[发明专利]一种基于薄壁–点阵填充结构车身前端结构设计方法

权利要求书

1.一种基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤1：针对新能源汽车前端结构，根据可布置空间确定设计域和非设计域，建立有限元网格，进行材料设置，选择扭转刚度工况、侧向刚度工况、向上弯曲工况、右上车轮悬架工况、悬架上部压缩工况、右下车轮悬架工况、副车架压缩工况7种典型的载荷工况进行载荷施加，施加边界条件，设置制造性约束，对优化参数进行初始化赋值；

步骤2：采用柔度加权的方法将求解多目标拓扑优化问题转变为求解单目标优化问题，建立其数学优化模型，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；

步骤3：对步骤2中的车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计，对结构杆径进行进一步地尺寸优化，利用三维建模软件将优化杆径尺寸后的实体模型进行填充，得到简明的几何构型。

步骤4：构建基于薄壁-点阵填充结构的实体单元模型和梁-壳复合单元模型；

步骤5：利用有限元方法进行仿真性能验证，进行结构重构设计的变形模式分析，并对重构结构进行力学性能评价。

2.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：步骤1中，对车身前端结构基础设计及设计域构建如下：提取车身几何模型，并对车身模型仅保留研究的前端部分，利用三维建模软件将实体模型进行点阵填充胞元进行均匀填充；设计域以主车架和防火墙为连接面，并包含副车架与前端防撞梁，将车身前端设计域与防火墙设置为共节点，并于防火墙的上方与下方设置六个自由度的全约束，作为所有载荷工况共有的边界条件。

3.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤2中，采用柔度加权的多目标拓扑优化方法如下：

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为设计变量向量，对应了车身前端结构设计域每个单元的相对密度，n为车身前端结构载荷工况总数；w_e为第e个工况的权重因子；c_e(x)为第e个工况的柔度；K为整体刚度矩阵；F_e与U_e分别为第e个工况对应的载荷与位移矩阵；v_i为优化后的单元体积；V₀为优化前车身前端结构的总体积；f为体积分数；x_min为设计变量的下限；x_max为设计变量的下限。以上述的有限元模型与拓扑优化模型为基础，设置拓扑优化参数进行多工况拓扑优化求解。

4.根据权利要求1所述的基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：在步骤4中，在关键承载位置填充与薄壁结构相同的实体材料，实现薄壁–混合填充结构拓扑优化方法，将能有效提高结构的刚度并降低应力最大值，其数学模型为：

s.t.KU＝F

0≤μ₁≤1

0≤μ₂≤1

式中，μ₁与μ₂为相同设计域中的两个设计变量，分别指代实体材料与填充材料与分别为实体材料与填充材料的质量；M(μ)为优化后的材料质量；M^*为设定的材料质量最大值；与为预设实体材料与填充材料的质量分数最大值；表达式g₁(μ₁,μ₂)、g₂(μ₁,μ₂)表示实体材料与填充材料的实际质量分数小于预设质量分数最大值；c(μ₁,μ₂)为柔度；K为整体刚度矩阵；U和F为整体位移与力矢量。