本發(fā)明屬于汽車白車身結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，特別涉及到一種車身變截面梁的設(shè)計和優(yōu)化方法。該發(fā)明既可以應(yīng)用于正向設(shè)計過程中梁的變截面輪廓線的確定，也可對現(xiàn)有的梁進(jìn)行基于結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)優(yōu)化。

背景技術(shù)：
經(jīng)過一百三十年的發(fā)展，汽車工業(yè)已經(jīng)成為影響國民經(jīng)濟(jì)發(fā)展的重要支柱產(chǎn)業(yè)之一，它的快速發(fā)展對國家的經(jīng)濟(jì)起到巨大的推動作用。然而隨著世界各國汽車保有量的迅速增加，石油、天然氣等不可再生能源消耗嚴(yán)重并且有害排氣體放逐年遞增。汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展面臨著越來越嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)，汽車不僅需要保證較好的節(jié)能環(huán)保性，還要在激烈的市場競爭取得良好的業(yè)績。如何能較快、高效的開發(fā)設(shè)計出高性能、低消耗的車型，已經(jīng)成為汽車企業(yè)在競爭中脫穎而出的關(guān)鍵。汽車車身設(shè)計按照設(shè)計過程先后分為兩個階段，概念設(shè)計階段與詳細(xì)設(shè)計階段。概念設(shè)計階段主要任務(wù)是確定車身整體結(jié)構(gòu)性能，在此階段的車身設(shè)計，需要對整體模型的力學(xué)性能進(jìn)行反復(fù)仿真與校核，在很大程度上決定了汽車設(shè)計周期的長短和后期的重復(fù)設(shè)計量，直接關(guān)系到車輛的開發(fā)成本，如果在這個階段留下缺陷，在以后進(jìn)一步的設(shè)計中將面臨諸多困難，并且前期的錯誤很難在后期彌補(bǔ)。在車身概念設(shè)計階段，用于車身性能評估的車身模型大多是簡化的框架模型，車身分析優(yōu)化得到的結(jié)果是具體的梁單元的性能參數(shù)，而無法獲得具有目標(biāo)特性的截面形狀，設(shè)計者只能根據(jù)以往的經(jīng)驗(yàn)和直覺來設(shè)計，這必然將截面設(shè)計的一些不合理性帶到以后的設(shè)計過程中，這已成為阻礙車身快速設(shè)計的一大障礙。此外，截面形狀與厚度直接關(guān)系到車身的重量，進(jìn)而影響到車輛的燃油經(jīng)濟(jì)性與排放。因此，在車身結(jié)構(gòu)設(shè)計領(lǐng)域，需要一個操作簡便、充分考慮設(shè)計工程約束的梁截面優(yōu)化設(shè)計方法。傳統(tǒng)的梁截面設(shè)計主要是基于經(jīng)驗(yàn)判斷與實(shí)驗(yàn)?zāi)M，這種方法既不可靠又不高效，這勢必制約新車型的開發(fā)速度，影響汽車的設(shè)計周期。這一問題可以通過截面優(yōu)化設(shè)計來解決。車身薄壁梁截面設(shè)計問題主要包括對截面形狀、材料和厚度的優(yōu)化設(shè)計，國內(nèi)學(xué)者對截面設(shè)計及優(yōu)化問題也做了許多研究工作，但結(jié)合車身變截面優(yōu)化方面的工作還比較少，例如，在公開號為103455692A、題為“汽車車身斷面形狀兩步優(yōu)化設(shè)計方法”的專利文獻(xiàn)中提出一種以汽車車身箱型斷面作為中間變量的兩步優(yōu)化設(shè)計方法，但在該專利方法中并沒有關(guān)于變截面板以及多個板之間的同步優(yōu)化的研究。由于車身梁結(jié)構(gòu)截面的形狀極其復(fù)雜，在對截面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時，需要找到一種即可以保證截面連續(xù)變化，截面的控制變量又相對較少的截面形狀控制方法，保證優(yōu)化操作可以順利實(shí)施，因此，目前車身截面設(shè)計仍需要開發(fā)一個真正符合汽車行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的，滿足可制造性要求的綜合設(shè)計方法。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是綜合考慮車身梁截面設(shè)計的裝配及制造的約束，例如：車身梁截面需要跟車身造型相適應(yīng)，其截面外板形狀受到車身整體造型的約束；車身梁截面是由薄壁板沖壓而成，其形狀也受到?jīng)_壓工藝的限制。另外，車身梁結(jié)構(gòu)沖壓鋼板的厚度也不是連續(xù)的，設(shè)計者必須從市場可提供的標(biāo)準(zhǔn)厚度的材料中進(jìn)行選擇制造，因此材料類型和材料厚度的選擇是一個離散問題。本發(fā)明通過在梁截面上選取一定數(shù)量的控制點(diǎn)從而對截面形狀進(jìn)行控制，并建立材料參數(shù)與厚度數(shù)據(jù)庫，以連續(xù)的梁截面形狀，離散的材料厚度、材料種類、梁截面板的數(shù)量為設(shè)計變量，以滿足車身剛度所需截面屬性、質(zhì)量以及成本等為設(shè)計目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)滿足不同設(shè)計約束條件下的變截面優(yōu)化。為車身設(shè)計者提供一個符合汽車設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)的、易操作的、實(shí)用的車身截面優(yōu)化設(shè)計途徑。解決了變截面梁的同步優(yōu)化難題。本發(fā)明不僅對各種約束工況的單一截面的設(shè)計問題進(jìn)行了研究，并實(shí)現(xiàn)了對具有多層板數(shù)的變截面梁的設(shè)計。一種白車身變截面梁的設(shè)計方法，具體步驟如下：(1)白車身變截面梁中控制點(diǎn)排布方式：針對截面形式和優(yōu)化條件進(jìn)行白車身變截面梁中個體控制點(diǎn)排布，通過控制點(diǎn)排布能準(zhǔn)確表達(dá)出截面參數(shù)信息，如截面形狀、板的厚度等?？刂泣c(diǎn)的排布方法為：梁截面兩個連接點(diǎn)的連線為y軸，過其中一個連接點(diǎn)垂直y軸直線設(shè)為z軸，建立梁截面局部坐標(biāo)系，以y軸與z軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；進(jìn)行梁截面形狀控制時，將外板控制點(diǎn)的y坐標(biāo)分別投影到內(nèi)板和加強(qiáng)板上，其中，外板、內(nèi)板和加強(qiáng)板上分別有多個控制點(diǎn)；保持外板控制點(diǎn)的y坐標(biāo)不變，改變外板上控制點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離dj,1控制外板的形狀，以z軸正向?yàn)檎?；改變加?qiáng)板到外板距離dj,2，控制加強(qiáng)板的形狀，改變內(nèi)板到加強(qiáng)板距離dj,3，控制內(nèi)板的形狀，其中j表示第j個控制點(diǎn)。(2)計算梁截面參數(shù)值：根據(jù)梁截面上各個控制點(diǎn)排布情況及相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)計算出表示梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，并將梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行有效存儲；計算梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)與梁截面單位質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù)如下：f1＝min(|Iy[m]-obj_Iy|)f2＝min(|Iz[m]-obj_Iz|)(1)f3＝min(weight[m])其中：Iy[m]、Iz[m]為所獲得的第m個梁截面的慣性矩，obj_Iy、obj_Iz為預(yù)期的第m個梁截面的目標(biāo)慣性矩，weight[m]為第m個梁截面的單位質(zhì)量。(3)對梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行快速非支配排序：根據(jù)設(shè)計條件設(shè)定支配控制表達(dá)式，對梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)值進(jìn)行非支配排序；梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)的排序支配關(guān)系如下：1)|Iy[m]-obj_Iy|≤|Iy[n]-obj_Iy|2)|Iz[m]-obj_Iz|≤|Iz[n]-obj_Iz|(2)3)weight[m]≤weight[n]當(dāng)上述三個條件都滿足時，第m個截面支配第n個截面；若上述三個條件均不滿足時，則第n個截面支配第m個截面。(4)得到最優(yōu)梁截面：通過梁截面控制點(diǎn)對梁截面結(jié)構(gòu)性能參數(shù)值求解，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)條件時獲取梁截面數(shù)據(jù)。通過對梁截面數(shù)據(jù)性能進(jìn)一步評價，選擇出最符合設(shè)計值的梁截面；本發(fā)明實(shí)現(xiàn)將車身的多個設(shè)計目標(biāo)為約束條件進(jìn)行多個板同步設(shè)計。最優(yōu)梁截面的設(shè)計值選取根據(jù)如式：本發(fā)明的有益效果在于：對車身變截面梁的截面設(shè)計和優(yōu)化方法進(jìn)行了研究，基于同步優(yōu)化變量建立了多截面協(xié)同設(shè)計過程，實(shí)現(xiàn)了基于工程設(shè)計中可制造性約束和可裝配性約束下的變截面梁的優(yōu)化設(shè)計，該方法既可以應(yīng)用于正向設(shè)計過程中車身概念設(shè)計階段梁的變截面輪廓線的確定，也可對現(xiàn)有的梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)性能的改進(jìn)優(yōu)化，實(shí)現(xiàn)了制造成本降低和車身輕量化設(shè)計。附圖說明圖1是本發(fā)明方法已實(shí)施進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計的車身變截面梁位置示意圖。圖2是本發(fā)明所采用的截面形狀控制點(diǎn)示意圖。圖3是本發(fā)明所采用的變截面形狀控制點(diǎn)示意圖。圖4是實(shí)例中所取樣的車身B柱詳細(xì)模型示意圖。圖5A是車身B柱的一處取樣位置截面形狀示意。圖5B是車身B柱的另一處取樣位置截面形狀示意。圖6A是設(shè)計工況一下一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖6B是設(shè)計工況一下另一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖6C是設(shè)計工況一下圖6A和圖6B兩處最優(yōu)解分布。圖7A是設(shè)計工況二下一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖7B是設(shè)計工況二下另一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖7C是設(shè)計工況二下圖7A和圖7B兩處最優(yōu)解分布。圖8A是設(shè)計工況三下一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖8B是設(shè)計工況三下另一處取樣最優(yōu)截面形狀。圖8C是設(shè)計工況三下圖8A和圖8B兩處最優(yōu)解分布。圖9是優(yōu)化后B柱取樣截面形狀示意圖。圖中：1前指梁；2A柱；3B柱；4C柱；5頂蓋縱梁；6門檻梁；7外板；8加強(qiáng)板；9內(nèi)板；Y坐標(biāo)軸；Z坐標(biāo)軸；dj,1表示外板上第j個控制點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離；dj,2表示外板上第j個控制點(diǎn)到加強(qiáng)版控制點(diǎn)的距離；dj,3表示加強(qiáng)板上第j個控制點(diǎn)到內(nèi)板控制點(diǎn)的距離；d1,1,m表示第m個截面外板上的第1個控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)與第m-1個截面中加強(qiáng)板上的第1個控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)之差，以此類推；A、B分別表示變截面中的兩個取樣位置。具體實(shí)施方式以下結(jié)合附圖對本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步地說明。本發(fā)明針對截面形式和優(yōu)化條件進(jìn)行白車身變截面梁中個體控制點(diǎn)排布，以梁截面的兩個連接點(diǎn)為y軸，過其中一個連接點(diǎn)垂直y軸直線設(shè)為z軸，建立梁截面局部坐標(biāo)，以y軸與z軸的交點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)；在進(jìn)行梁截面形狀控制時，將外板控制點(diǎn)的y坐標(biāo)分別投影到內(nèi)板和加強(qiáng)板上，其中，外板、內(nèi)板和加強(qiáng)板上分別有多個控制點(diǎn)；保持外板控制點(diǎn)的y坐標(biāo)不變，改變外板上控制點(diǎn)到y(tǒng)軸的距離dj,1控制外板的形狀，以z軸正向?yàn)檎?；通過改變加強(qiáng)板到外板距離dj,2，控制加強(qiáng)板的形狀，通過改變內(nèi)板到加強(qiáng)板距離dj,3，控制內(nèi)板的形狀。其中，設(shè)計變量dj,k(k＞1)表示第k層板的第j個點(diǎn)到第k-1層板的第j個點(diǎn)的距離，如圖2所示。通過這種控制方式，每個截面形狀控制點(diǎn)縱坐標(biāo)Zj,k可以表示為設(shè)計變量dj,k的函數(shù)，如式4，在進(jìn)行截面形狀控制時，只需對變量dj,k進(jìn)行設(shè)計，可有效避免出現(xiàn)負(fù)角與交叉的情況。為了約束車身梁截面縱向變化太大，本方法在控制dj,k變化范圍的同時，引入縱向變化的限制，保證相鄰的控制點(diǎn)縱坐標(biāo)變化與橫坐標(biāo)變化之比不超過一定值。對應(yīng)于裝配約束，可規(guī)定不參與優(yōu)化的設(shè)計變量dj,k＝0。變截面梁的形狀控制不僅需要考慮單個截面優(yōu)化時的所有約束，同時兩個截面之間的形狀也相互制約，在進(jìn)行優(yōu)化時，兩個截面同一塊板的材料與厚度保持一致。變截面優(yōu)化截面形狀控制時，首先分別將每個截面的板上的控制點(diǎn)的y坐標(biāo)映射到同一截面另外的板上，然后再分別將一個截面上的點(diǎn)的坐標(biāo)按照比例映射到另一個的截面中，這樣保持了y坐標(biāo)的連續(xù)性。在縱坐標(biāo)的控制上，引入同步變截面設(shè)計變量dj,k,m，以保證兩個截面之間板的變化不會太劇烈，它可以看作是對單個截面設(shè)計變量的擴(kuò)展，其中dj,k,m表示第m個截面中第k層板上的第j個控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)與第m-1(m＞1)個截面中第k層板上的第j個控制點(diǎn)的縱坐標(biāo)之差，定義如圖3所示。經(jīng)過處理，第m個截面控制點(diǎn)縱坐標(biāo)zj,k,m可以表示為第m-1個截面控制點(diǎn)縱坐標(biāo)zj,k,m-1與變截面設(shè)計變量dj,k,m的函數(shù)，見式5。zj,k,m＝zj,k,m-1-dj,k,m(m≠1)(5)變截面在優(yōu)化過程中不僅每個截面受到單個截面設(shè)計時的工程約束，兩截面之間還不能劇烈變化，該方法中定義設(shè)計邊界參數(shù)dL和dU來約束設(shè)計變量dj,k,m，其約束設(shè)計如下，見式6：dUj,k,m＝dmax(m≠1)(6)其中，dmax是指在考慮截面在沖壓和裝配等工程約束的情況下，兩截面形狀允許的最大位移量，當(dāng)m＝1時，即為單個梁截面的優(yōu)化約束問題。對梁截面的設(shè)計是一個多目標(biāo)取舍問題。截面優(yōu)化變量有截面形狀控制變量dj,k,或dj,k,m，截面板材厚度，截面材料種類，截面板的數(shù)量；優(yōu)化約束主要包括裝配、制造約束，材料種類約束，市場提供板材厚度約束等；優(yōu)化目標(biāo)包括截面重量最低，材料成本最低，截面性能參數(shù)最優(yōu)等。根據(jù)梁截面上各個控制點(diǎn)排布情況及相應(yīng)的目標(biāo)函數(shù)計算出表示梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)，并將梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)進(jìn)行有效存儲。本發(fā)明方法計算梁截面的結(jié)構(gòu)性能參數(shù)與梁截面單位質(zhì)量的目標(biāo)函數(shù)可表示為：f1＝min(|Iy[m]-obj_Iy|)f2＝min(|Iz[m]-obj_Iz|)(1)f3＝min(weight[m])其中Iy[m]、Iz[m]為所獲得的第m個截面的慣性矩，obj_Iy、obj_Iz為預(yù)期的第m個截面的目標(biāo)慣性矩，weight[m]為第m個截面的重量。梁截面的結(jié)構(gòu)性能設(shè)計變量有截面形狀、材料種類與板材的厚度以及板的層數(shù)等。本設(shè)計算例的優(yōu)化過程中截面性能參數(shù)群大為200，性能參數(shù)群的迭代次數(shù)為400，參數(shù)互換概率為0.8，參數(shù)突變概率為0.1。采用精英策略的快速非支配排序，有效地降低了該設(shè)計方法復(fù)雜度,提高了效率。本發(fā)明非支配排序支配關(guān)系如式2：1)|Iy[m]-obj_Iy|≤|Iy[n]-obj_Iy|2)|Iz[m]-obj_Iz|≤|Iz[n]-obj_Iz|(2)3)weight[m]≤weight[n]當(dāng)上述三個條件都滿足時，第m個截面支配第n個截面；若上述三個條件均不滿足時，則第n個截面支配第m個截面。通過梁截面控制點(diǎn)對梁截面結(jié)構(gòu)性能參數(shù)值求解，當(dāng)達(dá)到最優(yōu)條件時獲取梁截面數(shù)據(jù)。通過對梁截面數(shù)據(jù)性能進(jìn)一步評價，選擇出最符合設(shè)計值的梁截面。最優(yōu)梁截面的設(shè)計值選取根據(jù)如式(3)：在發(fā)明算例中，以某車B柱(如圖4所示)變截面多層板梁設(shè)計為例，首先采對該款三廂車車身結(jié)構(gòu)的全新概念設(shè)計，并進(jìn)行所需的結(jié)構(gòu)分析和尺寸參數(shù)優(yōu)化，可得到相關(guān)的截面設(shè)計參數(shù)，然后通過本發(fā)明方法進(jìn)行截面設(shè)計，設(shè)計的初始截面來自車型原有的截面數(shù)據(jù)庫。根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了三種變截面優(yōu)化工況，設(shè)計前截面形狀如圖5所示。各工況優(yōu)化變量均為梁截面加強(qiáng)板形狀控制參數(shù)d、截面材料類型m、板厚t。設(shè)計約束為截面內(nèi)外板形狀不變，只改變加強(qiáng)板形狀等設(shè)計變量。設(shè)計工況一：以車身B柱上截面A、B所需達(dá)到的截面慣性矩Iy，Iz值和單位重量最小為優(yōu)化目標(biāo)，優(yōu)化后截面形狀與截面性能參數(shù)帕累托最優(yōu)解分布如圖6所示。設(shè)計工況二：以車身B柱上截面A、B所需達(dá)到的截面慣性矩Iy，Iz值和材料成本為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解，優(yōu)化后截面形狀與截面性能參數(shù)帕累托最優(yōu)解分布如圖7所示。設(shè)計工況三：以車身B柱上截面A、B所需達(dá)到的截面慣性矩Iy，Iz值和截面重量、材料成本為優(yōu)化目標(biāo)進(jìn)行優(yōu)化求解，優(yōu)化后的截面形狀與截面性能參數(shù)帕累托最優(yōu)解分布如圖8所示。圖6至圖8中，小圓圈中的點(diǎn)的坐標(biāo)代表了所選擇的最優(yōu)解在最優(yōu)解群中的位置，各工況設(shè)計結(jié)果如表1所示：表1車身B柱截面優(yōu)化結(jié)果通過設(shè)計統(tǒng)計結(jié)果可以看出，通過本發(fā)明方法對變截面梁B柱的優(yōu)化，優(yōu)化誤差均在0.7％以內(nèi)。設(shè)計工況一優(yōu)化后截面具有較低的質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)了對現(xiàn)有截面性能提高基礎(chǔ)上的輕量化設(shè)計，外板、加強(qiáng)板材料都為鋁合金，內(nèi)板材料為高強(qiáng)鋼，通過離散點(diǎn)圖可以看出優(yōu)化結(jié)果的單位截面重量都在2.0-4.0kg之間，但截面材料成本較高；設(shè)計工況二得到的截面具有較低的成本，內(nèi)、外板材料都為普碳鋼，加強(qiáng)板材料為高強(qiáng)鋼，質(zhì)量相對較大，這種優(yōu)化用于普通零部件的設(shè)計可以有效降低材料成本；設(shè)計工況三得到的截面質(zhì)量跟材料都成本對較低，比較適合工程應(yīng)用，最后生成的B柱截面如圖9所示。對車身B柱進(jìn)行了變截面梁的設(shè)計，得出的結(jié)果都能較好的滿足設(shè)計要求。根據(jù)不同的設(shè)計目標(biāo)優(yōu)化，所得到的結(jié)果來看，當(dāng)以結(jié)構(gòu)性能、輕量化為首要設(shè)計目標(biāo)時，可選擇以截面性能參數(shù)值和質(zhì)量最低為目標(biāo)參數(shù)，這種設(shè)計可用于中高檔車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計中；當(dāng)追求良好的性能和親民的價格時，可選擇以截面性能參數(shù)值和成本最少為設(shè)計目標(biāo)，這種設(shè)計可用于中低檔車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計中；當(dāng)希望獲得較好的輕量化效果和較低成本時，可選擇以截面性能參數(shù)值和重量、花費(fèi)都較少為設(shè)計目標(biāo)，這種設(shè)計可用于中檔車車身的結(jié)構(gòu)設(shè)計中。該發(fā)明方法應(yīng)用于車身概念設(shè)計階段，可實(shí)現(xiàn)在滿足各種工程約束和結(jié)構(gòu)性能的前提下，對梁的變截面輪廓線的確定；同時也適用于詳細(xì)設(shè)計階段對截面參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，從而達(dá)到增加車身剛度和實(shí)現(xiàn)車身輕量化的目的。以上列舉了具體實(shí)施例來詳細(xì)闡明本發(fā)明基于白車身變截面梁同步設(shè)計方法實(shí)現(xiàn)車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計，這些個例僅供說明本發(fā)明的原理及其實(shí)施方式之用，而非對本發(fā)明的限制，在不脫離本發(fā)明的精神和范圍的情況下，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員還可以做出各種變形和改進(jìn)。因此所有等同的技術(shù)方案均應(yīng)屬于本發(fā)明的范疇并為本發(fā)明的各項(xiàng)權(quán)利要求所限定。