[發明專利]基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法

在審

• 申請號: 202110482981.8
• 申請日: 2021-04-30
• 公開（公告）號: CN113312701A
• 公開（公告）日: 2021-08-27
• 發明（設計）人: 徐志強;胡國強;任毅斌;劉云剛;宋小雨;李秀磊;王苗苗
• 申請（專利權）人: 中鋁材料應用研究院有限公司
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/20
• 代理公司: 中國有色金屬工業專利中心 11028
• 代理人: 甄薇薇

本發明公開了一種基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，包括以下步驟：對含有門立柱的客車模型進行扭轉剛度計算；建立門立柱初始模型；將門立柱初始模型建立拓撲優化方案得到拓撲后模型；拓撲優化方案的約束條件包括限制扭轉剛度計算時施加載荷的加載點處最大的相對位移，相對位移的計算公式為：func(U₁,U₂)＝U₁?U₂，其中，U₁、U₂為加載點處的垂向位移；將拓撲后模型解讀后的模型作為尺寸優化的初始模型，建立尺寸優化方案，得到的最終優化結構模型進行扭轉剛度計算，得到優化后的客車模型的扭轉剛度。本發明能夠充分發揮拓撲及尺寸優化技術作用、確保在滿足門立柱輕量化的前提下提高整車扭轉剛度。

技術領域

本發明屬于結構優化分析技術領域，具體涉及一種基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法。

背景技術

汽車的輕量化設計技術已經成為目前汽車研究領域的研究熱點之一。而我國現有主機廠以及鋁企對全鋁客車車身的開發主要還是集中在憑借鋼車身的設計經驗，以鋁代鋼進行等剛度替換，忽視了鋁型材斷面特有的優勢，僅僅是考慮了鋁材料的密度比鋼的密度輕這一特點，而對鋁型材斷面的開發相對空缺，并且在設計開發中，多采用逆向設計，即通過經驗設計出汽車結構以后再經過CAE分析進行性能校核，該設計開發流程會導致設計出的結構性能不是偏小就是性能過剩，不能很準確的滿足性能要求，需要進行多次設計多次驗證，迭代次數多，這樣會導致開發周期慢。

另外，在全鋁客車車身的設計開發過程中，車身門立柱作為車身側圍的主要承載結構，在進行設計時，一般會考慮既能滿足剛度的要求，同時又能實現輕量化，而對門立柱的設計同樣也是主要以經驗設計為主，沒有充分發揮鋁型材截面形狀復雜的優勢，只是采用簡單的斷面來進行設計，很難體現鋁型材真正的價值。

發明內容

針對現有技術中的問題，本發明提供一種能夠充分發揮拓撲及尺寸優化技術作用、確保在滿足門立柱輕量化的前提下提高整車扭轉剛度的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法。

本發明采用以下技術方案：

一種基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)對含有門立柱的客車模型進行扭轉剛度計算；

(2)建立門立柱初始模型，門立柱初始模型的輪廓內采用實體單元完全填充；

(3)將門立柱初始模型建立拓撲優化方案得到拓撲后模型；拓撲優化方案包括第一設計變量、約束條件、第一目標響應；第一設計變量為門立柱初始模型的輪廓內所有填充區域；約束條件包括限制扭轉剛度計算時施加載荷的加載點處的相對位移，相對位移的計算公式為：func(U₁,U₂)＝U₁-U₂，其中，U₁、U₂為加載點處的垂向位移；第一目標響應為體積分數最小化；拓撲優化方案包括對設計變量進行實體模型的模式重復設置和擠壓路徑設置；

(4)將拓撲后模型解讀后的模型作為尺寸優化的初始模型，建立尺寸優化方案，得到最終優化結構模型；尺寸優化方案包括第二設計變量，約束函數、第二目標響應；第二設計變量為門立柱斷面不同位置的壁厚；約束函數為限制門立柱的最大質量以及扭轉剛度計算時施加載荷的加載點處的相對位移；第二目標響應為剛度最大化；

(5)將最終優化結構模型進行扭轉剛度計算，得到優化后的客車模型的扭轉剛度。

根據上述的基于拓撲及尺寸優化的全鋁客車車身門立柱結構設計方法，其特征在于，步驟(1)中含有門立柱的客車模型采用殼單元進行建模；門立柱包含客車前門后立柱、客車后門前立柱、客車后門后立柱，門立柱為鋁合金型材。