[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

说明书

本发明提供了一种基于薄壁‑点阵填充结构的车身前端结构设计方法，其特征在于：包括：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，建立典型的载荷工况进行载荷施加；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，利用求解器进行多工况拓扑优化求解；步骤3：车身前端结构的拓扑优化结果进行结构的重构设计；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。该方法结合增材制造工艺实现了薄壁‑点阵填充结构的一体化设计与制造，并提出了与模型相对应的高精度仿真建模方法。

技术领域

本发明涉及结构优化设计方法相关领域，尤其涉及一种基于薄壁–点阵填充结构车身前端结构设计方法。

背景技术

薄壁–填充结构通常由外部密实材料薄壁和内部孔隙填充材料组成。密实材料薄壁在保持整体结构外部形貌的同时，也为内部孔隙填充材料提供可靠的边界。密实材料薄壁与内部填充结构能够协同承载，并通过其拓扑构型影响整体结构的力学性能与失效规律。薄壁–填充结构特征，使其呈现出优异的性能和轻量化水平，如高比刚度、高比强度、优异的吸声吸能性能等。与传统结构相比，薄壁–填充结构可以通过整体结构与填充结构的协同设计，从而最大限度地提高力学性能和轻量化水平。随着结构轻量化设计的多元化发展，单一工况下的简单构型已经不能满足需求。将薄壁-点阵填充结构与拓扑优化相结合以获取更多工况下的复杂构型，即基于拓扑优化的薄壁点阵填充结构，是薄壁-点阵填充结构未来的发展趋势。并且近年来增材制造技术的普遍应用使得制造复杂结构成为可能，这极大地拓展了结构的设计空间。

车身前端结构是汽车外部集成多个组件的复杂系统部件，主要起着连接汽车前端和功能集成的作用。近年来，随着制造技术快速发展，汽车前端结构整向着集成化、轻量化等方向发展。在概念设计阶段，通过拓扑优化获得材料最优布局，从而在保证结构性能的同时最大限度的提升轻量化水平。特别是随着增材制造技术的发展，为制造新能源汽车用轻量化超轻量化结构提供了制造保障。

受制于动力电池能量密度，新能源汽车对轻量化提出了更为迫切的需求，综合利用拓扑优化和增材制造，进行设计和制造薄壁-点阵填充型新能源汽车前端结构，可以充分挖掘材料与结构的综合潜力，有助于实现高性能超轻量化，为未来超轻量化新能源汽车结构创新设计提供新的思路。

发明内容

本发明的目的是以新能源汽车车身前端结构框架为对象，提供一种基于薄壁–点阵填充结构的车身前端结构设计方法。首先，根据7个前端结构载荷工况，基于变密度法拓扑优化获取最优传力路径；然后，以最优传力路径为基础，结合杆径尺寸优化进行重构获得薄壁–点阵填充型一体化前端车身结构；最后，通过仿真验证了结构的扭转刚度与弯曲刚度。通过采用薄壁–点阵填充结构，在保证优异的力学性能同时，能够有效提升轻量化水平，减重比最高可达85.51％。

为实现上述目的，本发明具体的技术方案如下：

本发明提出的一种基于薄壁-点阵填充结构的车身前端结构设计方法，包括如下步骤：

步骤1：针对某型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，并选择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，接着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，提升一体化程度；

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；