[发明专利]一种基于多性能约束的汽车结构轻量化正向设计方法及系统

说明书

一种基于多性能约束的汽车结构轻量化正向设计方法及系统，通过有限元建模技术搭建车身结构有限元分析模型，利用拓扑优化技术，以车身弯曲/扭转刚度性能为约束工况，识别汽车结构典型的传力路径，开展概念阶段的轻量化设计；然后利用灵敏度分析技术，分别开展应变能分析和料厚灵敏度分析，找到车身的薄弱环节和关重的设计区域；再利用形貌优化，提升车身性能；最后，基于商业集成优化软件，对车身多性能目标进行集成仿真分析，采用DOE采样与数据挖掘技术开展设计参数与性能、性能与性能间的相关性研究，进而开展考虑多学科性能的车身结构轻量化设计，减轻车身结构质量，提高产品性能，缩短研发与制造周期，节省成本。

技术领域

本发明属于汽车CAE仿真技术领域，具体涉及汽车结构轻量化设计方法。

背景技术

据统计，汽车每减轻总质量的10%，燃油消耗量可降低6%~8%，由此可见，汽车结构轻量化水平对于节约能源、减少废气排放具有十分积极的意义。汽车设计过程中涉及NVH、刚度、强度疲劳和碰撞等多个学科，需要综合权衡学科间的各项性能指标，开展多目标多性能约束的优化设计。随着国内整车厂研发水平的不断提升，传统的基于参考车的设计方法已不能完全适应缩短研发周期、提升产品竞争力的市场需求，需要一套切实可行的考虑多性能约束的汽车结构轻量化正向设计方法进行指导。

在汽车结构概念设计阶段，拓扑优化是汽车结构优化中具有广阔前景和创新性的技术，它是指在给定的设计空间内寻找最佳材料分布或最优传力路径，在满足各项性能条件下得到重量最轻的设计方案。拓扑优化的主要分析过程包括定义标准分析工况、建立拓扑优化域、创建约束条件与优化目标以及优化求解与结果解析。

车身结构通常由钢板冲压成型的金属构件和大型覆盖件组成，材料厚度参数对车身性能有显著影响。为了识别并筛选影响车身性能的关重料厚参数，车身结构灵敏度分析方法是一种行之有效的方法。以车身刚度灵敏度分析为例，建立车身结构高精度有限元模型，实现对车身刚度性能的精准仿真，在此基础上，提取材料厚度参数作为设计变量，车身刚度为优化目标，可以获得车身关重件灵敏度排序。

在汽车开发的详细设计阶段，传统的“串行设计开发模式”是通过NVH、碰撞、刚度/强度等不同性能领域的工程师独立开发，再经过多轮迭代协调各个性能。虽然在每个分系统设计工程中，可以采用先进的设计方法和优化手段使得各分系统性能达到“最佳”，然而，由于未能充分考虑性能之间的耦合、制约及其协同效应，使得这样的设计方式缺乏系统性和全局性。为克服上述的设计弊端，基于多学科设计优化的整车结构性能开发方法得到不断的发展和进步，能够充分考虑不同学科之间的相互影响关系，有效地减少设计过程中不同性能的反复迭代验证，从而实现缩短设计周期，提高设计质量。

发明内容

本发明提出一种基于多性能约束的汽车结构轻量化正向设计方法及系统，所要解决的问题是如何在满足多学科多性能约束下，开展汽车结构轻量化正向设计，从而有效地减少汽车结构质量。

本发明的技术方案如下：

本发明的第一目的是提出的一种基于多性能约束的汽车结构轻量化正向设计方法，所述方法是通过有限元建模技术搭建车身结构有限元分析模型，利用拓扑优化技术，以车身弯曲/扭转刚度性能为约束工况，识别汽车结构典型的传力路径，开展概念阶段的轻量化设计；然后利用灵敏度分析技术，分别开展应变能分析和料厚灵敏度分析，找到车身的薄弱环节和关重的设计区域；再利用形貌优化，提升车身性能；最后，基于商业集成优化软件，对车身多性能目标进行集成仿真分析，采用DOE采样与数据挖掘技术开展设计参数与性能、性能与性能间的相关性研究，进而开展考虑多学科性能的车身结构轻量化设计，减轻车身结构质量，提高产品性能，缩短研发与制造周期，节省成本。

本发明方法的步骤主要包括：

（1）搭建车身结构有限元分析模型，进行车身性能仿真分析；

（2）利用拓扑优化技术，以车身弯曲/扭转刚度性能为约束工况，得到设计区域的材料分布情况，识别汽车结构典型的传力路径；