[发明专利]基于薄壁截面属性的车身正向概念设计方法

说明书

本发明公开了一种基于薄壁截面属性的车身正向概念设计方法，基于薄壁Vlasov梁理论和Kollbrunner‑Hajdin假设，针对薄壁梁结构的特点考虑了截面翘曲的影响，具有很高的计算精度，推导了考虑双力矩和截面翘曲函数的传递刚度矩阵模型；在考虑薄壁矩形截面的同时，还提出了基于任何形状的薄壁截面的截面属性计算方法，使得设计方法更具有一般性；规范了计算结果的输出要求，为实现后期车身概念设计三维模型的生成提供可行性。该方法可以有效解决当前汽车工业实践中广泛采用的基于经验和直觉的试凑法所存在的返工多，工作量大，耗时严重，可靠性低等问题；也解决了之前采用传统刚度矩阵法进行车身概念设计时，将薄壁梁处理成实体梁时计算精度较低的问题。

技术领域

本发明涉及汽车车身设计领域，特别是一种基于薄壁截面属性的车身正向概念设计方法。

背景技术

根据车身的设计方法不同，车身的概念设计可以分为正向概念设计和逆向概念设计。概念设计阶段的主要任务是确定总体方案和关键参数，在设计过程中占主导地位，在产品开发周期中所占时间较长。现在企业广泛采用的是逆向概念设计，但是逆向概念设计往往过度受制于标杆车车型的限制，设计周期长、效率低、质量不高，难以实现以性能目标为指导的车身结构设计。而正向概念设计，在设计之初就可以考虑车身的重要性能指标，如静态弯曲刚度和扭转刚度等，利于实现以性能为指导的车身概念设计，提高车身设计效率，缩短产品上市周期，显著增强企业竞争力。

现代车身的概念设计研究中普遍采用有限元工具，有限元对于车身结构的修改完善有很大的指导意义，但是存在重复的有限元建模需要的周期长、建模效率低的问题。考虑正向概念设计阶段模型的不确定性和需要反复验证，有限元很难满足设计需求。车身的主要承载结构可以简化为薄壁梁组成的空间框架结构，在已经确定车身简化几何模型的情况下，为相应的梁单元选取合适的主断面，达到相应的结构设计刚度性能需求，是车身概念设计阶段的一项重要工作。目前，车身正向概念设计中广泛采用的是用薄壁矩形截面代替复杂的真实主断面，且用实体梁理论去求解薄壁梁特性忽略截面翘曲影响，该方法计算精度相对较低，可靠性差。此外，传递矩阵法由于其良好的组装特性和可以降低求解矩阵维度等特点被广泛应用于框架结构的计算。这种方法中，截面状态向量只包含12个计算特征值，对于求解包含14个计算特征值的薄壁梁结构力学性能，就难以奏效。因此，研究基于薄壁理论的车身正向概念设计方法，拓展传统传递矩阵法在车身设计中的应用具有重要的意义。此外，车身结构比较复杂，所包含的主断面很多，截面信息管理不合理，导致后期无法输出概念设计模型的节点和几何形状信息。在车身正向概念设计中缺少对车身截面信息的管理方法和软件，导致在车身再次设计中需要求截面的重复设置和属性值的重新计算。因此，建立车身的薄壁截面属性数据库管理软件，无论对概念设计后期模型生成还是前期的力学计算都有实用价值。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，针对现有技术不足，提供一种基于薄壁截面属性的车身正向概念设计方法，缩短设计周期，更好的管理车身数据，提高原有正向概念设计方法的计算精度，提高汽车车身概念设计效率。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：一种基于薄壁结构主断面属性的汽车车身正向概念设计方法，该方法包括：

步骤1：建立车身薄壁截面属性信息数据库。车身截面属性数据库包括截面的形状几何信息和力学属性信息。车身薄壁截面属性数据库的截面形状的来源有现有的车型的车身主断面，包括CAD模型数据或者照片数据；也有工程师自定义的几何数据，包括TXT文档数据或者图片数据。为了方便说明，以下步骤所涉及的主断面的数据库内容均来自某一款车的现有主断面。

步骤2：确定车身简化几何线框模型。如果设计之初存在详细的CAE模型，车身简化几何模型可以由详细几何模型抽取而得；如果设计之初没有详细的CAE模型，可以建立初步的但可以反映车身基本布置的实体模型，然后通过拓扑优化技术获取车身简化几何线框模型，又可以从设计之初的油泥模型获得。