專利名稱：基于cae結構分析的汽車主模型結構優化設計方法
技術領域：
本發明涉及一種機械產品的優化設計方法，特別涉及一種汽車主模型結 構優化設計方法，屬于機械工程技術領域。
背景技術：
汽車主模型是汽車現代工業中必不可少的檢驗環節和質量控制工具，作
為汽車1: 1的"量規"，用以檢測汽車零部件的裝配尺寸、匹配關系、外觀 尺寸和運動功能，其外形尺寸精度和定位精度都必須在幾十絲以內。現有汽 車主模型的設計通常對總體結構進行分塊設計，并對分塊結構進行詳細設計， 然后進行加工生產和檢驗檢測。
由于汽車主模型的精度要求很高，如何保證主模型在安裝、運輸、使用 和保存等過程中的尺寸精度，汽車主模型的模塊設計或結構設計是否合理， 是否會在使用中由于受力出現較大變形，如何控制產品的受力變形都是設計 的難點，汽車主模型對周圍環境的溫度變化比較敏感，因此環境溫度造成的 熱變形會影響尺寸的精度，從而影響主模型檢測的效能，而現有的汽車主模 型的設計沒有充分考慮熱變形問題。
目前汽車主模型的設計主要依賴于設計人員在經驗基礎上的定性分析。 由于缺乏可靠的設計依據，缺乏理論指導，設計安全系數較大，設計結構偏 于保守，汽車主模型使用材料均為昂貴的進口航空用鋁合金，材料成本非常 高，汽車主模型結構的保守設計大大增加了汽車主模型的生產成本。如果由 于模塊設計或結構設計依靠經驗設計的不合理導致出現產品修改的問題，往 往會造成汽車主模型總體設計的失敗，而一個汽車主模型的成本為數百萬元，經濟上的損失巨大。
發明內容
為了克服現有的汽車主模型設計中存在的設計安全系數較大、設計結構 偏于保守、沒有充分考慮熱變形問題等造成的汽車主模型生產成本的增加，
以及會導致汽車主模型總體設計失敗的問題，本發明提出一種基于CAE (計 算輔助工程)分析的汽車主模型結構優化設計方法，該方法能設計出結構合 理的汽車主模型，該汽車主模型大大降低了汽車主模型的生產成本，規避了 汽車主模型總體設計失敗的風險。
本發明通過以下技術方案予以實現。
一種基于CAE結構分析的汽車主模型結構優化設計方法，包括下列步驟:
1) 將汽車主模型分切成數塊模塊；
2) 對各模塊進行模塊結構初步設計，初步確定模塊形狀、壁厚、加強筋 的布局和形狀；
3) 應用CAE結構分析對完成初步設計的各模塊組合成的汽車主模型進 行下列分析模擬
a. 對汽車主模型由于環境溫度升高所產生的熱變形進行分析；
b. 對汽車主模型吊裝時的受力和變形進行分析；
c. 對汽車主模型在運輸過程中受到振動時的受力和變形進行分析；
d. 對汽車主模型受到沖擊載荷時的受力和變形進行分析；
e. 對汽車主模型在其他受力工況下的受力和變形進行分析；
4) 通過CAE結構分析得到了汽車主模型整體結構強度剛度的分布情況; 若顯示某一模塊的強度超過許用應力、變形超過許用變形，則返回步驟(1)、 步驟(2)，提出改進結構的優化方案；5)若步驟(4)的顯示汽車主模型整體結構強度剛度的分布符合要求， 則汽車主模型完成最終設計，并將汽車主模型整體結構強度剛度的分布記錄 建成數據庫。
本發明采用CAE結構分析取代了傳統的經驗判斷和強度校核計算方法， 提高了驗證分析的能力和準確性，為汽車主模型的模塊合理設計提供了依據。 本發明利用CAE結構分析對汽車主模型的熱變形進行了分析模擬，并據此進 行了結構優化，有效地提高了汽車主模型結構抑制變形的能力，提高了產品 設計的可靠性和穩定性；利用CAE結構分析對主模型在各種工況情況下進行 受力和變形分析，得到主模型整體結構強剛度的分布情況，從而優化設計方 案，節約產品材料；通過CAE結構分析，提高了產品研制的成功率，避免了 由于汽車主模型使用中的產品變形，造成整體失效等風險；通過CAE結構分 析方法，得到了指導設計的有效分析數據，方便設計人員總結出結構設計的 經驗，可以歸納形成出設計的規范和標準。
本發明的優點和特點，將通過下面優選實施例的非限制性說明進行圖示 和解釋，這些實施例，是參照附圖僅作為例子給出的。
圖l是本發明的流程圖2是本發明的30步驟的汽車主模型的網格劃分和邊界條件施加的示意
圖3是本發明的30步驟的汽車主模型內部應力分布圖4是本發明的30步驟的汽車主模型變形分布圖5是本發明對汽車主模型車頭橫梁的第一設計方案的變形分布圖6是本發明對汽車主模型車頭橫梁的第二設計方案的變形分布圖；圖7是本發明對汽車主模型車頭橫梁的第三設計方案的變形分布圖。
具體實施例方式
下面結合附圖和實施例對本發明作進一步說明。
如圖1所示，為了便于加工、裝配、檢測，步驟10將汽車主模型分切成 數塊模塊，如車頭、車頭橫梁、車前窗、車門等模塊。步驟20對各模塊進行 模塊結構初步設計，初步確定模塊形狀、壁厚、加強筋的布局和形狀。步驟 30應用CAE結構分析對完成初步設計的各模塊組合成的汽車主模型進行下 列分析模擬
a. 對汽車主模型由于環境溫度升高所產生的熱變形進行分析；
b. 對汽車主模型吊裝時的受力和變形進行分析；
c. 對汽車主模型在運輸過程中受到振動時的受力和變形進行分析；
d. 對汽車主模型受到沖擊載荷時的受力和變形進行分析；
e. 對汽車主模型在其他受力工況下的受力和變形進行分析；
步驟40對通過CAE結構分析得到了汽車主模型整體結構強度剛度的分 布情況進行分析；若顯示某一模塊的強度超過許用應力、變形超過許用變形， 則返回步驟IO、步驟20，提出改進結構的優化方案；若步驟40的顯示汽車 主模型整體結構強度剛度的分布符合要求，則汽車主模型完成最終設計。步 驟50將汽車主模型的體結構強度、剛度的分布記錄建成數據庫。
圖2 圖7所示以某一款汽車主模型為例，按照本發明的方法對其進行 CAE結構分析的過程
圖2所示為汽車主模型在單位振動工況下的CAE建模和邊界條件，先將 所需的CAD數據進行網格劃分和簡化工作，并將實際工況下的邊界條件和約 束情況施加在主模型CAE模型上，對汽車主模型進行本發明步驟30的CAE結構分析。
圖3為經過步驟30的CAE結構分析的汽車主模型內部應力分布圖，通過 CAE結構分析，找到結構受力最大的區域一后車門橫梁1，圖3右側的是表 征應力值的色條，上端的應力值最大，下端的應力值最小，后車門橫梁1中 如圓圈標示處的應力值最大，最大應力值為6.74MPa。由于汽車主模型選用 的航空鋁合金材料，該應力不會造成材料的破壞和永久變形，證明此工況條 件下的結構設計滿足設計要求。
圖4為經過步驟30的CAE結構分析的汽車主模型內部應力分布圖，汽 車主模型通過CAE結構分析，找到汽車主模型上最大變形位置一車頭橫梁2， 圖4右側的是表征變形值的色條，上端的變形最大，下端的變形值最小，車 頭橫梁2中如圓圈標示處的變形最大，最大變形為0.0892mm。由于此處結構 壁薄，結構之間間隙只有0.085mm，存在部件之間發生破化的風險，需要返 回步驟IO、步驟20，對此處結構進行優化設計，即改變車頭橫梁2的結構， 以減小其變形量。
圖5 圖7示出了對汽車主模型車頭橫梁2的優化設計過程。車頭橫梁2 按照下述三個設計方案進行CAE結構分析，從而，改善車頭橫梁2的結構， 進行優化設計。
在本發明的步驟20階段，車頭橫梁2的結構含有以下四個設計參數
1. 壁厚現有設計厚度1.2mm，厚度限制1.55mm;
2. 筋條高度現有設計高度1.5mm，高度限制1.85mm;
3. 筋條厚度現有設計厚度0.8mm，厚度限制1.03mm;
4. 圓角半徑現有設計半徑20mm，半徑限制45.7mm。 優化設計的3套方案如下方案l:壁厚至1.5mm，筋條高度不變，筋條厚度至lmm，圓角半徑至 40mm;
方案2:壁厚不變，筋條高度至1. 8mm，筋條厚度至l腿，圓角半徑至40mm; 方案3:壁厚至1.4mm，筋條高度至1.6mm，筋條厚度至l皿，圓角半徑 至40mm。
按照本發明的步驟30階段，對以上3種設計方案進行CAE結構分析， 得到了各種更新設計的變形值分布和局部的最大變形結果。從分析結果中可 以看出，結構修改對整體結構變形的影響非常小，但在局部區域的影響較大。 圖5車頭橫梁2方案1的CAE結構分析結果為圓圈標示處的最大變形值為 0.079mm;圖6車頭橫梁2方案2的CAE結構分析結果圓圈標示處的最大變 形值為0.087mm;圖7車頭橫梁2方案3的CAE結構分析結果圓圈標示處的 最大變形值為0.080mm;
其中方案1和方案3達到了預計的效果，最大變形值均低于0.085mm， 方案2中局部的最大變形值為0.087mm，沒有達到設定要求。綜合考慮后最 終選擇方案3作為最終的設計方案。
本發明利用CAE結構分析對汽車主模型在各種工況情況下進行受力和變 形分析，得到汽車主模型整體結構強剛度的分布情況，從而可以優化設計方 案，降低制造成本。
除上述實施例外，本發明還可以有其他實施方式，凡采用等同替換或等 效變換形成的技術方案，均落在本發明要求的保護范圍。
權利要求
1. 一種基于CAE結構分析的汽車主模型結構優化設計方法，其特征在于包括下列步驟1)將汽車主模型分切成數塊模塊；2)對各模塊進行模塊結構初步設計，初步確定模塊形狀、壁厚、加強筋的布局和形狀；3)應用CAE結構分析對完成初步設計的各模塊組合成的汽車主模型進行下列分析模擬a. 對汽車主模型由于環境溫度升高所產生的熱變形進行分析；b. 對汽車主模型吊裝時的受力和變形進行分析；c. 對汽車主模型在運輸過程中受到振動時的受力和變形進行分析；d. 對汽車主模型受到沖擊載荷時的受力和變形進行分析；e. 對汽車主模型在其他受力工況下的受力和變形進行分析；4)通過CAE結構分析得到了汽車主模型整體結構強度剛度的分布情況；若顯示某一模塊的強度超過許用應力、變形超過許用變形，則返回步驟(1)、步驟(2)，提出改進結構的優化方案；5)若步驟(4)的顯示汽車主模型整體結構強度剛度的分布符合要求，則汽車主模型完成最終設計，并將汽車主模型整體結構強度剛度的分布記錄建成數據庫。
全文摘要
本發明公開了一種基于CAE結構分析的汽車主模型結構優化設計方法，包括下列步驟(1)將汽車主模型分切成數塊模塊；(2)對各模塊進行模塊結構初步設計，初步確定模塊形狀、壁厚、加強筋的布局和形狀；(3)應用CAE結構分析對完成初步設計的各模塊組合成的汽車主模型進行下列分析模擬；(4)通過CAE結構分析得到了汽車主模型整體結構強度剛度的分布情況。若顯示某一模塊的強度、剛度超過允許值，則返回步驟(1)、(2)，提出改進結構的優化方案，再進行下一輪分析模擬。本發明采用CAE結構分析取代了傳統的經驗判斷和強度校核計算方法，提高了驗證分析的能力和準確性，為汽車主模型的模塊合理設計提供了依據。
文檔編號G06F17/50GK101504682SQ200910030399
公開日2009年8月12日 申請日期2009年3月20日 優先權日2009年3月20日
發明者卞大超, 嘯 孔, 張一丁, 阮雪榆 申請人:江蘇申模數字化制造技術有限公司