工况拓扑优化求解。

4.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤4中，在关键承载位置填充与薄壁结构相同的实体材料，实现薄壁–混合填充结构拓扑优化方法，将能有效提高结构的刚度并降低应力最大值，其数学模型为：

s.t.KU＝F

0≤μ₁≤1

0≤μ₂≤1

式中，μ₁与μ₂为相同设计域中的两个设计变量，分别指代实体材料与填充材料与分别为实体材料与填充材料的质量；M(μ)为优化后的材料质量；M^*为设定的材料质量最大值；与/>为预设实体材料与填充材料的质量分数最大值；表达式g₁(μ₁,μ₂)、g₂(μ₁,μ₂)表示实体材料与填充材料的实际质量分数小于预设质量分数最大值；c(μ₁,μ₂)为柔度；K为整体刚度矩阵；U和F为整***移与力矢量。

5.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤5中，利用尺寸优化的方法，对高密度区域模型进行杆径的尺寸优化，在优化的过程中，通过改变结构的单元属性，得到保证轻量化水平的车身前端重构结构。

6.根据权利要求5所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤5中，对重构结构的力学性能评价如下：

为定量分析改进设计后的车身前端结构，计算不同工况下的刚度进行对比分析，扭转刚度的计算表达式为：

式中，K_t为扭转刚度，单位为kN·m/deg；F_t为扭转工况下的集中力；L为载荷施加点沿y轴的距离；u_t为左右两侧最大位移差值的绝对值，单位为mm；

弯曲刚度的计算表达式为：

式中K_b为弯曲刚度，单位为N/mm；F_b为弯曲工况下集中力之和，F_b取2000N；u_b为结构的最大位移，单位为mm。

薄壁–点阵填充结构的减重比W_L计算表达式为：

式中，m₀为优化前原结构的质量，m_d为薄壁–点阵填充结构的质量。