基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法，屬于汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域。通過(guò)建立汽車的集中參數(shù)化模型（LumpedParameterModel，以下簡(jiǎn)稱LPM）來(lái)進(jìn)行汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)化分析方法，用于汽車的概念設(shè)計(jì)階段的抗撞性能評(píng)估，并調(diào)整車身軸向抗撞性剛度分布。在概念設(shè)計(jì)階段建立整車的多自由度LPM，通過(guò)將分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給LPM中的彈簧單元，實(shí)現(xiàn)LPM軸向碰撞剛度的定義。本發(fā)明可很好地滿足汽車概念設(shè)計(jì)階段中對(duì)車身抗撞性能分析的需求，并能夠輔助設(shè)計(jì)人員快速建立汽車概念設(shè)計(jì)的LPM，從而實(shí)現(xiàn)了對(duì)初步設(shè)計(jì)方案的性能快速評(píng)估和修改，縮短了設(shè)計(jì)周期。
【專利說(shuō)明】 基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及汽車車身設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別涉及一種基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法。主要用于汽車概念設(shè)計(jì)階段的抗撞性分析研究，是一種簡(jiǎn)化的集中參數(shù)化模型LPM (Lumped Parameter Model),用于新車型的概念設(shè)計(jì)階段。通過(guò)建立新車型的多自由度LPM，來(lái)快速分析評(píng)價(jià)汽車在正面碰撞過(guò)程的抗撞性表現(xiàn)，并可進(jìn)一步指導(dǎo)與開展基于安全性的汽車結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)。
【背景技術(shù)】
[0002]車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)通常分為概念設(shè)計(jì)階段和詳細(xì)設(shè)計(jì)階段。汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)階段的主要任務(wù)是確定車身吸能部件的布置形式及抗撞性剛度分布。在新車型的概念設(shè)計(jì)階段，通過(guò)建立新車型的整車LPM，能夠快速地獲得新結(jié)構(gòu)的抗撞性能參數(shù)，校驗(yàn)其是否達(dá)到新車型的性能目標(biāo)，進(jìn)而指導(dǎo)結(jié)構(gòu)修改及后續(xù)設(shè)計(jì)。
[0003]LPM是對(duì)汽車高度集成和簡(jiǎn)化的概念模型，在整車LPM中，構(gòu)成車身的主要吸能部件均被縮減為簡(jiǎn)化的彈簧單元，彈簧的剛度情況通過(guò)力-位移關(guān)系曲線賦值的方式來(lái)定義，而整車結(jié)構(gòu)中不發(fā)生大變形或不承擔(dān)吸能作用的大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、部分橋體結(jié)構(gòu)，則被縮減為剛性的質(zhì)量塊單元。LPM的主要優(yōu)勢(shì)在于，在汽車概念設(shè)計(jì)階段，可以根據(jù)總布置需求快速修改LPM設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊質(zhì)量及彈簧的剛度，從而對(duì)部件質(zhì)量及車身軸向剛度分布有一個(gè)量化的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的自由度大，實(shí)現(xiàn)正向的概念設(shè)計(jì)。
[0004]通過(guò)國(guó)內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)檢索，類似現(xiàn)有技術(shù)中整車LPM的彈簧單元均采用彈性材料，這會(huì)造成在碰撞過(guò)程中質(zhì)量塊發(fā)生回彈的問(wèn)題，出現(xiàn)相應(yīng)誤差。并且，現(xiàn)有技術(shù)中對(duì)LPM的彈簧單元進(jìn)行力-位移關(guān)系曲線剛度賦值大多根據(jù)試驗(yàn)或模擬結(jié)果數(shù)據(jù)來(lái)定義，屬于逆向的概念設(shè)計(jì)，對(duì)新車型詳細(xì)設(shè)計(jì)階段的指導(dǎo)意義不大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明的目的在于提供一種基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法，解決了現(xiàn)有技術(shù)存在的上述問(wèn)題。本發(fā)明能在概念設(shè)計(jì)階段指導(dǎo)汽車碰撞安全性能設(shè)計(jì)、優(yōu)化的汽車正面碰撞的集中參數(shù)化模型LPM。本發(fā)明的關(guān)鍵技術(shù)問(wèn)題是通過(guò)將可設(shè)計(jì)的分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給LPM中的彈簧單元，實(shí)現(xiàn)LPM軸向碰撞剛度的定義，從而達(dá)到在汽車的概念設(shè)計(jì)階段初步評(píng)估抗撞性能和控制車身軸向剛度分布的設(shè)計(jì)目標(biāo)。
[0006]本發(fā)明的上述目的通過(guò)以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn):
設(shè)計(jì)人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定汽車的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)。根據(jù)汽車正面碰撞安全性實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題的需要，確定LPM的規(guī)模，即模型的自由度數(shù)。設(shè)計(jì)整車LPM中各彈簧單元及質(zhì)量塊所代表吸能部件或大質(zhì)量結(jié)構(gòu)的具體方案。根據(jù)實(shí)際設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及目標(biāo)，確定各彈簧單元及質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)參數(shù)。對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行簡(jiǎn)化，將其抽象為集中參數(shù)化模型LPM。
[0007]本發(fā)明中彈簧剛度的曲線賦值方法是另一個(gè)重要的技術(shù)路線。根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案中要達(dá)到的抗撞性目標(biāo)，設(shè)計(jì)LPM中各彈簧的剛度情況，實(shí)現(xiàn)方式為將代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給彈塑性的彈簧材料。將建立好的整車LPM導(dǎo)入通用的商業(yè)軟件中進(jìn)行碰撞仿真，判斷整車LPM的碰撞響應(yīng)是否滿足設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)修改LPM中的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊質(zhì)量及彈簧的剛度，直至滿足設(shè)計(jì)要求，概念設(shè)計(jì)階段結(jié)束，在此基礎(chǔ)上開展汽車結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
[0008]本發(fā)明的基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法，具體步驟如下: 步驟1:設(shè)計(jì)人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定汽車的主要參數(shù)和
結(jié)構(gòu)，如車身長(zhǎng)度、寬度、高度及整車質(zhì)量等；
步驟2:設(shè)計(jì)人員根據(jù)汽車正面碰撞安全性實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題的需要，確定LPM的規(guī)模，即模型的自由度數(shù)，也就是整車LPM中質(zhì)量塊的個(gè)數(shù)；
步驟3:根據(jù)以上信息，對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行集成和簡(jiǎn)化，將其抽象為集中參數(shù)化模型LPM，其中，包括將吸能子系統(tǒng)或部件簡(jiǎn)化為彈-塑性的彈簧單元，將在碰撞過(guò)程中不發(fā)生大變形或不承擔(dān)吸能任務(wù)的大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為剛性的質(zhì)量塊單元；
步驟4:根據(jù)目標(biāo)車型的總布置情況及設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定整車LPM中各彈簧單元及質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊邊長(zhǎng)及質(zhì)量塊質(zhì)量；
步驟5:根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案中預(yù)期要達(dá)到的抗撞性目標(biāo)，設(shè)計(jì)整車LPM中各彈簧的剛度情況，實(shí)現(xiàn)方式為首先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求，對(duì)代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)定義，然后將代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給彈-塑性的彈簧材料；
步驟6:將建立好的整車LPM導(dǎo)入通用的商業(yè)軟件中進(jìn)行正面碰撞仿真分析，得到整車LPM的結(jié)果信息包括:碰撞力、能量和速度在時(shí)域內(nèi)的曲線，據(jù)此判斷整車LPM的碰撞響應(yīng)是否滿足預(yù)定義的正面碰撞安全性設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)修改LPM中的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊質(zhì)量及彈簧的剛度，直至滿足設(shè)計(jì)要求，概念設(shè)計(jì)階段結(jié)束，在此基礎(chǔ)上開展汽車結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
[0009]本發(fā)明的有益效果在于:通過(guò)該基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法，能夠根據(jù)總布置要求快速搭建整車碰撞概念分析模型，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)抗撞性能的快速評(píng)估，以此指導(dǎo)后續(xù)的結(jié)構(gòu)修改和布置調(diào)整，符合面向被動(dòng)安全性能的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需求。設(shè)計(jì)人員采用本發(fā)明，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)初步設(shè)計(jì)方案中的整車抗撞性能的快速評(píng)估和設(shè)計(jì)方案的快速修改。實(shí)用性強(qiáng)。
【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0010]此處所說(shuō)明的附圖用來(lái)提供對(duì)本發(fā)明的進(jìn)一步理解，構(gòu)成本申請(qǐng)的一部分，本發(fā)明的示意性實(shí)例及其說(shuō)明用于解釋本發(fā)明，并不構(gòu)成對(duì)本發(fā)明的不當(dāng)限定。
[0011]圖1為本發(fā)明LPM實(shí)施的流程圖；
圖2為本發(fā)明LPM模型示例；
圖3為本發(fā)明LPM中某彈簧剛度示例；
圖4至圖6為本發(fā)明LPM的應(yīng)用示例。
【具體實(shí)施方式】[0012]下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說(shuō)明本發(fā)明的詳細(xì)內(nèi)容及其【具體實(shí)施方式】。
[0013]參見(jiàn)圖1至圖6所示，以應(yīng)用于某真實(shí)車型A概念設(shè)計(jì)階段開發(fā)的LPM分析流程為例，對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步的介紹。
[0014]圖1為本發(fā)明基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法的流程圖，其包括以下具體步驟:
步驟1:設(shè)計(jì)人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定汽車的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)，如車身長(zhǎng)度、寬度、高度及整車質(zhì)量等。
[0015]步驟2:設(shè)計(jì)人員根據(jù)汽車正面碰撞安全性實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題的需要，確定LPM的規(guī)模，即模型的自由度數(shù)，也就是整車LPM中質(zhì)量塊的個(gè)數(shù)。由于真實(shí)車型A概念設(shè)計(jì)階段的功能需求僅考慮主要吸能部件的剛度定義和大質(zhì)量剛性結(jié)構(gòu)的質(zhì)量影響，且在概念設(shè)計(jì)階段不計(jì)劃實(shí)現(xiàn)乘員保護(hù)功能模擬，因此將車型A的整車LPM的自由度數(shù)設(shè)計(jì)為4。
[0016]步驟3:根據(jù)以上信息，對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行集成和簡(jiǎn)化，將其抽象為集中參數(shù)化模型LPM。其中，包括將主要的吸能子系統(tǒng)或部件，如保險(xiǎn)杠和吸能盒總成、前縱梁，簡(jiǎn)化為彈-塑性的彈簧單元，將在碰撞過(guò)程中不發(fā)生大變形或不承擔(dān)吸能任務(wù)的大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，如發(fā)動(dòng)機(jī)、變速箱、部分橋體結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為剛性的質(zhì)量塊單元。
[0017]圖2示意了真實(shí)車型A的整車四自由度LPM，其中各個(gè)質(zhì)量塊縮減情況表示如下:Ml為保險(xiǎn)杠和吸能盒的質(zhì)量；M2為副車架、懸架系統(tǒng)和車輪的質(zhì)量；M3為車身的質(zhì)量；M4為發(fā)動(dòng)機(jī)和變速箱的質(zhì)量。對(duì)于各個(gè)質(zhì)量塊，僅考慮一個(gè)運(yùn)動(dòng)自由度，即車身軸向方向。整車LPM中各個(gè)彈簧單元所代表的吸能部件或子系統(tǒng)的情況如下:K1為保險(xiǎn)杠和吸能盒總成；K2為前縱梁第一段；Κ3為前縱梁第二段；Κ4為發(fā)動(dòng)機(jī)支架；Κ5、Κ7為發(fā)動(dòng)機(jī)間隙；Κ6為副車架。
[0018]LPM模型自由度方面，可根據(jù)概念設(shè)計(jì)階段安全性設(shè)計(jì)的具體要求，增加或減少LPM的自由度。例如，在概念設(shè)計(jì)階段如需考慮碰撞過(guò)程中乘員的響應(yīng)特性，則可在LPM中建立代表乘員的質(zhì)量塊及相應(yīng)的約束彈簧。
[0019]步驟4:根據(jù)目標(biāo)車型的總布置情況及設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定整車LPM中各彈簧單元及質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊邊長(zhǎng)及質(zhì)量塊質(zhì)量。
[0020]車型A的整車四自由度LPM的最終設(shè)計(jì)參數(shù)情況如下:各彈簧長(zhǎng)度方面，Kl=200mm、K2=250mm、K3=K6=350mm、K4=100mm、K5=400mm、K7=550mm ；質(zhì)量塊邊長(zhǎng)方面，Ml=M2=M4=100mm、M3=150mm ;質(zhì)量塊質(zhì)量方面，Ml=4.803E-3 T、Μ2=7.650Ε-2 Τ、Μ3=0.777692 Τ、Μ4=0.19 Τ。
[0021]步驟5:根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案中預(yù)期要達(dá)到的抗撞性目標(biāo)，設(shè)計(jì)整車LPM中各彈簧的剛度情況，實(shí)現(xiàn)方式為首先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求，對(duì)代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)定義，然后將代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給彈-塑性的彈簧材料。
[0022]圖3示意了整車LPM中代表前縱梁的彈簧單元的力-位移剛度曲線。以此為例，其他彈簧的力-位移剛度曲線形式與圖3所示相同。如圖3所示，曲線分為兩段，第一段為彈簧的線性變形階段，第二段為彈簧的塑性變形階段，對(duì)應(yīng)的為彈簧屈服力的大小。本發(fā)明中LPM的彈簧單元采用彈-塑性材料，能夠保證彈簧單元很好的模擬出在碰撞過(guò)程中的吸能表現(xiàn)，且不發(fā)生回彈現(xiàn)象。[0023]步驟6:將建立好的整車LPM導(dǎo)入通用的商業(yè)軟件中進(jìn)行正面碰撞仿真分析，得到整車LPM的結(jié)果信息包括:碰撞力、能量和速度等在時(shí)域內(nèi)的曲線，據(jù)此判斷整車LPM的碰撞響應(yīng)是否滿足預(yù)定義的正面碰撞安全性設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)修改LPM中的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊質(zhì)量及彈簧的剛度，直至滿足設(shè)計(jì)要求，概念設(shè)計(jì)階段結(jié)束，在此基礎(chǔ)上開展汽車結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
[0024]以上步驟均可通過(guò)參數(shù)化建模方式實(shí)現(xiàn)流程自動(dòng)化分析。
[0025]圖4至圖6是應(yīng)用于某真實(shí)車型A概念設(shè)計(jì)階段開發(fā)的LPM的碰撞響應(yīng)與以此LPM模型為基礎(chǔ)進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)最終得到的整車有限元詳細(xì)模型的分析結(jié)果進(jìn)行對(duì)t匕。從圖中可以看出LPM碰撞響應(yīng)雖然在數(shù)值上與詳細(xì)模型結(jié)果存在一定的偏差，但整體變化規(guī)律較為接近。因此，概念設(shè)計(jì)階段的LPM對(duì)汽車正面碰撞性能設(shè)計(jì)具有指導(dǎo)價(jià)值。
[0026]以上所述僅為本發(fā)明的優(yōu)選實(shí)例而已，并不用于限制本發(fā)明，對(duì)于本領(lǐng)域的技術(shù)人員來(lái)說(shuō)，本發(fā)明可以有各種更改和變化。凡對(duì)本發(fā)明所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種基于集中參數(shù)化模型的汽車正面碰撞概念設(shè)計(jì)方法，其特征在于:具體步驟如下: 步驟1:設(shè)計(jì)人員對(duì)概念設(shè)計(jì)階段的汽車結(jié)構(gòu)進(jìn)行總體設(shè)計(jì)，確定汽車的主要參數(shù)和結(jié)構(gòu)，如車身長(zhǎng)度、寬度、高度及整車質(zhì)量等； 步驟2:設(shè)計(jì)人員根據(jù)汽車正面碰撞安全性實(shí)際設(shè)計(jì)問(wèn)題的需要，確定LPM的規(guī)模，即模型的自由度數(shù)，也就是整車LPM中質(zhì)量塊的個(gè)數(shù)； 步驟3:根據(jù)以上信息，對(duì)整車系統(tǒng)進(jìn)行集成和簡(jiǎn)化，將其抽象為集中參數(shù)化模型LPM，其中，包括將吸能子系統(tǒng)或部件簡(jiǎn)化為彈-塑性的彈簧單元，將在碰撞過(guò)程中不發(fā)生大變形或不承擔(dān)吸能任務(wù)的大質(zhì)量結(jié)構(gòu)，簡(jiǎn)化為剛性的質(zhì)量塊單元； 步驟4:根據(jù)目標(biāo)車型的總布置情況及設(shè)計(jì)目標(biāo)，確定整車LPM中各彈簧單元及質(zhì)量塊的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊邊長(zhǎng)及質(zhì)量塊質(zhì)量； 步驟5:根據(jù)概念設(shè)計(jì)方案中預(yù)期要達(dá)到的抗撞性目標(biāo)，設(shè)計(jì)整車LPM中各彈簧的剛度情況，實(shí)現(xiàn)方式為首先根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)及設(shè)計(jì)要求，對(duì)代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線進(jìn)行設(shè)計(jì)定義，然后將代表各彈簧剛度的分段線性的力-位移關(guān)系曲線賦值給彈-塑性的彈簧材料； 步驟6:將建立好的整車LPM導(dǎo)入通用的商業(yè)軟件中進(jìn)行正面碰撞仿真分析，得到整車LPM的結(jié)果信息包括:碰撞力、能量和速度在時(shí)域內(nèi)的曲線，據(jù)此判斷整車LPM的碰撞響應(yīng)是否滿足預(yù)定義的正面碰撞安全性設(shè)計(jì)要求，如不滿足，則在設(shè)計(jì)允許范圍內(nèi)修改LPM中的設(shè)計(jì)參數(shù)，包括彈簧長(zhǎng)度、質(zhì)量塊質(zhì)量及彈簧的剛度，直至滿足設(shè)計(jì)要求，概念設(shè)計(jì)階段結(jié)束，在此基礎(chǔ)上開展汽車結(jié)構(gòu)的詳細(xì)設(shè)計(jì)。
【文檔編號(hào)】G06F17/50GK103699734SQ201310711194
【公開日】2014年4月2日 申請(qǐng)日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】徐濤, 左文杰, 李亦文, 李彬, 李賓, 邵晴 申請(qǐng)人:吉林大學(xué)