[发明专利]一种白车身变截面梁的设计方法

说明书

技术领域

本发明属于汽车白车身结构设计领域，特别涉及到一种车身变截面梁的设计和优化方法。该发明既可以应用于正向设计过程中梁的变截面轮廓线的确定，也可对现有的梁进行基于结构性能的改进优化。

背景技术

经过一百三十年的发展，汽车工业已经成为影响国民经济发展的重要支柱产业之一，它的快速发展对国家的经济起到巨大的推动作用。然而随着世界各国汽车保有量的迅速增加，石油、天然气等不可再生能源消耗严重并且有害排气体放逐年递增。汽车产业的发展面临着越来越严峻的挑战，汽车不仅需要保证较好的节能环保性，还要在激烈的市场竞争取得良好的业绩。如何能较快、高效的开发设计出高性能、低消耗的车型，已经成为汽车企业在竞争中脱颖而出的关键。

汽车车身设计按照设计过程先后分为两个阶段，概念设计阶段与详细设计阶段。概念设计阶段主要任务是确定车身整体结构性能，在此阶段的车身设计，需要对整体模型的力学性能进行反复仿真与校核，在很大程度上决定了汽车设计周期的长短和后期的重复设计量，直接关系到车辆的开发成本，如果在这个阶段留下缺陷，在以后进一步的设计中将面临诸多困难，并且前期的错误很难在后期弥补。在车身概念设计阶段，用于车身性能评估的车身模型大多是简化的框架模型，车身分析优化得到的结果是具体的梁单元的性能参数，而无法获得具有目标特性的截面形状，设计者只能根据以往的经验和直觉来设计，这必然将截面设计的一些不合理性带到以后的设计过程中，这已成为阻碍车身快速设计的一大障碍。此外，截面形状与厚度直接关系到车身的重量，进而影响到车辆的燃油经济性与排放。因此，在车身结构设计领域，需要一个操作简便、充分考虑设计工程约束的梁截面优化设计方法。

传统的梁截面设计主要是基于经验判断与实验模拟，这种方法既不可靠又不高效，这势必制约新车型的开发速度，影响汽车的设计周期。这一问题可以通过截面优化设计来解决。车身薄壁梁截面设计问题主要包括对截面形状、材料和厚度的优化设计，国内学者对截面设计及优化问题也做了许多研究工作，但结合车身变截面优化方面的工作还比较少，例如，在公开号为103455692A、题为“汽车车身断面形状两步优化设计方法”的专利文献中提出一种以汽车车身箱型断面作为中间变量的两步优化设计方法，但在该专利方法中并没有关于变截面板以及多个板之间的同步优化的研究。由于车身梁结构截面的形状极其复杂，在对截面进行优化设计时，需要找到一种即可以保证截面连续变化，截面的控制变量又相对较少的截面形状控制方法，保证优化操作可以顺利实施，因此，目前车身截面设计仍需要开发一个真正符合汽车行业标准的，满足可制造性要求的综合设计方法。

发明内容

本发明的目的是综合考虑车身梁截面设计的装配及制造的约束，例如：车身梁截面需要跟车身造型相适应，其截面外板形状受到车身整体造型的约束；车身梁截面是由薄壁板冲压而成，其形状也受到冲压工艺的限制。另外，车身梁结构冲压钢板的厚度也不是连续的，设计者必须从市场可提供的标准厚度的材料中进行选择制造，因此材料类型和材料厚度的选择是一个离散问题。本发明通过在梁截面上选取一定数量的控制点从而对截面形状进行控制，并建立材料参数与厚度数据库，以连续的梁截面形状，离散的材料厚度、材料种类、梁截面板的数量为设计变量，以满足车身刚度所需截面属性、质量以及成本等为设计目标，实现满足不同设计约束条件下的变截面优化。为车身设计者提供一个符合汽车设计标准的、易操作的、实用的车身截面优化设计途径。解决了变截面梁的同步优化难题。本发明不仅对各种约束工况的单一截面的设计问题进行了研究，并实现了对具有多层板数的变截面梁的设计。

一种白车身变截面梁的设计方法，具体步骤如下：

(1)白车身变截面梁中控制点排布方式：针对截面形式和优化条件进行白车身变截面梁中个体控制点排布，通过控制点排布能准确表达出截面参数信息，如截面形状、板的厚度等。

控制点的排布方法为：梁截面两个连接点的连线为y轴，过其中一个连接点垂直y轴直线设为z轴，建立梁截面局部坐标系，以y轴与z轴的交点为坐标原点；进行梁截面形状控制时，将外板控制点的y坐标分别投影到内板和加强板上，其中，外板、内板和加强板上分别有多个控制点；保持外板控制点的y坐标不变，改变外板上控制点到y轴的距离d_j,1控制外板的形状，以z轴正向为正；改变加强板到外板距离d_j,2，控制加强板的形状，改变内板到加强板距离d_j,3，控制内板的形状，其中j表示第j个控制点。