[发明专利]基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法

说明书

本发明公开了一种基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法，包括以下步骤：对含有门立柱的客车模型进行扭转刚度计算；建立门立柱初始模型；将门立柱初始模型建立拓扑优化方案得到拓扑后模型；拓扑优化方案的约束条件包括限制扭转刚度计算时施加载荷的加载点处最大的相对位移，相对位移的计算公式为：func(U₁,U₂)＝U₁‑U₂，其中，U₁、U₂为加载点处的垂向位移；将拓扑后模型解读后的模型作为尺寸优化的初始模型，建立尺寸优化方案，得到的最终优化结构模型进行扭转刚度计算，得到优化后的客车模型的扭转刚度。本发明能够充分发挥拓扑及尺寸优化技术作用、确保在满足门立柱轻量化的前提下提高整车扭转刚度。

技术领域

本发明属于结构优化分析技术领域，具体涉及一种基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法。

背景技术

汽车的轻量化设计技术已经成为目前汽车研究领域的研究热点之一。而我国现有主机厂以及铝企对全铝客车车身的开发主要还是集中在凭借钢车身的设计经验，以铝代钢进行等刚度替换，忽视了铝型材断面特有的优势，仅仅是考虑了铝材料的密度比钢的密度轻这一特点，而对铝型材断面的开发相对空缺，并且在设计开发中，多采用逆向设计，即通过经验设计出汽车结构以后再经过CAE分析进行性能校核，该设计开发流程会导致设计出的结构性能不是偏小就是性能过剩，不能很准确的满足性能要求，需要进行多次设计多次验证，迭代次数多，这样会导致开发周期慢。

另外，在全铝客车车身的设计开发过程中，车身门立柱作为车身侧围的主要承载结构，在进行设计时，一般会考虑既能满足刚度的要求，同时又能实现轻量化，而对门立柱的设计同样也是主要以经验设计为主，没有充分发挥铝型材截面形状复杂的优势，只是采用简单的断面来进行设计，很难体现铝型材真正的价值。

发明内容

针对现有技术中的问题，本发明提供一种能够充分发挥拓扑及尺寸优化技术作用、确保在满足门立柱轻量化的前提下提高整车扭转刚度的基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法。

本发明采用以下技术方案：

一种基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)对含有门立柱的客车模型进行扭转刚度计算；

(2)建立门立柱初始模型，门立柱初始模型的轮廓内采用实体单元完全填充；

(3)将门立柱初始模型建立拓扑优化方案得到拓扑后模型；拓扑优化方案包括第一设计变量、约束条件、第一目标响应；第一设计变量为门立柱初始模型的轮廓内所有填充区域；约束条件包括限制扭转刚度计算时施加载荷的加载点处的相对位移，相对位移的计算公式为：func(U₁,U₂)＝U₁-U₂，其中，U₁、U₂为加载点处的垂向位移；第一目标响应为体积分数最小化；拓扑优化方案包括对设计变量进行实体模型的模式重复设置和挤压路径设置；

(4)将拓扑后模型解读后的模型作为尺寸优化的初始模型，建立尺寸优化方案，得到最终优化结构模型；尺寸优化方案包括第二设计变量，约束函数、第二目标响应；第二设计变量为门立柱断面不同位置的壁厚；约束函数为限制门立柱的最大质量以及扭转刚度计算时施加载荷的加载点处的相对位移；第二目标响应为刚度最大化；

(5)将最终优化结构模型进行扭转刚度计算，得到优化后的客车模型的扭转刚度。

根据上述的基于拓扑及尺寸优化的全铝客车车身门立柱结构设计方法，其特征在于，步骤(1)中含有门立柱的客车模型采用壳单元进行建模；门立柱包含客车前门后立柱、客车后门前立柱、客车后门后立柱，门立柱为铝合金型材。