一种基于简化评估的汽车部件设计方法与流程

本发明属于CAD/CAE模型简化和汽车轻量化技术领域，涉及一种基于简化评估的汽车部件设计方法，特别是一种对汽车耐撞性分析的CAD/CAE模型简化和分析评价的方法流程。

背景技术：

基于有限元技术仿真的工程设计与优化是一种解决工业系统中设计问题的有效的工具。模型简化是通过对原始高保真模型进行简化，以实现减少分析时间的过程。模型验证是通过比较CAE模型输出及所测试验结果以评估CAE模型在拟用途上的有效性和准确性的过程。成功的模型简化和模型验证能明显减少在产品开发设计初期的时间和资金投入。

CAD模型特征提取和排序能够有效的识别模型中存在的特征，并能对特征按照体积大小进行排序，设计者可以根据自己的需求对需要保留的特征进行选择。对CAD模型进行降维简化即用梁单元替代细长杆件，中面替代实体，从而最快的得到分析结果。虽然目前有大量学者对CAD模型简化进行了研究，也分别提出了这两个方法，但是却并未将其和后续的CAE模型建立和分析进行联系，导致CAD模型简化结果在实际工业生产中可行性较低。

CAE模型进行子模型提取后，需要对其边界条件进行稳健性分析，而目前没有具体的量化步骤。同时，近似模型目前在工程中得到了广泛的运用，因为其计算速度快而得到工程人员极大的重视，然而，目前缺乏近似模型与简化模型的结合运用。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种基于简化评估的汽车部件设计方法，该方法考虑CAD/CAE模型特征的提取和维度的降低，并采用模型验证评估指标对简化后模型进行评价，利用简化后模型进行轻量化设计，具有更高效率和较好的可信度。

为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种基于简化评估的汽车部件设计方法，该方法包括以下步骤：

步骤一：对初始CAD模型特征进行分析，根据分析场景，将特征进行排序，去除对后续分析影响较小的特征，并判断模型是否符合降维条件，对模型进行简化；

步骤二：在简化后的CAD模型基础上建立CAE模型，包括几何清理、网格的划分和边界条件施加，用壳单元替代体单元；

步骤三：基于分析场景，从整体CAE模型中提取关注部件，施加原始模型中部分边界条件，用EEARTH评估指标验证简化模型精度；

步骤四：用达到精度要求的简化模型代替原始模型，用EEARTH验证边界条件稳健性，若稳健性符合要求，则用简化模型获取一定实验设计对应的数据组，然后采用近似模型对简化模型仿真结果进行拟合，并用寻优方法在零部件允许厚度范围内寻优，找到使产品安全性提高时的结构最优值。

进一步的，在步骤一中，首先基于后续分析的有限元场景，对原始CAD模型进行分析，将对分析过程影响较小的零部件的特征进行排序，依据简化程度，对这些特征进行删减，并分析零部件是否满足降维特征，对薄壁件和长杆件使用中性面和梁单元进行替代。

进一步的，在步骤三中，分析主要关注的零部件，将关心区域进行子模型提取，即从整体CAE模型分离出来，对子模型施加原始整车模型对应连接点的运动情况，然后进行仿真，提取原始CAE模型和简化后CAE模型中关键点的仿真结果进行比较，用EEARTH指标量化简化模型精度，若精度达到要求，则说明边界条件施加方式正确。

进一步的，在步骤四中，具体包括验证关心区域钣金件厚度发生变化时，边界条件的稳健性是否符合要求，分别改变钣金件厚度，得到不同情况下的边界条件结果，用EEARTH评估指标量化评分结果，如若精度达标，则对简化后模型一直施加原始模型对应的边界条件，并用简化后模型运算结果进行轻量化设计，对于简化后计算时间较短的模型，直接在仿真软件内进行重复的迭代运算，求解最优结果；如果简化后模型计算时间仍然较长，则用近似模型对简化模型结果数据进行拟合，然后用遗传退火优化方法在数学范围内对其进行寻优，这两种情况得到最后的优化结果后，都带回原始CAE模型进行验证。

本发明的有益效果在于：本发明提供的方法将CAD模型简化，CAE模型简化，模型验证，汽车结构轻量化进行了融合，形成了一个完整的优化链条，该方法能有效的缩短仿真分析时间，同时，能有效的对汽车车身部件进行优化。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明所述方法的流程示意图；

图2为简化模型从整车中的提取位置及边界条件施加点；

图3为进行优化的B柱部件。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

图1为本发明所述方法的流程示意图，如图所示，本发明所述的一种基于简化评估的汽车部件设计方法，包括以下步骤：步骤一：对初始CAD模型特征进行分析，根据分析场景，将特征排序，去除对后续分析影响较小的特征，并判断模型是否符合降维条件；步骤二：在简化后的CAD模型基础上进行CAE模型处理，包括几何清理和网格的划分，并尽可能用壳单元替代体单元；步骤三：基于分析场景，从整体CAE模型中提取关注部件，施加原始模型中部分边界条件，用EEARTH评估指标验证简化模型精度；步骤四：用达到精度要求的简化模型代替整车，用EEARTH验证边界条件稳健性，若稳健性符合要求，则用简化模型获取一定实验设计对应的数据组，然后采用近似模型对简化模型仿真结果进行拟合，并用寻优方法在零部件允许厚度范围内寻优，找到使整车安全性提高时的结构最优值。

在本实施例中，具体步骤如下：

步骤一：在获得初始整车CAD模型后，需要特征进行分析，首先根据分析场景，将特征排序，然后依据后续分析中网格尺寸和侧碰发生时的受力部件分布，去除非吸能部件中对分析影响较小的特征，并去除吸能件中不满足最小网格划分要求的细节特征，然后设定板件厚度、直径和长度比值的阈值，判断模型是否符合模型降维条件，将薄壁件用中性面替代，将细长杆件用梁单元替代；

步骤二：在简化后的CAD模型基础上进行CAE模型处理，包括几何清理和网格的划分，包括对破损中面的修复，对构造线的添加和去除，对几何体划分网格，施加连接，添加材料参数、材料属性、边界条件；

步骤三：基于分析场景，从整车CAE模型中提取碰撞一侧的侧围结构，并找到侧围与车身连接点，如图2所示，施加这些点在原始模型中的应力应变曲线，然后提取简化前后B柱上对应的头胸腹位置的位移时间曲线，用EEARTH指标验证分别从相位、幅值、形状三个方面对这几个曲线分别进行评分，判断模型精度。

步骤四：确定轻量化的B柱部件，如图3所示，然后验证简化模型边界条件稳健性，即在原始CAE模型中，分别增减图3各个部件厚度，提取步骤四中各个边界施加点在这些情况中的速度时间曲线，用EEARTH评估指标判断其精度，然后用边界条件稳健性和模型精度均达到精度要求的简化模型代替整车，获取一定实验设计对应的数据组，并采用近似模型对简化模型仿真结果中对应的碰撞侧内板腰线侵入速度和各自情景下整车质量进行拟合，用模拟退火法(SA)在零部件允许厚度范围内寻优，找到使整车安全性提高时的结构最优值，然后将优化结果带回原始CAE整车模型进行验证。

表1为简化CAE前后的计算时间，由表格数据可知，该方法可以有效提高仿真效率。

表1

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其作出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。