一种汽车顶盖设计方法及汽车顶盖结构

摘要

本发明公开了一种汽车顶盖设计方法及汽车顶盖结构。该汽车顶盖设计方法，包括确定待设计顶盖结构的性能要求，以及与所述性能相关的载荷工况；创建不包括加强筋和加强件的所述顶盖的初始有限元模型；根据所述性能要求和所述载荷工况设置形貌优化的约束条件和优化目标，对所述初始有限元模型进行形貌优化、拓扑优化；确定加强筋和加强件的形状、位置，并优化所述顶盖结构；再进行厚度优化，确定所述顶盖结构最终设计方案，通过一轮优化就可以得到最优的结构设计，极大的提高了设计效率，节约了时间和成本，解决目前顶盖结构设计中依赖设计工程师经验、设计盲目性导致结构设计不合理、效率低下等问题，可以更高效的设计出性能更优的顶盖结构。

说明书

技术领域

本发明涉及汽车设计技术领域，具体涉及一种汽车顶盖设计方法及汽车顶盖结构。

背景技术

汽车顶盖结构尺寸较大，整体结构由金属钣金件冲压成型，顶盖设计不合理容易导致结构刚度不足、模态较低，从而导致引起噪声问题、开裂问题等等。

目前对于汽车顶盖结构的设计主要基于工程师的经验和参考现有车型结构，具体如下：

(1)参考市面上已有的车型或者竞品车的结构设计。由于不同整车厂针对不同定位的车辆会有不同的设计定位，因此参考现有车型设计存在结构不匹配的问题，不能完全契合当前开发车辆的实际需求。参考其他车型的设计运用到当前开发车型中，可能效果不理想，并非适合当前车型的最新设计。

(2)通过设计工程师的经验，在顶盖上布置加强梁和加强筋等结构。该方法比较依赖设计工程师的工程经验，容易出现不足设计或过设计等问题。不足设计即顶盖结构不能满足性能要求，出现噪音、开裂等问题；过设计即性能远满足要求，但增加了设计、生产成本，产品不具备价格竞争优势。

另外，现有设计方案的流程为：设计工程师设计方案，仿真工程师验证，根据验证结果提出改进建议，再设计、再验证，通常需要两到三轮才能得到最终设计。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种汽车顶盖设计方法及汽车顶盖结构，极大的提高了设计效率，节约了时间和成本。

为了解决上述技术问题，本发明提供一种汽车顶盖设计方法，包括如下步骤：

步骤一：确定待设计顶盖结构的性能要求，以及与所述性能相关的载荷工况，其中，所述性能包括一阶模态频率、二阶模态频率、扭转刚度和重量，所述载荷工况包括所述顶盖的扭转刚度载荷工况和模态频率载荷工况；

步骤二：创建不包括加强筋和加强件的所述顶盖的初始有限元模型，其中，所述加强件为从所述顶盖主体上增加材料形成的加强结构；

步骤三：根据所述性能要求和所述载荷工况设置形貌优化的约束条件和优化目标，对所述初始有限元模型进行形貌优化；

步骤四：根据所述性能要求和所述载荷工况设置拓扑优化的约束条件和优化目标，对所述初始有限元模型进行拓扑优化；

步骤五：结合步骤三的形貌优化结果和步骤四的拓扑优化结果，确定加强筋和加强件的形状、位置，并优化所述顶盖结构；

步骤六：根据所述性能要求和所述载荷工况设置厚度优化的约束条件和目标，对步骤五得到的所述顶盖优化结构进行厚度优化，确定所述顶盖结构最终设计方案。

在上述汽车顶盖设计方法中，为提高优化计算效率，单独对顶盖结构模型进行设计、计算、优化，通过厚度优化、形貌优化和拓扑优化等技术手段，针对顶盖结构的一阶模态、二阶模态、刚度、重量等性能进行优化，优化后对结果进行解析和结构设计，该优化方法效率高，一轮优化就可以得到最优的结构设计，极大的提高了设计效率，节约了时间和成本，解决目前顶盖结构设计中依赖设计工程师经验、设计盲目性导致结构设计不合理、效率低下等问题，可以更高效的设计出性能更优的顶盖结构。

另外，通过明确顶盖结构的性能要求，创建只包括钣金件主体的顶盖有限元模型，加强件和加强筋通过后续优化结构进行设计，对顶盖进行全新设计，使设计结果更加符合对车型性能定义；通过形貌优化主要得到加强筋的最佳位置，同时也可以指导加强件的布置，通过拓扑优化得到加强筋、加强件的形状和位置，两种优化方法同步进行，然后综合考虑二者的结果进行顶盖结构设计，使设计出来的结构性能更优。

作为本发明汽车顶盖设计方法的改进，所述步骤二包括：

根据商品定义和车辆造型创建所述顶盖的初始几何模型，其中，所述初始几何模型不包括加强筋和加强件；

将所述初始几何模型离散化得到初始有限元模型。

先据车型的尺寸、造型定义来直接创建顶盖模型，只建立顶盖钣金件模型，无需通过拓扑优化先寻找传力路径，再在设计空间获得结构，节省时间提高效率，而且创建的初始几何模型贴近实际，简化后续优化分析工作量。

进一步的，在所述步骤二之后还包括：根据所述性能要求和所述载荷工况，对所述初始有限元模型进行初始性能验证；

所述步骤五包括：结合所述初始性能验证结果、结合所述步骤三的形貌优化结果和所述步骤四的拓扑优化结果，确定加强筋和加强件的形状、位置，并优化所述顶盖结构。

更进一步的，所述初始性能验证结果、所述形貌优化结果和所述拓扑优化结果均分别包括：模态振型、模态应变能和扭转刚度应变能。

先利用有限元软件对初始有限元模型进行分析，若合格则可以结束设计，一般不会合格，将初始性能验证分析的结构也作为最终结构设计的考虑范围内，以此提高最终设计结果的可靠性。

作为本发明汽车顶盖设计方法的另一种改进，所述模态频率载荷工况包括：在所述顶盖的一周最外侧的所有节点上施加六自由度全约束。

模态频率是物体的一种固有属性，用于描述物体的振动特性，这里取前两阶作性能要求，使车身具有合理的动态性能，达到控制振动与噪声的目的，扭转刚度能够保证顶盖的强度和刚度，满足顶盖装配和使用要求，重量性能要求优化用料量，节省成本。载荷工况主要是涉及全局性、整体性结构布置的载荷，采用：全局性的刚度载荷和模态频率。

作为本发明汽车顶盖设计方法的又一种改进，所述扭转刚度载荷工况包括：

在所述顶盖的前端取左右对称的一左前区域和一右前区域，并将所述左前区域和所述右前区域内的所有节点施加全约束；优选的，所述左前区域为4～6平方毫米的方形区域；

在所述顶盖的左后安装孔和右后安装孔分别加载相同大小的Z向载荷，并在两加载点用rbe2刚性单元连接，在两加载点的中点位置施加约束12356，其中，所述约束12356为限制X、Y、Z方向平动自由度和Y、Z方向转动自由度。

主节点也叫独立节点，从自由度的分配关系上讲，从节点的自由度依赖于主节点的自由度，在rbe2中，主节点的自由度默认包含平动和转动的6个自由度。rbe2是多个节点之间的刚性约束，包含一个主节点(默认包含6个自由度)和多个从节点(可选定自由度)。对于rbe2可以简单理解为将多个节点刚性焊接到另一个节点上，焊接部分的刚度是无穷大的。一旦建立了rbe2，各个从节点之间将不存在相对位移，节点之间的单元不存在变形。整体上提高了结构的刚度水平。

进一步的，所述扭转刚度通过所述Z向载荷的大小、所述Z向载荷的两个加载点之间的距离和所述Z向载荷的各加载点Z向位移计算得到，具体计算公式见下：

其中，T为扭转刚度，单位N·mm/deg，F为所述Z向载荷的大小，d为所述Z向载荷的两个加载点之间的距离，d1、d2分别为所述Z向载荷的各加载点Z向位移。

作为本发明汽车顶盖设计方法的再一种改进，在步骤三中，所述形貌优化具体包括：

A1针对所述一阶模态频率的优化

约束条件：结构左右对称，

优化目标：所述一阶模态频率最大化，

优化设置：起筋最小宽度20mm、起筋角度60°、起筋高度10mm；

A2针对所述扭转刚度的优化

约束条件：结构左右对称，

优化目标：所述扭转刚度最大化，

优化设置：起筋最小宽度20mm、起筋角度60°、起筋高度10mm。

进一步的，在步骤四中，所述拓扑优化包括：

B1针对所述一阶模态频率的优化

约束条件：体积分数小于0.2、结构左右对称，

优化目标：所述一阶模态频率最大化，

优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm；

B2针对所述扭转刚度的优化

约束条件：体积分数小于0.2、结构左右对称、脱模方向约束，

优化目标：所述扭转刚度最大化，

优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm，

其中，所述脱模方向约束包括：横向拔模约束、纵向拔模约束和无拔模方向约束。

进一步的，在步骤六中，所述厚度优化包括：

约束条件：所述一阶模态频率目标值、所述二阶模态频率目标值、所述扭转刚度目标值，

优化目标：所述质量最小，

优化变量：各零件厚度。

为了解决上述技术问题，本发明一种利用上述汽车顶盖设计方法设计的汽车顶盖结构，包括顶盖主体，所述顶盖主体的底部间隔设置有第一横向加强梁和第二横向加强梁，在所述顶盖主体的纵向方向上，所述第一横向加强梁与所述顶盖主体前端的距离为所述顶盖主体长度的六分之一，且所述第二横向加强梁与所述顶盖主体前端的距离为所述顶盖主体长度的三分之二，所述顶盖主体的横向两侧边缘均设置有向上突起的第一加强筋，所述第一加强筋沿纵向从所述顶盖主体的前端延伸到后端，所述顶盖主体在所述第二横向加强梁和后端边缘之间设置有四个向上突起的第二加强筋，所述第二加强筋沿纵向布置且相互间隔，所述顶盖主体的后端中间设置有方形的加强支架，所述加强支架的前端设置有两个斜支撑，两个所述斜支撑的另一端与所述第二横向加强梁固定连接，形成三角结构。

横向就是车辆左右方向，纵向就是前后方向。

在上述汽车顶盖中，利用上述汽车顶盖设计方法，基于有限元仿真分析及优化技术，通过厚度优化、形貌优化和拓扑优化等技术手段，针对顶盖结构的一阶模态、二阶模态、刚度、重量等性能进行优化。优化后对结果进行解析和结构设计，得到一个全新的顶盖结构设计，能够节约设计时间和成本，同时设计出来的结构具有更优的刚度和NVH性能，能够提升产品的品质和市场竞争力。

具体结构包括顶盖下方布置有两个横向加强梁，分别布置于离前端约1/6和2/3处；顶盖下方后部的中间位置布置有一个方形的加强结构，该加强结构连接两个斜向的支撑件，斜支撑前端连接第二横梁，形成稳定的三角结构；顶盖两边边缘布置向上凸起的加强筋，离后端1/3的的区域布置有4个向上凸起的加强筋。

综上所述，采用上述汽车顶盖设计方法及汽车顶盖结构，一轮优化就可以得到最优的结构设计，极大的提高了设计效率，节约了时间和成本，解决目前顶盖结构设计中依赖设计工程师经验、设计盲目性导致结构设计不合理、效率低下等问题，可以更高效的设计出性能更优的顶盖结构。

附图说明

在附图中：

图1为本发明汽车顶盖设计方法的流程图。

图2为本发明汽车顶盖设计方法的顶盖模型图。

图3为本发明汽车顶盖设计方法的初始性能结果示意图。

图4为本发明汽车顶盖设计方法的针对一阶模态频率的形貌优化结果。

图5为本发明汽车顶盖设计方法的针对扭转刚度的形貌优化结果。

图6为本发明汽车顶盖设计方法的针对一阶模态频率的拓扑优化结果。

图7为本发明汽车顶盖设计方法的针对扭转刚度的拓扑优化结果。

图8为本发明汽车顶盖设计方法的针对扭转刚度的拓扑优化结果(纵向拔模)。

图9为本发明汽车顶盖设计方法的针对扭转刚度的拓扑优化结果(横向拔模)。

图10为对图5的解析。

图11为对图6的解析。

图12为对图7的解析。

图13为对图8的解析。

图14为对图9的解析。

图15为本发明汽车顶盖结构反方向放置的结构图。

图中，1、顶盖主体；21、第一横向加强梁；22、第二横向加强梁；31、第一加强筋；32、第二加强筋；4、加强支架；5、斜支撑。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。在此需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

实施例1

图1示出了本发明一种汽车顶盖设计方法。如图1所示，以下是通过该优化设计方法设计出的一种新型汽车顶盖结构，具体步骤如下：

步骤S01：明确顶盖结构的性能要求。

主要性能包括一阶模态频率、二阶模态频率、扭转刚度、重量，各性能的具体目标值由各整车设计企业根据车型性能定义来确定。模态频率是物体的一种固有属性，用于描述物体的振动特性，这里取前两阶作性能要求。

要求一阶模态频率大于55Hz，二阶模态频率大于60Hz，扭转刚度大于27000Nmm/Deg。

步骤S02：创建顶盖的几何模型。

采用三维建模软件，依据车型的尺寸、造型定义来创建顶盖模型，只建立顶盖钣金件，加强件和加强筋通过后续优化结构进行设计。

顶盖模型如图2，该顶盖结构基于车型尺寸和造型创建，不包括内部加强结构等。

步骤S03：创建有限元模型。

通过有限元软件将几何模型离散化形成有限元模型，用于后续的仿真和优化，模型网格大小10mm。

步骤S04；初始性能验证。

利用有限元软件optistruct计算初始状态下的模态、扭转刚度性能，为提高优化计算效率，单独对顶盖结构模型进行计算、优化，具体加载方式如下：

约束模态：约束区域为顶盖周边最外侧一排节点，X、Y、Z三个方向的平动和转动自由度全约束。

扭转刚度：在顶盖的前端取左右对称的6平方毫米的一左前区域和一右前区域，并将左前、右前区域内节点全约束；左后、右后安装孔(washer尺寸6mm)分别加载Z向力F＝±50N的载荷；两加载点用rbe2刚性单元连接，中点位置(Y坐标＝0)约束12356(即X、Y、Z方向平动自由度和Y、Z方向转动自由度)，如图2所示，

扭转刚度计算方法：

T＝(F×d/θ)×π/180，其中θ＝(d1+d2)/d，π取3.14，F为载荷大小，d为两个加载点之间的距离，d1、d2分别为加载点的Z向位移。扭转刚度单位为N·mm/deg。

步骤S05：结果输出。

计算结束后，通过后处理软件读取计算的结果文件，输出顶盖结构的一阶模态频率、二阶模态频率、扭转刚度、应变能云图、重量。

初始验证的结果云图如下图3所示，性能结果数据如表1所示。

表1顶盖结构初始性能

步骤S06：形貌优化。

(a)针对一阶模态频率的形貌优化

优化目标：一阶模态频率最大化；优化设置：起筋最小宽度20mm、起筋角度60°、起筋高度10mm，设置对称约束(顶盖结构左右对称)，结果如图4所示。

(b)针对扭转刚度的形貌优化

优化目标：扭转刚度最大；优化设置：起筋最小宽度20mm、角度60°、高度10mm，设置对称约束(顶盖结构左右对称)，结果如图5所示。

步骤S07：拓扑优化。

拓扑优化是一种根据给定的负载情况、约束条件和性能指标，在给定的区域内对材料分布进行优化的数学方法，是结构优化的一种。

本发明对性该结构进行拓扑优化，首先在顶盖表面结构向下生成2-3层实体单元，实体单元与顶盖壳单元节点耦合处理，将生成的实体单元作为拓扑优化设计区域。分别针对一阶模态频率和扭转刚度进行拓扑优化，具体要求如下：

(a)针对一阶模态频率的拓扑优化

优化目标：一阶模态频率最大化；约束条件：体积分数小于0.2；优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm，设置对称约束(车体宽度方向对称)，结果如图6所示。

(b)针对扭转刚度的拓扑优化，需要做三种优化

i)优化目标：扭转刚度最大化；约束条件：体积分数小于0.2；优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm，设置对称约束(车体宽度方向对称)，结果如图7所示，无拔模约束；

ii)优化目标：扭转刚度最大化；约束条件：体积分数小于0.2；优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm，设置对称约束(车体宽度方向对称)，设置横向拔模约束(为了体现横向加强筋和加强横梁的布置)，结果如图8所示；

iii)优化目标：扭转刚度最大化；约束条件：体积分数小于0.2；优化设置：优化最小尺寸30mm，最大尺寸60mm，设置对称约束(车体宽度方向对称)，设置纵向拔模约束(为了体现纵向加强筋的布置)，结果如图9所示。

步骤S08：结果解析、结构设计。

结合初始分析的模态应变能分布、扭转刚度应变能分布、形貌优化、拓扑优化结果，根据制造工艺要求在上述结果的传力路径处增加相应的加强件和加强筋。

如图10所示为针对扭转刚度的形貌优化结果的解析；

如图11所示为针对一阶模态频率的拓扑优化结果的解析；

如图12所示为针对扭转刚度的拓扑优化结果的解析；

如图13所示为针对扭转刚度的拓扑优化结果(纵向拔模)的解析；

如图14所示为针对扭转刚度的拓扑优化结果(横向拔模)的解析；

步骤S09：厚度优化。

根据优化结果完成结构设计后，对顶盖、加强件等各零件厚度进行厚度优化。

优化目标：质量最小；约束条件：一阶模态频率、二阶模态频率、扭转刚度满足目标要求；优化变量：各零件厚度。

顶盖的原始厚度为0.7mm，厚度优化后顶盖厚度为0.6mm。

步骤S10：确定最终设计方案。厚度优化完成后即可完成满足性能要求的轻量化顶盖结构方案。

优化设计方案的性能如表2所示，通过本优化设计方法得到的设计方案在结构性能上有很大提升，能够满足目标要求，同时重量只增加了0.62kg。

表2优化设计方案的性能

如图15所示，本发明一种利用上述汽车顶盖设计方法设计的汽车顶盖结构，包括顶盖主体1，顶盖主体1的底部间隔设置有第一横向加强梁21和第二横向加强梁22，在顶盖主体1的纵向方向上，第一横向加强梁21与顶盖主体1前端的距离为顶盖主体1长度的六分之一，且第二横向加强梁22与顶盖主体1前端的距离为顶盖主体1长度的三分之二，顶盖主体1的横向两侧边缘均设置有向上突起的第一加强筋31，第一加强筋31沿纵向从顶盖主体1的前端延伸到后端，顶盖主体1在第二横向加强梁22和后端边缘之间设置有四个向上突起的第二加强筋32，第二加强筋32沿纵向布置且相互间隔，顶盖主体1的后端中间设置有方形的加强支架4，加强支架4的前端设置有两个斜支撑5，两个斜支撑5的另一端与第二横向加强梁22固定连接，形成三角结构。

横向就是车辆左右方向，纵向就是前后方向。

在上述汽车顶盖结构中，利用上述汽车顶盖设计方法，基于有限元仿真分析及优化技术，通过厚度优化、形貌优化和拓扑优化等技术手段，针对顶盖结构的一阶模态、二阶模态、刚度、重量等性能进行优化。优化后对结果进行解析和结构设计，得到一个全新的顶盖结构设计，能够节约设计时间和成本，同时设计出来的结构具有更优的刚度和NVH性能，能够提升产品的品质和市场竞争力。

具体结构包括顶盖下方布置有两个横向加强梁，分别布置于离前端约1/6和2/3处；顶盖下方后部的中间位置布置有一个方形的加强结构，该加强结构连接两个斜向的支撑件，斜支撑前端连接第二横梁，形成稳定的三角结构；顶盖两边边缘布置向上凸起的加强筋，离后端1/3的的区域布置有4个向上凸起的加强筋。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。