[發明專利]一種基于薄壁–點陣填充結構車身前端結構設計方法

在審

• 申請號: 202310490123.7
• 申請日: 2023-05-04
• 公開（公告）號: CN116522499A
• 公開（公告）日: 2023-08-01
• 發明（設計）人: 白影春;陳嘉玉;黃程翔;陳立光
• 申請（專利權）人: 北京理工大學;陳立光
• 主分類號: G06F30/15
• 分類號: G06F30/15;G06F30/23;G06F119/14
• 代理公司: 北京律譜知識產權代理有限公司 11457
• 代理人: 孫紅穎

1.一種基于薄壁-點陣填充結構的車身前端結構設計方法，其特征在于：包括如下步驟：

步驟1：針對新能源汽車前端結構，根據可布置空間確定設計域和非設計域，建立有限元網格，進行材料設置，選擇扭轉剛度工況、側向剛度工況、向上彎曲工況、右上車輪懸架工況、懸架上部壓縮工況、右下車輪懸架工況、副車架壓縮工況7種典型的載荷工況進行載荷施加，施加邊界條件，設置制造性約束，對優化參數進行初始化賦值；

步驟2：采用柔度加權的方法將求解多目標拓撲優化問題轉變為求解單目標優化問題，建立其數學優化模型，利用求解器進行多工況拓撲優化求解；

步驟3：對步驟2中的車身前端結構的拓撲優化結果進行結構的重構設計，對結構桿徑進行進一步地尺寸優化，利用三維建模軟件將優化桿徑尺寸后的實體模型進行填充，得到簡明的幾何構型。

步驟4：構建基于薄壁-點陣填充結構的實體單元模型和梁-殼復合單元模型；

步驟5：利用有限元方法進行仿真性能驗證，進行結構重構設計的變形模式分析，并對重構結構進行力學性能評價。

2.根據權利要求1所述的基于薄壁-點陣填充結構的車身前端結構設計方法，其特征在于：步驟1中，對車身前端結構基礎設計及設計域構建如下：提取車身幾何模型，并對車身模型僅保留研究的前端部分，利用三維建模軟件將實體模型進行點陣填充胞元進行均勻填充；設計域以主車架和防火墻為連接面，并包含副車架與前端防撞梁，將車身前端設計域與防火墻設置為共節點，并于防火墻的上方與下方設置六個自由度的全約束，作為所有載荷工況共有的邊界條件。

3.根據權利要求1所述的基于薄壁-點陣填充結構的車身前端結構設計方法，其特征在于：在步驟2中，采用柔度加權的多目標拓撲優化方法如下：

find?x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T,i＝1,2,...,n

s.t.KU_e＝F_e

x_min≤x_i≤x_max

式中，x＝{x₁,x₂,...,x_i}^T為設計變量向量，對應了車身前端結構設計域每個單元的相對密度，n為車身前端結構載荷工況總數；w_e為第e個工況的權重因子；c_e(x)為第e個工況的柔度；K為整體剛度矩陣；F_e與U_e分別為第e個工況對應的載荷與位移矩陣；v_i為優化后的單元體積；V₀為優化前車身前端結構的總體積；f為體積分數；x_min為設計變量的下限；x_max為設計變量的下限。以上述的有限元模型與拓撲優化模型為基礎，設置拓撲優化參數進行多工況拓撲優化求解。

4.根據權利要求1所述的基于薄壁-點陣填充結構的車身前端結構設計方法，其特征在于：在步驟4中，在關鍵承載位置填充與薄壁結構相同的實體材料，實現薄壁–混合填充結構拓撲優化方法，將能有效提高結構的剛度并降低應力最大值，其數學模型為：

s.t.KU＝F

0≤μ₁≤1

0≤μ₂≤1

式中，μ₁與μ₂為相同設計域中的兩個設計變量，分別指代實體材料與填充材料與分別為實體材料與填充材料的質量；M(μ)為優化后的材料質量；M^*為設定的材料質量最大值；與為預設實體材料與填充材料的質量分數最大值；表達式g₁(μ₁,μ₂)、g₂(μ₁,μ₂)表示實體材料與填充材料的實際質量分數小于預設質量分數最大值；c(μ₁,μ₂)為柔度；K為整體剛度矩陣；U和F為整體位移與力矢量。