一种基于拓扑优化方法的车身铝型材挤压件截面设计方法

技术领域

本发明涉及新能源汽车轻量化设计方法相关领域，尤其涉及一种基于拓扑优化方法的车身铝型材挤压件截面设计方法，特别是面向复杂工况的新能源汽车铝合金车身挤压件截面轻量化设计。

背景技术

为了提高汽车的动力性与续航能力，轻量化技术一直是项重要研究内容。铝合金是一种常见的金属材料，具有很高的比强度，同时又具有很好的韧性和可塑性，因此其在汽车领域的应用越来越广泛。对于车身铝合金结构件而言，合理的截面设计具有重要意义。通过合理的截面设计，可以充分发挥铝合金材料的比强度高的特点，实现更高的轻量化水平。通过截面设计提高截面惯性矩，从而可以提高车身结构的刚性和抗变形能力，增强车辆的抗碰撞性能。对截面进行设计还可以优化材料的使用，减少废料和加工成本。国内在铝合金挤压件截面设计方面已经有了一定的发展和进步，但仍然存在一些问题和不足，如理论研究和工程应用实践之间的脱节、设计软件的使用难度等。因此，需要进一步加强研究和开发工作，提高铝合金挤压件截面设计的水平和质量。

在结构轻量化方法中，拓扑优化是在给定设计空间内寻找材料最优布置的一种数学方法，它保留了设计空间内必要的材料布局以满足给定的目标与约束条件。因此，拓扑优化可以根据材料的布置反映载荷传递路径，并且能够实现一定程度的轻量化。尺寸优化以零部件尺寸参数为设计变量，如板材厚度、截面面积等，寻找最优设计参数的组合。

发明内容

本发明的目的是将多目标拓扑优化理论及尺寸优化方法与具体的工程应用相结合，提出一种面向复杂工况的新能源汽车铝合金车身挤压件截面设计方法，从而获得截面的高效载荷传递路径与结构最优设计参数，为挤压件截面设计提供了流程上的指导，提高了车身轻量化水平。

为实现上述目的，本发明具体的技术方案如下：

步骤1、建立新能源汽车车身的有限元分析模型，施加弯曲、扭转、碰撞等整车工况载荷，开展多工况有限元分析；

步骤2、根据多工况有限元分析的单元节点力结果，提取分析待设计构件的连接截面边界载荷；

步骤3、对车身的典型挤压件，槛梁、顶边梁等结构构建三维设计域有限元模型，施加提取的边界载荷作为等效载荷，设置边界条件与制造性约束；

步骤4、建立以多工况的加权柔度值为目标函数的拓扑优化模型，并进行求解计算；

步骤5、基于求解的结果，结合设计要求与制造工艺要求，对门槛梁与顶边梁进行截面的几何重构，获取截面构型的概念方案；

步骤6、基于重构的挤压件模型建立整车有限元模型，综合考虑弯曲、扭转、侧碰、顶压等工况，以性能为目标、质量为约束，开展尺寸优化设计；

步骤7、基于尺寸分析的结果，结合制造工艺要求进行截面厚度的方案确定，进行性能验证与评估。

本发明的效益：

(1)本发明提出的基于拓扑优化的车身挤压件截面重构轻量化设计方法，该方法的流程思路可以指导整车开发中的轻量化设计过程。

(2)本发明提出了从全局模型中抽取自由体载荷传递给目标设计域作为边界条件进行拓扑优化分析的方法，解决了大规模模型及多设计域拓扑优化问题中难以求解或计算效率低的困难，为铝型材轻量化截面设计提供了快速且高效的方法。

附图说明

图1为本发明中涉及的车身结构；

图2为本发明中对设计目标施加的工况；

图3为本发明中设计对象的连接面位置示意；

图4为门槛梁连接面截面力提取示意；

图5为本发明中设计域示意；

图6为门槛梁设计域施加的工况；

图7为顶边梁设计域施加的工况；

图8为门槛梁优化过程；

图9为顶边梁优化过程；

图10为门槛梁与顶边梁优化前截面；

图11为门槛梁与顶边梁优化后截面；

具体实施方式

为了使本领域的技术人员更好地理解本申请的技术方案，以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

该实例提供了一种基于拓扑优化方法的车身铝型材挤压件截面设计方法，具体包括以下步骤：

步骤1、建立新能源汽车车身有限元分析模型，施加包括弯曲、扭转、碰撞在内的整车工况载荷，开展多工况有限元分析；

图1是本发明中原方案门槛梁与顶边梁在车身上的位置示意图，对车身分别施加弯曲工况与扭转工况。如图2所示，具体定义如下：

(1)车身弯曲工况：载荷施加在B柱前端的门槛梁上表面的部分区域，载荷大小为1500N，方向为Z轴负方向。约束前轮减震器安装点的23自由度(Y、Z轴移动自由度)，约束后轮减震器安装点的123自由度(X、Y、Z轴移动自由度)。

(2)车身扭转工况：载荷施加在前轮左右减震器安装点，载荷大小为1674.8N，一边载荷方向为Z轴正方向，另外一边为Z轴负方向。约束前防撞梁前端面中心位置的3自由度(Z轴移动自由度)，约束后轮减震器安装点的123自由度(X、Y、Z轴移动自由度)。

步骤2、根据多工况有限元分析的单元节点力结果，提取分析待设计构件的连接截面边界载荷；

对于车身弯曲工况，门槛梁与顶边梁可等效为简支梁，施加的边界条件相对简单。因此在该实例中着重提取了车身扭转工况中门槛梁与顶边梁的连接截面相关单元的截面力，图3是各主要连接面的位置示意。图4是门槛梁提取A柱区域连接面截面力的过程示意，对连接截面周边单元的节点力进行合并，得到连接面的截面力，其他连接面采用相同的方式进行截面力的提取。连接面截面力大小如下表所示：

步骤3、对车身的挤压件，即包括门槛梁、顶边梁在内的结构构建三维设计域有限元模型，施加提取的边界载荷作为等效载荷，设置边界条件与制造性约束；

为了减少模型处理难度，提高计算效率，该实施例中把车身的门槛梁与顶边梁单独提取出来，由于门槛梁和顶边梁是对称结构，取单侧的即可。整车模型中的门槛梁与顶边梁为壳单元形式，为了进行后续的多目标拓扑优化过程，需要构建门槛梁与顶边梁的三维设计域。将门槛梁与顶边梁内部的筋去除，保留外廓特征，补充两端截面的有限元网格，根据封闭网格面生成三维六面体网格。构建的设计域如图5所示，单个网格边长为3mm左右，其中门槛梁为502427个六面体单元，顶边梁为168347个单元。

接下来分别对门槛梁与顶边梁三维设计域施加工况。对于门槛梁，施加弯曲等效工况、扭转等效工况以及柱碰等效工况。对于顶边梁施加弯曲等效工况、扭转等效工况以及顶部受压等效工况。

如图6-7所示，门槛梁及顶边梁各工况的具体的载荷定义如下：

(1)门槛梁弯曲等效工况：载荷施加在B柱前端的门槛梁上表面的部分区域，载荷大小为1500N，方向为Z轴负方向。约束门槛梁上与前舱连接面、后舱连接面、A柱连接面、C柱连接面上各节点的六个自由度；

(2)门槛梁扭转等效工况：在前舱连接面施加X正方向85N，Y正方向65N的载荷；在A柱连接区施加X负方向96N，Z负方向76N的载荷；在门槛梁与B柱载荷传递的连接面处施加X负方向342N，Z正方向210N的载荷；在C柱连接区施加X正方向60.7N，Z正方向106N的载荷；约束后舱连接面上各节点的六个自由度；

(3)门槛梁柱碰等效工况：在门槛梁外侧靠近B柱200mm左右的区域施加Y正方向5000N的载荷；分别约束前后舱连接面上各节点的六个自由度；

(4)顶边梁弯曲等效工况：在顶边梁B柱连接区域施加Z负方向750N的载荷；分别约束A柱、C柱连接面上各节点的2与3自由度(Y、Z方向)以及D柱连接面上各节点的三个方向移动自由度；

(5)顶边梁扭转等效工况：在顶边梁A柱连接区域施加X负方向127N,Y负方向76N，Z负方向70N的载荷；在B柱连接区域施加X方向187N的载荷；在D连接区域施加X正方向69N，Y负方向35N的载荷；约束C柱连接面上各节点的六个自由度；

(6)顶边梁顶部受压等效工况：用与X轴夹角5°，Y轴夹角-25°的平面对车身顶部施加压力，主要受力面积为顶边梁前端250mm左右的区域。顶部受压等效工况是将力分解为三个正交力，假设施加的压力为5000N，受压区域等效受到X方向394N，Y方向184N，Z负方向4980N的载荷；分别约束顶边梁A柱、B柱、C柱、D柱连接面上各节点的三个移动自由度。

步骤4、建立以多工况的加权柔度值为目标函数的拓扑优化模型，并进行求解计算；

完成工况加载后，对门槛梁以及顶边梁模型分别施加拓扑优化制造性约束，体积分数取0.25，并且沿着成型方向施加挤压约束。然后，分别对模型进行多目标拓扑优化设计，柔度加权的多目标拓扑优化方法如下：

find x＝{x

s.t.KU

x

式中，x

步骤5、基于求解的结果，对门槛梁与顶边梁进行截面的几何重构，获取截面构型的方案；

根据拓扑优化求解后的门槛梁与顶边梁设计结果，对截面进行概念设计，其具体包括：

(1)保留传力路径中比较重要的特征，并将其转化为壳单元；

(2)保证新建结构不与原构型中的零件安装孔及连接点发生干涉；

(3)拓扑优化结果中未成型的结构，考虑其在原模型中不可替代的作用也应该予以保留。

如图8所示，是门槛梁的优化前后方案对比。对于门槛梁，拓扑优化结果显示了清晰的外廓特征以及中间的两条横筋。而在重构的截面当中，考虑到门槛梁与电池包的安装特性，需要保留中间的竖筋，根据拓扑路径保留了上方的横筋，并且上方的横筋被竖筋分割成两部分，靠近内侧的横筋保持与水平面平行，靠近外侧的横筋由拓扑路径需要偏置15°的夹角；拓扑结果中下方的横筋在实际位置上与安装点发生干涉，因此在重构方案中向上偏移一定的距离；同时为了维持结构的稳定性，在安装点下方，被竖筋分割的空间靠近内侧再增设一条横筋。

图9是顶边梁的优化前后方案对比。对于顶边梁，拓扑优化结果显示了清晰的外廓特征以及靠近外侧承载区域材料堆叠的情况。在重构截面中，与拓扑路径相一致，保留了贯通的斜筋。同时为了保证结构刚度，增设了两条短筋，短筋的位置避让了安装点以防止干涉。根据拓扑路径的特征，把原方案中靠内一侧贯通的斜筋改为斜短筋。

步骤6、基于重构的挤压件模型建立整车有限元模型，综合考虑包括弯曲、扭转、侧碰、顶压工况，以性能为目标、质量为约束，开展尺寸优化设计；

对于门槛梁与顶边梁的设计，施加柱碰工况与顶部加压工况是为了模拟车身遭受侧面碰撞以及发生倾覆时的情况。在这两种事故中，门槛梁与顶边梁均会发生不可逆的塑形变形，是结构的强度性要求。因此，刚度无法作为设计的约束，应该将其设定为目标函数(用柔度表征刚度)，并且将质量设定为约束，使其在目标重量下，通过截面尺寸的优化以达到该条件下的最大刚度。

原方案的截面构型如图10所示，根据优化需求，以质量为约束。施加弯曲、扭转等整车工况与侧面柱碰，顶部加压等局部工况，以柔度为目标函数，进行尺寸优化分析。

步骤7、基于尺寸分析的结果，结合制造工艺要求进行截面厚度的方案确定，并进行性能验证与评估。

为了匹配制造工艺，步骤6的尺寸优化结果调整按照以下方式进行：

(1)尽量避免相邻结构的尺寸变化过大，从而减小因挤压成型工艺而产生的内应力；

(2)考虑挤压成型的工艺特性，为了不产生制造缺陷，尽可能避免过薄的尺寸；

(3)在尖角处及拐角处增设圆角(在构型简图中未体现)。

尺寸优化后的构型如图11所示，优化后的门槛梁与顶边梁分别减重了22.6％和4.3％。

针对优化的方案，还应该进行相关的性能验证，验证通过才能采纳。该实施例重点在于介绍挤压件截面轻量化重构的方法，具体的性能测试环节不再赘述。经验证，优化的构型符合设计要求，并且已经投入使用。

本发明以某车型的门槛梁、顶边梁等典型挤压件结构为设计对象，基于拓扑优化与尺寸优化方法完成复杂工况下的挤压件截面设计。首先，建立有限元分析模型，施加弯曲、扭转等整车工况载荷，提取与分析待设计构件的边界载荷；然后，建立挤压件三维设计域有限元模型，分别施加提取的等效边界载荷与分析对象的局部工况，进行有限元分析；最后，根据分析结果进行截面重构，并且进行尺寸优化，并将优化结果进行刚度强度仿真验证。相比于该车型初始设计，门槛梁和顶边梁分别减重22.6％和4.3％。