框架车身碰撞概念设计方法

摘要

一种框架车身碰撞概念设计方法，所述方法包括获取概念CAD模型；根据概念CAD模型建立简化的车身碰撞CAE模型；利用Kecman理论模型方法计算刚度曲线；以及将刚度曲线赋予梁单元。本发明的框架车身碰撞概念设计方法解决了概念车身梁结构的刚度曲线只能从详细模型分析得到的问题，提高了整个白车身设计阶段的工作效率，缩短了白车身的设计周期。

说明书

技术领域

本发明涉及车身设计技术领域，特别涉及一种框架车身碰撞概念设计方法。

背景技术

传统的白车身结构设计中，详细设计占了绝大部分的比重，概念设计阶段工作量很少，这样在车身后期遇到的设计问题很难修改，因为越到后期，设计的自由度越小，修改成本越高。现行的白车身设计中，概念设计阶段的工作量已与详细阶段不相上下，新车型的设计周期大大缩短，这离不开CAE技术的快速发展。CAE技术使得车身在设计后期得以验证各项性能，如静刚度、强度及碰撞性能，减少了实车碰撞试验次数，而且为概念设计阶段提供了设计的可行性。而概念设计阶段对车身性能的预测性仿真模拟还有很多可以改进之处，尤其是最为复杂的碰撞问题。现有的白车身概念设计仅针对概念车身静刚度与强度做分析优化，均未能针对碰撞问题做预测性的分析和优化。

发明内容

有鉴于此，本发明提供一种框架车身碰撞概念设计方法，解决了概念车身梁结构的刚度曲线只能从详细模型分析得到的问题，提高了整个白车身设计阶段的工作效率，缩短了白车身的设计周期。

一种框架车身碰撞概念设计方法，所述方法包括：

获取概念CAD模型；

根据概念CAD模型建立简化的车身碰撞CAE模型；

利用Kecman理论模型方法计算刚度曲线；以及

将刚度曲线赋予梁单元。

在本发明的实施例中，在所述CAE模型中，控制所有所述梁单元梁截面为矩形截面。

在本发明的实施例中，所述梁截面的第一边长、第二边长以及梁壁的厚度为设计变量。

在本发明的实施例中，目标函数包括车身总质量，约束条件为碰撞评价指标。

在本发明的实施例中，上述梁单元采用Belytschko-Schwer梁单元模拟塑性铰。

在本发明的实施例中，将Ls-Dyna软件材料库中的MAT29属性赋予所述Belytschko-Schwer梁单元。

在本发明的实施例中，上述CAD模型由CAD软件建立，将所述CAD模型导入到hypermesh软件中，划分网格并赋予位移和载荷边界条件，所述刚度曲线利用所述Ls-Dyna软件材料库中的MAT29输入。

在本发明的实施例中，在所述hypermesh平台下利用TCL/TK语言编程，并调用所述Ls-Dyna求解器计算所述刚度曲线。

在本发明的实施例中，将所述CAD模型处理为线面模型。

本发明的框架车身碰撞概念设计方法解决了概念车身梁结构的刚度曲线只能从详细模型分析得到的问题，使框架车身碰撞模型可以在白车身概念设计阶段针对碰撞问题做梁截面的优化设计工作，大大提高整个白车身设计阶段的工作效率，缩短了白车身的设计周期，同时使得基于碰撞的概念框架车身可以参与正向车身设计。

附图说明

图1是本发明的框架车身碰撞概念设计方法的流程示意图。

图2是本发明的框架车身碰撞概念设计方法建立的CAE模型示意图。

图3是本发明的梁单元的结构示意图。

图4a至图4c是Kecman薄壁梁弯曲理论模型的示意图。

具体实施方式

图1是本发明的框架车身碰撞概念设计方法的流程示意图，图2是本发明的框架车身碰撞概念设计方法建立的CAE模型示意图，如图1和图2所示，框架车身碰撞概念设计方法包括如下步骤：

步骤一，获取概念CAD模型；

具体地，在CAD(UG、CATIA等)软件建立CAD模型，并将CAD模型处理为线面模型，即梁结构处理为直线或折线，大面积壳结构处理为平面。

步骤二，根据概念CAD模型建立简化的车身碰撞CAE模型,如图2所示；

具体地，在CAE模型中，控制所有梁单元的梁截面为矩形截面。

进一步地，将CAD模型导入到hypermesh软件中，划分网格并赋予位移和载荷边界条件。

步骤三，利用Kecman理论模型方法计算刚度曲线；

具体地，在该hypermesh平台下利用TCL/TK语言编程，并调用Ls-Dyna求解器计算刚度曲线。基于Kecman理论模型方法得到刚度曲线，使基于碰撞的概念车身模型能够参与正向设计，而传统的刚度曲线由详细车身模型分析得到，在正向设计中，概念设计阶段尚未有详细的车身模型；同时，由于赋予塑性铰的刚度曲线由梁截面的参数计算得到，使得优化的每一步迭代中，刚度曲线可以同时更新，实现了简化模型能够参与优化设计。

进一步地，刚度曲线为梁单元节点处弯矩与转角的关系曲线，计算到转角小于或等于0.8rad。

步骤四，将刚度曲线赋予梁单元；

具体地，图3是本发明的梁单元的结构示意图，如图3所示，梁单元采用Belytschko-Schwer梁单元模拟塑性铰，该梁单元允许在两端n1、n2这两个节点连接位置定义s轴和t轴两个不同方向的弯曲刚度曲线来模拟塑性铰。

两个梁单元之间以共节点连接，且可以通过节点传递力与力矩。与传统建模方式相比，这种方法不仅操作简便，省去了使用弹簧连接梁单元的方式，而且在碰撞这样的复杂问题中避免了不必要的错误出现。在简化模型中，如果梁单元的节点连接处未定义塑性铰，则默认为刚性连接，使得整个车身的刚度过大，在碰撞这样复杂的运动条件下，得到的结果误差将更高。

进一步地，将Ls-Dyna软件材料库中的MAT29属性赋予Belytschko-Schwer梁单元。

进一步地，刚度曲线利用Ls-Dyna软件材料库中的MAT29输入，MAT29允许用户手动添加材料的刚度曲线。

步骤五，梁截面的第一边长a、第二边长b以及梁壁的厚度t为设计变量；目标函数包括车身总质量，约束条件为碰撞评价指标(例如最大碰撞反力、模型总吸能等)。

步骤六，优化分析。

步骤七，输出优化结果。

图4a至图4c是Kecman薄壁梁弯曲理论模型的示意图，如图4a、图4b和图4c所示，基于Kecman理论模型方法，以下举例说明刚度曲线的计算过程，其中，薄壁梁的截面长为a、宽为b、t为梁壁的厚度。

根据此模型，共有7处固定铰线和2处滚动铰线在变形过程中吸收能量，吸收能量之和为变形过程吸收的总能量。为方便计算，建立如4b图所示的坐标系，同时令ρ＝θ/2，设KL＝2h。同时，由于能量吸收极小原理，有：

固定铰线GH、EF处吸收的能量为：

其中，M

固定铰线BC处吸收的能量为：

固定铰线AB和CJ处吸收的能量为：

其中，

固定铰线BG、BE、CH、CF处吸收的能量为：

W

固定铰线GK、EL、HN、FM处吸收的能量为：

固定铰线KN、LM处吸收的能量为：

W

固定铰线KL、MN处吸收的能量为：

其中，A点y轴坐标与B点y轴坐标相等；

理论模型固定铰线处吸收的总能量为：

滚动半径r取经验值；

滚动铰线GA、AE、JH、JF处吸收的能量为：

滚动铰线KA、LA、JN、JM处吸收的能量为：

理论模型滚动铰线处吸收的总能量为：

W

故薄壁梁弯曲塑性铰理论在模拟弯曲的过程中吸收的总能量为：

则弯矩与转角的关系为：

因此，仅需知道薄壁梁的基本参数，即可计算出该梁的弯曲刚度曲线。

本发明的框架车身碰撞概念设计方法的刚度曲线是基于Kecman理论模型方法得出，由于刚度曲线由计算而来，而非从详细模型中测取，不但省去了繁琐的分析过程，而且在后续的优化过程中，每次迭代时，弯曲刚度曲线会随着梁截面参数的改变同时更新。

本发明的框架车身碰撞概念设计方法解决了概念车身梁结构的刚度曲线只能从详细模型分析得到的问题，使框架车身碰撞模型可以在白车身概念设计阶段针对碰撞问题做梁截面的优化设计工作，大大提高整个白车身设计阶段的工作效率，缩短了白车身的设计周期，同时使得基于碰撞的概念框架车身可以参与正向车身设计。

而且，赋予塑性铰的简化模型在碰撞工况下得到的结果更接近真实解。在简化车身模型中的吸能构件(前纵梁等)应用了Belytschko-Schwer梁单元以模拟塑性铰，与传统的塑性铰模型使用扭转弹簧方法相比，建模效率更高，且在碰撞工况下不易出现未知形变错误。

上述实施方式只是本发明的实施例，不是用来限制本发明的实施与权利范围，凡依据本发明专利所申请的保护范围中所述的内容做出的等效变化和修饰，均应包括在本发明的专利保护范围内。