一种多工况汽车结构件参数化方法与流程

1.本发明涉及一种汽车结构件参数化方法，特别是涉及一种用于多工况汽车结构件参数化方法。属于计算机辅助工程技术和有限元方法技术领域。


背景技术：

2.随着汽车系统越来越复杂，需满足多种相互作用性能的要求也日益提高，汽车结构件的优化设计涉及到多学科领域，使得汽车结构件的总体设计过程十分复杂。为挖掘设计潜力，提高设计质量，本文以此为出发点，将适应于多工况性能分析的参数化方法引入设计中，分析和研究了结合有限元模型的网格参数化的理论与方法，并在实际工程中进行了有效的应用。对于汽车结构件的设计具有重要的学术价值和广阔的应用前景。
3.零件设计模型要能够快速实现“设计
‑
验算
‑
修正”的循环过程，这就希望零件模型具有易于修改的柔性。参数化设计方法就是将模型中的定量信息变量化，使之成为任意调整的结构参数。对于零件结构设计来说，能够参数化的元素，主要是零件的厚度尺寸参数化和零件的形状尺寸参数化，而厚度尺寸的参数化实现起来相对简单，参数化的逻辑也无非就是变厚或变薄。但形状尺寸参数化的定义比较复杂，需要考虑的结构形状变化也较多，是目前重点关注的参数化类型，基于隐式参数化建模技术和网格变形技术的参数化是被研究者最为广泛采用的两种参数化手段。两者最根本的区别在于，前者是对几何模型进行参数化，后者是对有限元单元网格进行参数化。网格参数化后的模型形状比较准确，局部特征可以很好的保留，多用于计算强度、疲劳等对几何特征敏感的结构特性。
4.但是，如何满足在多工况性能优化的前提下，实现有限元模型的参数化，一直是困扰技术人员的难题，一定程度上限制了汽车结构件的多性能优化研究，而且，如何快速、简单、高效的实现对大型复杂结构件有限元模型的结构、尺寸参数化，还缺乏有效的技术手段。


技术实现要素：

5.本发明要解决的技术问题是提供一种多工况汽车结构件参数化方法，利用有限元单元网格变形原理，将结构件进行模块化处理，并基于hyperstudy平台，自定义满足不同工况计算求解器，构建适用于多求解器的模型参数化方案，利用tcl编程语言对hyperstudy平台进行二次开发，最终达到参数化模型满足不同工况优化的目的。
6.本发明多工况汽车结构件参数化方法，所述方法包括以下步骤：
7.步骤1建立有限元模型；
8.建立用于计算汽车结构件不同工况性能的有限元模型，定义有限元单元的节点编号；
9.步骤2模块化处理；
10.针对汽车结构件的有限元模型，通过建立控制体来定义模型的变形域；
11.步骤3网格变形；
12.通过建立的有限元模型和控制点，以具有逻辑和直观的方式，实现对结构件的有限元网格进行快速的形状改变；
13.步骤4建立参数化模型；
14.编写针对不同求解器的参数化脚本文件；
15.步骤5自定义求解器调用程序；
16.基于步骤4对不同求解器的参数化脚本文件集成，编写平台与求解器的接口程序，为平台调用求解器计算参数化模型提供前提准备。
17.进一步的，所述方法中步骤3具体包括：
18.将有限元模型按需求定义变形域，变形节点和变形约束，变形域内的网格节点位置根据变形节点和变形约束的变化，而整体进行非线性变化，在网格变形的过程中，有限元单元节点的节点号不变，节点间的拓扑关系不变，变形后的有限元模型直接调用求解器计算，通过对模块化后的变形体中控制节点的平移，缩放，对称约束，控制关联约束等操作获得结构形状变量。
19.进一步的，所述方法中步骤3中采用hypermorph软件实现模型形状的改变。
20.进一步的，所述方法步骤4中对于结构件的弯曲刚度、扭转刚度和模态三种工况的计算模型，合并成一个基于求解器的参数化脚本文件。
21.进一步的，所述方法中，疲劳工况依据实际道路载荷谱进行计算，强度工况将变量的参数化脚本文件包含在不同强度载荷的计算模型中。
22.本发明一种多工况汽车结构件参数化方法，相比于现有技术的方案，具有以下优点：
23.本发明确定了对于汽车结构件采用网格变形进行参数化的具体技术方法，在汽车结构件在多工况优化分析中，构建了适用于多求解器的模型参数化方案。再通过tcl编程语言，编写有关自动获取参数化模型计算结果程序应用于hyperstudy平台。根据上述内容，自定义多求解器调用程序，实现了多求解器在hyperstudy平台上的统一集成。
24.通过本发明为汽车结构件的优化设计提供了可靠高效的参数化方法，从而有效地提高了产品开发效率，降低了开发成本，缩短了开发周期，对汽车开发中的优化应用具有非常重要的指导意义。
附图说明
25.图1为本发明多工况汽车结构件参数化方法的原理图。
26.图2为参数化技术方案原理图。
具体实施方式
27.实施例1
28.如图1、图2所示，本发明的技术方案为：
29.(1)优化有限元模型的建立
30.建立用于计算汽车结构件不同工况性能的有限元模型，定义好有限元单元的节点编号。
31.(2)模块化处理
32.针对汽车结构件的有限元模型，采用商业软件hypermorph，通过建立合理的控制体来定义模型的变形域，控制体可以实现对模型整体结构的变形控制。为了更好的挖掘电动车车架的优化潜力，扩大实验设计的采样空间，在模型参数化的过程中利用控制体，将电动车车架的有限元模型进行模块化处理，由于车架模型的连接关系较多，不是单一的零部件，模块化处理可以更好的保留车架各结构件连接关系，得到光滑过渡的变形形状，并且在网格变形过程中不易造成网格的畸变，而导致有限元模型的失效。
33.整个模块化模型形成封闭的整体。通过对控制节点的操作，改变控制体内单元节点的坐标位置，从而实现对结构形状的改变。
34.(3)网格变形
35.网格变形在结构件已有的原始设计方案基础上，通过建立的有限元模型和控制点，以一种具有逻辑和直观的方式，实现对结构件的有限元网格进行快速的形状改变，但又不会严重牺牲有限元网格质量。这种技术手段可以在后续的结构优化中大幅缩短有限元模型的处理时间，节约产品优化时间，是实现参数化建模的有效手段。
36.网格变形的实质就是通过对有限元单元网格节点的控制移动，实现结构形状的改变。通常采用的技术工具，是将有限元模型按需求定义变形域，变形节点和变形约束，变形域内的网格节点位置会根据变形节点和变形约束的变化，而整体进行非线性变化，以此来完成模型结构形状的相应变形。在网格变形的过程中，有限元单元节点的节点号不变，节点间的拓扑关系不变，变形后的有限元模型可以直接调用求解器计算。本发明采用hypermorph软件来实现模型形状的改变，通过对模块化后的变形体中控制节点的平移，缩放，对称约束，控制关联约束等操作即可获得结构形状变量，但形状变形过程中，结构件的外连点的绝对坐标值是始终保持不变的。网格变形的数学表示方法可通坐标矩阵的形式表达，如下式所示，通过下式即可获得新的结构形状。
[0037][0038]
式中，loation
grid
表示变形前网格节点坐标的位置，coef
j
表示定义的向量变形系数，(x,y,z)
t
为定义的变形方向向量，j为定义的坐标系，[n]
t
表示网格节点位置的坐标变换矩阵，dv
j
表示用户定义的设计变量值范围。
[0039]
(4)参数化模型建立
[0040]
基于上一步定义的形状变量。不同工况对应不同的分析模型，每个工况模型都通过商业软件定义一遍参数化变量是不现实的，也无法完全对应准确的定义每个计算模型的形状变量，另外尺寸变量也将针对不同求解器，以脚本化的形式定义。
[0041]
为了更高效准确的参数化每个模型的，基于商业软件hyperstudy平台，编写针对不同求解器的参数化脚本文件，减少对不同工况的模型的定义变量工作，同时保证变量在不同工况模型和求解器中都能够统一。其中对于结构件的弯曲刚度、扭转刚度和模态三种工况的计算模型，合并成一个基于optistruct求解器的参数化脚本文件。疲劳工况是依据实际道路载荷谱进行计算，其计算模型有别于刚度和模态的计算模型，因此需另外基于fatigue求解器编写疲劳计算模型的参数化脚本文件。强度工况包含需考虑材料的非线性
问题，各工况模型需各自独立。因此建立各个强度工况基于abaqus求解器的参数化脚本文件，但强度工况的参数化计算模型只是相互载荷不同，变量的参数化脚本文件一样，所以只需将变量的参数化脚本文件包含在不同强度载荷的计算模型中即可。无论是基于哪个求解器编写的参数化脚本文件，两种脚本文件中参数化了的有限元单元节点号和节点位置都是相同的，变量的改变方式和范围也是同步统一的。
[0042]
(5)自定义求解器调用程序
[0043]
基于以上两步，结合tcl语言，编写hyperstudy平台与abaqus、fatigue求解器的接口程序，为hyperstudy平台调用求解器计算参数化模型提供前提准备。
[0044]
实施例2
[0045]
本实施例以具体案例对本发明的技术方案进行说明。
[0046]
根据技术路线图，首先采用有限元软件hypermesh对汽车车架进行有限元建模，在通过hypermorph模块对车架进行模块化设定。
[0047]
然后根据上一步的模型定义，控制模型的模块控制点进行网格变形，设定车架结构的变形方式和变形范围，从而得到车架变形后个节点位置坐标和变形矢量，得到shp文件。
[0048]
将上述变形的节点信息，通过参数化技术方案的技术路线，编写成可用于不同求解器计算的参数化脚本文件，其中包括abaqus、optistruct以及optistruct_fatigue求解器，基于abaqus求解器的参数化脚本文件编辑逻辑如下：基于hypermorph模块中abaqus求解器节点输出模板，将获得的shp文件包含进模板中，通过参数指令输出得到abaqus模板下的车架有限元模型个节点的变形量文件node.tpl文件。
[0049]
同理，其他两个求解器按参数化技术方案编写完成。
[0050]
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。