用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法及系统

摘要

本发明揭示的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法及系统，包括转向管柱一维单元模型建立单元，用于接收用户输入的转向管柱实际物理特性参数，并生成转向管柱一维模型；分析计算单元，用于接收用户输入的参数变量，计算所述假体模型的机械特性与实体模型机械特性的一致性；图形显式单元，用于显示所述S2，分析计算步骤中的对比结果，实现假体转向管柱一维单元模型的建立、分析。本发明的转向管柱一维单元模型的建立相对于三维有限元模型建立更加简单，且计算量相对少很多，也不会将方向盘的外形信息显示，有利于保密，同时转向管柱一维单元模型的精确度与有限元模型分析的精确度较为接近，能够有效保证分析的准确性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种建模方法及系统，尤其是一种用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法及系统。

背景技术

随着计算机技术的发展以及在汽车、机械等行业应用的推广，利于有限元方法进行CAE仿真已成为现在汽车及零部件设计过程中不可或缺的内容。减排要求使各汽车生成企业对零部件的设计提出了更苛刻的重量限制要求，要求各零部件及总成在满足所有技术要求的前提下，实现重量最小化。而CAE仿真技术为实现这些要求提供了方法。在设计阶段可以进行大量的CAE虚拟试验，对不同方案进行分析优化，获得重量最小化的可行方案。

以仪表板支架为例，其最关键的性能目标是对转向管柱及方向盘的的支撑刚度。反映到仿真分析中，就是转向管柱及方向盘安装到仪表板支架上的固有频率。

在仪表板支架的开发过程中，我们就要通过多轮的仿真分析优化，使产品满足频率目标，并且重量最小。在该分析过程中，转向管柱及方向盘的有限元模型就是必不可少的输入条件，该输入条件的准确性直接影响到分析结果的准确性及优化方向的选择。而由于转向管柱及方向盘模型的一些特性，使得仪表板支架供应商在开发过程中不易获得，即使获得相关有限元模型，也存在着以下问题：

1、由几何模型转化而成，结构复杂，有限元建模工作量很大；

2、模型中包含大量单元，特别是实体单元，CPU计算量大；

3、模型中包含了大量模型信息，特别是方向盘型面信息，不利于信息保密。

发明内容

本发明的目的就是为了解决现有技术中存在的上述问题，提供一种用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法及系统。

本发明的目的通过以下技术方案来实现：

一种用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，包括如下步骤：

S1，转向管柱一维单元模型建立步骤：接收用户输入的转向管柱信息，生成转向管柱一维单元模型；

S2，分析计算步骤：接收用户输入的参数变量，计算所述转向管柱一维单元模型的机械特性与实体模型机械特性的一致性；

S3，结果显式步骤：显示所述S2，分析计算步骤中的对比结果。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：所述S1，转向管柱一维单元模型建立步骤包括如下步骤：

S11，几何模型读取步骤：接收用户输入的几何图形，并读取其上的属性数据；

S12，一维单元生成步骤：接收用户输入的参数数据，在所述几何图形的轴心位置画出管柱一维单元，即梁单元，并在所述梁单元上施加3个集中质量单元，所述第一集中质量单元是方向盘质量单元；

S13，弹簧单元生成步骤：接收用户输入的3个弹簧单元信息，并通过3个所述弹簧单元将所述第一集中质量单元与梁单元连接，形成转向管柱一维单元模型。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：所述S11，几何模型输入步骤中的属性数据包括安装点坐标、转向管物理坐标、方向盘质量及质心、转向管柱质量及质心、转动惯量、转向管柱几何尺寸、转向管柱第一阶模态固有频率及振形及转向管柱第二阶模态固有频率及振形。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：所述安装点坐标的数量是4个或5个。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：所述弹簧单元是零长度弹簧单元，各所述弹簧单元的一个节点与所述第一集中质量单元共节点，另一个节点与所述梁单元共节点。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：在所述S2，分析计算步骤中，所述参数变量包括集中质量单元、梁单元内径、梁单元外径及弹簧单元。

优选的，所述的用于仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的实现方法，其中：所述S2，分析计算步骤中，当所述假体转向管柱一维单元模型的第一阶模态、第二阶模态的振形与频率与实体模型第一阶模态、第二阶模态的振形与频率的公差的范围在0.5HZ时，两者的机械特性一致。

一种用于实现仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的系统，包括：

转向管柱一维单元模型建立单元，用于接收用户输入的转向管柱信息，生成转向管柱一维单元模型；

分析计算单元，用于接收用户输入的参数变量，计算所述转向管柱一维单元模型的机械特性与实体模型机械特性的一致性；

以及，结果显式单元，用于显示分析计算单元得出的对比结果。

优选的，所述的用于实现仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的系统，其中：所述转向管柱一维单元模型建立单元包括：

几何模型读取模块，用于接收用户输入的几何图形，并读取其上的属性数据；

一维单元生成模块，用于接收用户输入的参数数据，并在所述几何图形的轴心位置画出管柱一维单元，即梁单元，并在所述梁单元上施加3个集中质量单元，所述集中质量单元是方向盘质量单元；

以及，弹簧单元生成单元，用于接收用户输入的3个弹簧单元信息，并通过3个所述弹簧单元将所述集中质量单元与梁单元连接，形成转向管柱一维单元模型。

优选的，所述的用于实现仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的系统，其中：所述转向管柱一维单元模型的参数变量包括集中质量单元、弹簧单元、梁单元内径及梁单元外径。

本发明技术方案的优点主要体现在：

本发明的方法简单，易行，转向管柱一维单元模型的建立相对于三维有限元模型建立更加简单，且计算量相对少很多，也不会将方向盘的外形信息显示，有利于保密，同时转向管柱一维单元模型的精确度与有限元模型分析的精确度较为接近，能够有效保证分析的准确性。

附图说明

本发明的目的、优点和特点，将通过下面优选实施例的非限制性说明进行图示和解释。这些实施例仅是应用本发明技术方案的典型范例，凡采取等同替换或者等效变换而形成的技术方案，均落在本发明要求保护的范围之内。

图1为本发明的转向管柱一维模型图；

图2为本发明转向管柱一维模型中梁单元的内外径示意图；

图3为本系统的机构示意图；

图4为本系统中转向管柱一维单元模型建立单元结构示意图。

具体实施方式

本发明所述的一种用于实现仪表板支架优化仿真的假体转向管柱一维单元模型的系统，如附图3-4所示，包括相互电性连接的数据输入装置及控制装置，用户通过所述数据输入装置及所述控制装置上设置的数据接口输入及导入各种数据，所述控制装置包括显示窗口，且其内部设置有，

转向管柱一维单元模型建立单元1，其用于接收用户输入的转向管柱信息，生成转向管柱一维单元模型；具体的，所述转向管柱一维单元模型建立单元1包括几何模型读取模块11，用于接收用户输入的几何图形，并读取所述几何图形上附带的属性数据，其中，所述几何图形可以是CAD、Solidworks、Inventor、Solidedge等软件上预先绘制好的图形；所述属性数据包括安装点坐标、转向管物理坐标、方向盘质量及质心、转向管柱质量及质心、转动惯量、转向管柱几何尺寸以及如附图1-2所示的转向管柱第一阶模态固有频率及振形及转向管柱第二阶模态固有频率及振形；其中所述安装点坐标的数量根据不同型号的转向管柱可以设置为4个或5个；一维单元生成模块12，用于接收用户输入的参数数据，并在所述几何图形的轴心位置画出管柱一维单元，即梁单元4，并在所述梁单元4上施加3个集中质量单元M1、M2、M3，所述第一集中质量单元M1是方向盘质量单元，其位于所述梁单元4的上端，剩余两个所述集中质量单元M2、M3分别施加于所述梁单元4的中间和末端；以及，弹簧单元生成单元13，用于接收用户输入的3个弹簧单元Sx、Sy、Sz信息，并通过3个所述弹簧单元Sx、Sy、Sz将所述第一集中质量单元M1与梁单元4连接，形成转向管柱一维单元模型；所述弹簧单元Sx、Sy、Sz是零长度弹簧单元，其一个节点与第一集中质量单元M1共节点，另一个节点与梁单元共节点。

所述控制装置内还设置有分析计算单元2，其用于接收用户输入的参数变量，通过尺寸优化算法，计算所述转向管柱一维单元模型的机械特性与实体模型机械特性的一致性；所述参数变量包括集中质量单元M2、M3、梁单元内径R1、梁单元外径R2及弹簧单元Sx、Sy、Sz，其中所述集中质量单元M2、M3的范围值在1.5-4.5T之间；所述弹簧单元Sx的范围值在450-650 N/mm之间；如附图4所示，当所述转向管柱为小型转向管柱，其对应的所述梁单元内径范围在0-5 mm之间，外径范围在5-12 mm之间；当所述转向管柱为大型转向管柱，其对应的所述梁单元内径范围在0-10 mm之间，外径范围在10-20 mm之间；所述弹簧单元Sy的范围值在600-1000 N/mm之间；所述弹簧单元Sz的范围值在3000-4000 N/mm之间；

更进一步，为了直观显示所述对比结果，所述控制装置内还设置有结果显式单元3，其用于将分析计算单元2得出的对比结果生成图形信息并在显示屏上显示。

本系统工作时，其过程如下：

用户通过所述控制装置上的数据接口，将预先绘制好的转向管柱实体模型导入到系统；

此时，所述转向管柱一维单元模型建立单元1接收用户输入的转向管柱实体模型信息，生成转向管柱一维单元模型；其具体包括：

首先，所述几何模型读取模块11接收用户输入的几何图形，并读取其上的属性数据，并在生成对应的几何图形；

其次，所述一维单元生成模块12接收用户输入的参数数据，在所述几何图形的轴心位置画出管柱一维单元，即梁单元4，并在所述梁单元4上施加3个第一集中质量单元M1、M2、M3，所述第一集中质量单元M1是方向盘质量单元；

之后，所述弹簧单元生成模块13接收用户输入的3个弹簧单元Sx、Sy、Sz，并通过3个所述弹簧单元Sx、Sy、Sz将所述第一集中质量单元M1与梁单元4连接，形成转向管柱一维单元模型。

在所述转向管柱一维单元模型建成后，用户可以通过所述数据输入装置，调整所述集中质量单元M2、M3，梁单元内径R1、梁单元外径R2及弹簧单元Sx、Sy、Sz的数值，此时所述分析计算模块2接收用户输入的对应数值，并根据已指定的算法计算所述转向管柱一维单元模型的机械特性是否与实体模型机械特性一致；当得出所述转向管柱一维单元模型的第一阶模态、第二阶模态的振形与频率与实体模型第一阶模态、第二阶模态的振形与频率的公差的范围在0.5HZ时，两者的机械特性一致。

当分析结束后，所述结果显示单元3将所述分析计算单元2得出的对比结果生成对比图并在显示屏上进行显示。从所述结果显示单元3显示的图形结果可以看出 ，所述转向管柱一维单元模型的第一阶模态、第二阶模态的振形与频率与实体模型第一阶模态、第二阶模态的振形与频率的图形相互重叠，两者基本一致。

上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在本发明技术精髓的启示下，还可能做出其他变更，凡采用等同变换或者等效变换而形成的所有技术方案，均落在本发明的保护范围之内。