[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

本發明提供了一種基于薄壁?點陣填充結構的車身前端結構設計方法，其特征在于：包括：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，建立典型的載荷工況進行載荷施加；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，利用求解器進行多工況拓撲優化求解；步驟3：車身前端結構的拓撲優化結果進行結構的重構設計；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。該方法結合增材制造工藝實現了薄壁?點陣填充結構的一體化設計與制造，并提出了與模型相對應的高精度仿真建模方法。

技術領域

本發明涉及結構優化設計方法相關領域，尤其涉及一種基于薄壁–點陣填充結構車身前端結構設計方法。

背景技術

薄壁–填充結構通常由外部密實材料薄壁和內部孔隙填充材料組成。密實材料薄壁在保持整體結構外部形貌的同時，也為內部孔隙填充材料提供可靠的邊界。密實材料薄壁與內部填充結構能夠協同承載，并通過其拓撲構型影響整體結構的力學性能與失效規律。薄壁–填充結構特征，使其呈現出優異的性能和輕量化水平，如高比剛度、高比強度、優異的吸聲吸能性能等。與傳統結構相比，薄壁–填充結構可以通過整體結構與填充結構的協同設計，從而最大限度地提高力學性能和輕量化水平。隨著結構輕量化設計的多元化發展，單一工況下的簡單構型已經不能滿足需求。將薄壁-點陣填充結構與拓撲優化相結合以獲取更多工況下的復雜構型，即基于拓撲優化的薄壁點陣填充結構，是薄壁-點陣填充結構未來的發展趨勢。并且近年來增材制造技術的普遍應用使得制造復雜結構成為可能，這極大地拓展了結構的設計空間。

車身前端結構是汽車外部集成多個組件的復雜系統部件，主要起著連接汽車前端和功能集成的作用。近年來，隨著制造技術快速發展，汽車前端結構整向著集成化、輕量化等方向發展。在概念設計階段，通過拓撲優化獲得材料最優布局，從而在保證結構性能的同時最大限度的提升輕量化水平。特別是隨著增材制造技術的發展，為制造新能源汽車用輕量化超輕量化結構提供了制造保障。

受制于動力電池能量密度，新能源汽車對輕量化提出了更為迫切的需求，綜合利用拓撲優化和增材制造，進行設計和制造薄壁-點陣填充型新能源汽車前端結構，可以充分挖掘材料與結構的綜合潛力，有助于實現高性能超輕量化，為未來超輕量化新能源汽車結構創新設計提供新的思路。

發明內容

本發明的目的是以新能源汽車車身前端結構框架為對象，提供一種基于薄壁–點陣填充結構的車身前端結構設計方法。首先，根據7個前端結構載荷工況，基于變密度法拓撲優化獲取最優傳力路徑；然后，以最優傳力路徑為基礎，結合桿徑尺寸優化進行重構獲得薄壁–點陣填充型一體化前端車身結構；最后，通過仿真驗證了結構的扭轉剛度與彎曲剛度。通過采用薄壁–點陣填充結構，在保證優異的力學性能同時，能夠有效提升輕量化水平，減重比最高可達85.51％。

為實現上述目的，本發明具體的技術方案如下：

本發明提出的一種基于薄壁-點陣填充結構的車身前端結構設計方法，包括如下步驟：

步驟1：針對某型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，并選擇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，接著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，提升一體化程度；

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；