一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法与流程

1.本发明属于有限元仿真技术领域，具体涉及一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法。


背景技术：

2.在产品开发过程中，概念设计阶段，无样机以支撑试验，需要借助cae仿真手段来对产品设计方案进行虚拟验证，以作为结构方案确定的依据。根据cae仿真技术的特点，存在如下缺点：
3.1.网格模型越细，单元尺寸相对与结构特征来说越小，模型反映的结构特征越贴近真实状态，结果越准确，同时模型规模也越庞大；对于整车分析来说，甚至不可操作；
4.2.对于新开发的机型，无相近的机型平台和相近的结构方案的cae数据积累可以参考，无特定流程、经验与分析标准，则分析的准确性、高效率、可操作性较差；
5.针对上述缺陷1，目前多数企业建立单件/总成分析的建模分析标准和试验验证标准，以上前提为零部件开发经验成熟，数据积累完备，但对于不满足该条件的情况，单件/总成分析并不能很好的反映其装配在整车上的状态；
6.针对上述缺陷2，目前无较好的解决办法，只通过样机阶段通过试验验证，同样结构改进工作也依赖样机与试验验证，工作量工作周期代价较大。


技术实现要素：

7.针对上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法，该构建方法通过快速粗略建立整车模型，快速找到整体结构的薄弱部位，进而充分细化关键的、危险的结构部位，使得仿真分析结果能够充分精确反映实际的应力状态和结构弱点；同时，能够有效控制模型规模，使得仿真计算可操作性强。
8.本发明通过如下技术方案实现：
9.一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法，包括设计阶段、首轮样机验证阶段及详细设计与验证阶段；所述设计阶段具体包括整车模型拆分、部件网格粗划分、部件模态分析、整车模型组装、粗网格整车模型的工况分析及针对结构薄弱环节的初步改进；所述首轮样机验证阶段具体包括部件模态试验对标、部件子结构生成、整车模态试验对标及整车子结构组装；所述详细设计与验证阶段具体包括目标部件网格精细划分、目标部件模型整车子结构模型替换与组装及目标部件详细工况仿真验证。
10.进一步地，所述整车模型拆分，具体包括如下内容：
11.a1：将整车模型拆分成不同的零部件总成,识别零部件总成之间的分界连接；
12.a2：对每个分割的零部件进行子结构命名并列表；
13.a3：对连接两侧的点编号并列表，以便在后续模型替换与调用中引用编号；
14.其中，所述分界连接包括软连接及硬连接。
15.进一步地，所述部件网格粗划分，具体包括如下内容：
16.根据零部件几何数据，进行适当的特征简化，采用粗略的网格尺寸对结构进行网格划分，零部件网格模型与分解连接的结点采用局部区域的刚性耦合定义。
17.进一步地，所述粗网格整车模型的工况分析，包括典型静强度分析，查看整车范围内的模型薄弱区域或环节，对典型的整体结构设计缺陷进行识别。
18.进一步地，所述部件模态仿真试验对标，具体包括如下内容：
19.在首轮样机阶段，针对样机的部件进行模态分析，并与分析模态结果对标；在关注的结构频率段，保证各阶阵型一致，并保证各阶频率误差控制在90％以上；为保证上述标准，针对建模简化方式、建模方法、网格类型及大小进行必要的调整，并形成建模方法，并同步更新整车模型组装的模型。
20.进一步地，所述部件子结构生成，具体包括如下内容：
21.应用abaqus/standard平台中substructure功能，将各零部件转换为子结构，转换设置中，抽取各零部件模型的质量矩阵、刚度矩阵、关注的结构频率段内的模态信息，并根据实际需要保留必要信息。
22.进一步地，所述整车模态试验仿真对标，具体包括如下内容：
23.利用部件模态仿真试验对标中更新的整车模型，进行整车模态试验与模态仿真结果对标；在关注的结构频率段，保证各阶阵型一致，并保证各阶频率误差控制在90％以上；为保证上述标准，修正调整分界软连接的设计输入参数，针对设计软连接的简化方式、建模方法进行必要的完善，并形成建模方法，并辅助必要的样机参数。
24.进一步地，所述整车子结构组装，具体包括如下内容：
25.将生成的部件子结构进行装配，部件子结构之间由边界连接模型连接，形成主装配文件；所述主装配文件包括：
26.(1)、边界连接、节点编号与坐标；
27.(2)、各部件子结构引用命令流；
28.(3)、边界连接模型定义命令流。
29.进一步地，所述目标部件网格精细划分，具体包括如下内容：
30.针对后续设计需求，对目标零部件进行结构的仿真形成目标零部件模型；目标零部件为样机试验中的失效问题发生零件、需详细关注考察结构方案的零件或发生设计变更的零部件。
31.进一步地，所述目标部件模型整车子结构模型替换与组装，具体包括如下内容：
32.将目标零部件模型导入至主装配模型，替换主装配模型内的相应部位的子结构引用单元，并保证目标零部件详细模型与整车子结构模型连接点点号相同，形成目标零部件计算模型。
33.与现有技术相比，本发明的优点如下：
34.1.针对全新开发方案机型，或结构总成，能够快速找到结构薄弱点；
35.2.同时建立起一套准确的整车模型平台，单元数量控制在几十以内的抄底规模，同时充分准确反映整车的质量分布、刚度情况、模态特征，为详细开发提供正确的整车边界方案；
36.3.通过子结构名单和连接编号单来控制零部件详细模型的拆装替换，能够支持团队协作；
37.4.同时在搭建模型平台的过程中，通过对标控制快速形成建模方法(包括网格标准、建模简化标准)等，对于新结构总成方案或新机型的开发有很大支撑作用；
38.5.模型平台支持各种类型的分析，易用性较好。
附图说明
39.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。
40.图1为本发明的一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法的流程示意图；
41.图2为零部件总成之间的分界连接示意图；
42.图3为零部件内部区域分割及硬连接示意图；
43.图4为零部件网格模型与分解连接的结点局部区域示意图；
44.图5为整车模型组装示意图；
45.图6为部件子结构生成示意图
46.图7为整车子结构模型平台示意图；
47.图8为目标零部件计算模型示意图。
具体实施方式
48.为清楚、完整地描述本发明所述技术方案及其具体工作过程，结合说明书附图，本发明的具体实施方式如下：
49.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系，除非另有明确的限定。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
50.在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征“上”或“下”可以是第一和第二特征直接接触，或第一和第二特征通过中间媒介间接接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”可是第一特征在第二特征正上方或斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”可以是第一特征在第二特征正下方或斜下方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。
51.在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。
52.实施例1
53.如图1所示为本实施例的一种基于子结构的整车降维模型平台构建方法的流程示
意图，所述构建方法具体包括如下步骤：
54.步骤一：整车模型拆分，包含如下步骤：
55.如图2所示，将整车模型拆分成不同的零部件总成，零部件总成之间的分界条件为“软连接”(衬套、减震器、弹簧、运动副等)，相邻零部件之间的连接点之间的关系信息包括：自由度、刚度、阻尼；
56.该部分工作的步骤：
①
识别分界连接；
②
对每个分割的零部件进行子结构命名并列表；
③
对连接两侧的点编号并列表，以便在后续模型替换与调用中引用编号。以上列表信息应用于后续子结构模型平台，列表信息发布后根据名称及编号进行后续设计开发的替换。
57.如图3所示，特殊情况：如对于某零部件中某个区域部位进行单独分析开发，则需要在该区域进行人为截取，截取后两部分用“硬连接(刚性连接单元)”分界，便于后续提取该硬连接的载荷，或硬连接与零部件模型及整车模型连接。该处分割方案根据具体情况确定。
58.步骤二：零部件网格粗划分，包含如下步骤：
59.根据零部件几何数据，进行适当的特征简化，应用较为粗略的网格尺寸对结构进行网格划分，根据机型自身的特点尽可能粗略(即模型特征尽可能简化、网格尺寸仅可能大、模型规模尽可能小，该部分要求满足后续所关注的频率段模态阵型及频率一致性良好即可——关注频率段阵型相同,阵型频率精度大于90％)，零部件网格模型与分解连接的结点采用局部区域的刚性耦合定义，如图4所示。
60.步骤三：部件模态分析，包含如下步骤：
61.对步骤二中的网格模型连接建模后进行模态分析，这里仅仅考察关注的频率段。查看结构阵型的合理性，建模的正确性即可。
62.步骤四：整车模型组装，包含如下步骤：
63.根据设计输入参数对整车进行建模，包括分解软连接的必要参数信息以及硬连接及周边模型处理，装配成为整车模型；由于步骤二中的粗略的网格标准，整车的模型规模也在可运行计算的状态，满足后续所需的分析定义，如图5所示。
64.步骤五：粗网格整车工况分析，包含如下步骤：
65.对步骤四的整车模型进行所需的分析定义，如典型静强度分析等，查看整车范围内的模型薄弱区域或环节，对典型的整体结构设计缺陷进行识别。
66.步骤六：对结构薄弱环节的初步改进，包含如下步骤：
67.对步骤五中识别结构设计缺陷部位进行改进，在此重复步骤五，进行整车粗略验证。
68.步骤七：部件模态仿真试验对标，包含如下步骤：
69.在样机阶段，针对样机的部件进行模态分析，并与分析模态结果对标。在关注的结构频率段，保证各阶阵型一致，并保证各阶频率误差控制在90％以上。为保证上述标准，针对建模简化方式、建模方法、网格类型及大小进行必要的调整，并形成建模方法，并更新步骤四中的整车模型。
70.步骤八：部件子结构生成，包含如下步骤：
71.在步骤七工作后，应用abaqus/standard平台中substructure功能，将各零部件转
换为子结构，转换设置中，抽取各零部件模型的质量矩阵、刚度矩阵、关注的结构频率段内的模态信息，并根据实际需要保留必要其他信息(如接触面等)，如图6所示。
72.子结构文件的命名与自由度缩聚节点的信息严格按照步骤一中规定执行，每个部件子结构生成后保留文件组(包含的后缀名.sup/.mdl/.prt/.sim/.stt)。
73.步骤九：整车模态试验仿真对标，包含如下步骤：
74.在步骤七中更新的整车模型，进行整车模态试验与模态仿真结果对标。在关注的结构频率段，保证各阶阵型一致，并保证各阶频率误差控制在90％以上。为保证上述标准，修正调整分界软连接的设计输入参数，针对设计软连接的简化方式、建模方法进行必要的完善，并形成建模方法。并辅助必要的样机参数，如质量、转动惯量、分界连接特性等测量结果。
75.步骤十：整车子结构组装，包含如下步骤：
76.在步骤八步中生成的子结构，进行装配，部件子结构之间由边界连接(软连接与硬连接)模型连接，形成主装配文件，如图7所示，文件中包含：
77.①
边界连接(软连接与硬连接)节点编号(严格按照步骤一中规定执行)与坐标；
78.②
各部件子结构引用命令流；
79.③
边界连接(软连接与硬连接)模型定义命令流。
80.注：将所有零部件的子结构文件组与组装主装配文件置于同一文件夹下，以便后续分析；如整车子结构组装模型中包含非线性连接信息(刚度、阻尼等)，整车模态抽取算法选用子空间法(subspace)。
81.步骤十一.目标部件网格精细划分与建模，包含如下步骤：
82.针对后续详细设计的需求，针对目标零部件需要进行详细结构方案的仿真。目标零部件可为样机试验中的失效问题发生零件/需详细关注考察结构方案的零件/发生设计变更的零部件等。根据结构的实际情况，本着能够反映结构的真实局部特征：
83.①
单元类型尽可能选用3d单元，单元尺寸尽可能小以保证模型特征和计算结果精确；
84.②
定义接触以反映真实的接触受力关系；
85.③
材料参数根据分析类型，尽量参数全面，以真实的模拟结构特性。
86.以上要求，原则上与零部件级仿真分析要求一致，唯一区别为以上模型需要内嵌调用整车子结构装配模型中完成仿真计算。
87.步骤十二：目标部件模型整车子结构模型替换与组装，包含如下步骤：
88.目标零部件详细模型导入至主装配模型，替换主装配模型内的相应部位的子结构引用单元，并保证目标零部件详细模型与整车子结构模型连接点点号相同，形成目标零部件计算模型，如图8所示；
89.步骤十三：目标部件详细工况仿真验证，包含如下步骤：针对步骤十二中形成的目标零部件计算模型，进行所需工况分析。该模型满足abaqus/standard求解器支持的全部分析类型，亦可利用该模型平台应用abaqus软件中co-simulation功能进行abaqus/explicit求解器支持的相关分析类型。
90.以上技术选用abaqus/standard求解分析平台中实现，其中“方案设计阶段”的框图工作内容为样机制作之前，在软件平台上实现的必要建模与仿真步骤，网格模型采用粗
略网格标准，配合以必要的设计参数输入完成仿真模型建立；“首轮样机阶段”的框图工作内容为样机制作后，进行整车参数必要的测量工作并对模型参数修正，并分别针对各零部件与整车进行在关注的频率范围内的仿真试验模态对标，保证模型的精度并生成整车子结构模型平台；“详细设计与验证”阶段的框图内容为，针对后续详细设计需求，进行具体结构的详细仿真验证，并根据问题需求细致的处理模型，并装配至整车子结构模型平台进行调用和替换，进行必要的验证分析和结构开发工作。该模型满足abaqus/standard求解器支持的全部分析类型，亦可利用该模型平台应用abaqus软件中co-simulation功能进行abaqus/explicit求解器支持的相关分析类型。
91.以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。
92.另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。
93.此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。