一种智能小巴顶盖的拓扑优化方法、顶盖及智能小巴与流程

1.本发明涉及汽车车身设计技术领域，尤其涉及一种智能小巴顶盖的拓扑优化方法、顶盖及智能小巴。


背景技术：

2.智能小巴主要是指搭载无人驾驶技术的电动小巴，其工作区域较为固定，一般为特定园区或特定道路，智能小巴的行驶路况良好，且速度一般不会太快，因此对智能小巴的整体刚度及强度要求相对较低，但要求智能小巴足够轻量化，以提升其续航里程及载客能力。


技术实现要素：

3.本发明的一个目的在于提供一种智能小巴顶盖的拓扑优化方法，在保证车身整体刚度和强度不下降的情况下，提高智能小巴的续航里程及载客能力。
4.为实现上述目的，提供以下技术方案：
5.提供一种智能小巴顶盖的拓扑优化方法，包括如下步骤：
6.s1、建立智能小巴的车身骨架的有限元模型；
7.s2、将车身骨架中的顶盖选取为设计区域；
8.s3、将工况载荷定义到车身骨架的有限元模型的边界上；
9.s4、根据定义工况载荷后的车身骨架的有限元模型，建立拓扑优化分析模型；
10.s5、对拓扑优化分析模型进行求解；
11.s6、根据拓扑优化分析模型的求解结果确定顶盖上的最优载荷传递路径；
12.s7、将确定的顶盖上的最优载荷传递路径作为顶盖结构的设计依据。
13.可选地，在步骤s7之后，还包括如下步骤：
14.s8、对智能小巴的车身骨架进行性能验证，若不满足验证条件，则跳转至s3。
15.可选地，步骤s1中，基础网格采用四边形网格，车身骨架中的各型材连接处采用节点对节点的处理方式。
16.可选地，步骤s2中，顶盖的有限元模型为六面体。
17.可选地，步骤s4中，将车身骨架的整体扭转刚度作为约束变量，将车身骨架的重量作为优化目标。
18.可选地，步骤s6中，根据密度结果等值域图，来确定顶盖上的最优载荷传递路径。
19.可选地，步骤s8中，性能验证包括模态分析、车身骨架的扭转刚度分析、车身骨架的弯曲刚度分析和车身骨架的疲劳强度验证。
20.可选地，车身骨架的扭转刚度的计算公式为：
21.其中，k为车身骨架的扭转刚度，t为施加在车身骨架上的扭
矩，d1为左侧悬置处的位移，d2为右侧悬置处的位移，l为左侧悬置处和右侧悬置处的距离。
22.本发明的另一个目的在于提供一种顶盖，在整体刚度和强度不下降的情况下，提高智能小巴的续航里程及载客能力。
23.为实现上述目的，提供以下技术方案：
24.提供一种顶盖，采用如上所述的智能小巴顶盖的拓扑优化方法得到，所述顶盖包括第一横梁、第二横梁、第三横梁、第一立梁、第二立梁、第一长斜撑、第二长斜撑、第一短斜撑和第二短斜撑；
25.所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁依次间隔设置，所述第一立梁连接于所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁的一端，所述第二立梁连接于所述第一横梁、所述第二横梁和所述第三横梁的另一端；
26.所述第一长斜撑的一端连接于所述第一横梁的一端，所述第一长斜撑的另一端连接于所述第二横梁的中部，所述第二长斜撑的一端连接于所述第一横梁的另一端，所述第二长斜撑的另一端连接于所述第二横梁的中部；
27.所述第一短斜撑的一端和所述第二短斜撑的一端分别连接于所述第三横梁的三分之一和三分之二位置处，所述第一短斜撑的另一端和所述第二短斜撑的另一端分别连接于所述第二横梁的中部。
28.本发明的再一个目的在于提供一种智能小巴，在整体刚度和强度不下降的情况下，保证其续航里程及载客能力。
29.为实现上述目的，提供以下技术方案：
30.提供一种智能小巴，包括如上所述的顶盖。
31.本发明的有益效果为：
32.本发明提供的智能小巴顶盖的拓扑优化方法、顶盖及智能小巴中，通过建立智能小巴的车身骨架的有限元模型，将顶盖作为设计区域，将车身骨架的整体刚度值作为约束变量，车身骨架的质量最小化作为优化目标，完成智能小巴车身骨架拓扑优化，对拓扑优化分析模型的求解结果确定顶盖上的最优载荷传递路径，以此作为顶盖结构的设计依据，从而实现在保证车身整体刚度和强度不下降的情况下，提高智能小巴的续航里程及载客能力。
附图说明
33.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对本发明实施例描述中所需要使用的附图作简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据本发明实施例的内容和这些附图获得其他的附图。
34.图1为本发明实施例提供的智能小巴顶盖的拓扑优化方法的流程图；
35.图2为本发明实施例提供的智能小巴的顶盖(拓扑优化后)的结构示意图；
36.图3为本发明实施例提供的智能小巴的车身骨架(拓扑优化后)的结构示意图。
37.附图标记：
38.001、第一立梁；002、第二立梁；003、第三横梁；004、第二横梁；005、第一横梁；006、第一长斜撑；007、第二长斜撑；008、第一短斜撑；009、第二短斜撑；
39.021、第一型材；022、第二型材；023、第三型材；024、第四型材；025、第五型材；026、第六型材。
具体实施方式
40.为使本发明解决的技术问题、采用的技术方案和达到的技术效果更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例的技术方案作进一步地详细描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
41.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。其中，术语“第一位置”和“第二位置”为两个不同的位置。
42.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
43.本实施例提供一种智能小巴顶盖的拓扑优化方法，根据此方法来设计智能小巴的顶盖结构，在不降低车身刚度及强度的前提下，有效降低顶盖的重量，从而提高智能小巴的续航里程及载客能力。
44.具体地，如图1所示，本实施例的智能小巴顶盖的拓扑优化方法包括如下步骤：
45.s1、建立智能小巴的车身骨架的有限元模型。
46.具体地，车身骨架包括地板、前围、后围、侧围和顶盖。前围连接于地板的前端。后围连接于地板的后端。侧围设置于地板的侧部。侧围的下端与地板连接。侧围的前端与前围连接。侧围的后端与后围连接。前围和后围分别从前后两端支撑顶盖。
47.划分网格时，基础网格可采用四边形网格。四边形网格具体可为6mm
‑
10mm，保证划分精度。示例性地，四边形网格为8mm。车身骨架中的各型材连接处采用节点对节点的处理方式，提高模拟精度。螺栓孔按照螺栓压紧位置进行washer(垫圈)处理。
48.s2、将车身骨架中的顶盖选取为设计区域。
49.顶盖为设计区域，即进行拓扑优化的区域。前围、后围、地板及侧围为非设计区域。示例性地，顶盖的有限元模型为六面体，形成拓扑优化的有限元模型。具体地，顶盖的有限元模型为板状的六面体。
50.s3、将工况载荷定义到车身骨架的有限元模型的边界上。
51.s4、根据定义工况载荷后的车身骨架的有限元模型，建立拓扑优化分析模型。
52.将车身骨架的整体扭转刚度作为约束变量，将车身骨架的重量作为优化目标。
53.s5、对拓扑优化分析模型进行求解。
54.将车身骨架的整体扭转刚度作为约束变量，即拓扑优化后的车身骨架的整体刚度
值不能低于目标值。该目标值可根据智能小巴的实际工况定义。
55.将车身骨架的重量作为优化目标，寻求质量的最小化，即在满足车身骨架的整体刚度性能不下降的前提下，求解质量最小值。
56.s6、根据拓扑优化分析模型的求解结果确定顶盖上的最优载荷传递路径。
57.根据密度结果等值域图，来确定顶盖上的最优载荷传递路径。设置为0.2，结果以iges的格式输出。
58.s7、将确定的顶盖上的最优载荷传递路径作为顶盖结构的设计依据。
59.依据密度结果等值域图输出的几何数据，重新进行顶盖的结构设计，设计出的顶盖结构即为按照载荷传递路径的最优传递路线。
60.s8、对智能小巴的车身骨架进行性能验证，若不满足验证条件，则跳转至s3。
61.其中，性能验证包括模态分析、车身骨架的扭转刚度分析、车身骨架的弯曲刚度分析和车身骨架的疲劳强度验证。其中，模态为自由模态。车身骨架的扭转刚度的计算公式为：
62.其中，k为车身骨架的扭转刚度，t为施加在车身骨架上的扭矩，d1为左侧悬置处的位移，d2为右侧悬置处的位移，l为左侧悬置处和右侧悬置处的距离。疲劳强度验证采用实际路谱经载荷迭代处理后的载荷作为输入。
63.经模态分析、扭转刚度分析、弯曲刚度分析以及疲劳强度验证后，如果满足验证条件，锁定顶盖的结构方案，如不满足验证条件，则跳转至s3，对顶盖结构进行再次优化，直到满足所有验证条件。
64.本实施例通过建立智能小巴的车身骨架的有限元模型，将顶盖作为设计区域，将车身骨架的整体刚度值作为约束变量，车身骨架的质量最小化作为优化目标，完成智能小巴车身骨架拓扑优化，对拓扑优化分析模型的求解结果确定顶盖上的最优载荷传递路径，以此作为顶盖结构的设计依据，从而实现在保证车身整体刚度和强度不下降的情况下，提高智能小巴的续航里程及载客能力。
65.本实施例还提供一种顶盖，该顶盖的结构基于上述的智能小巴顶盖的拓扑优化方法得到。如图2和图3所示，具体地，该顶盖包括第一横梁005、第二横梁004、第三横梁003、第一立梁001、第二立梁002、第一长斜撑006、第二长斜撑007、第一短斜撑008和第二短斜撑009。第一横梁005、第二横梁004和第三横梁003依次间隔设置，第一立梁001连接于第一横梁005、第二横梁004和第三横梁003的一端，第二立梁002连接于第一横梁005、第二横梁004和第三横梁003的另一端。第一横梁005、第二横梁004、第三横梁003、第一立梁001和第二立梁002，围成两个矩形框。第一长斜撑006和第二长斜撑007连接于一矩形框中，第一短斜撑008和第二短斜撑009连接于另一矩形框中。具体为，第一长斜撑006的一端连接于第一横梁005的一端，第一长斜撑006的另一端连接于第二横梁004的中部，第二长斜撑007的一端连接于第一横梁005的另一端，第二长斜撑007的另一端连接于第二横梁004的中部。第一短斜撑008的一端和第二短斜撑009的一端分别连接于第三横梁003的三分之一和三分之二位置处，第一短斜撑008的另一端和第二短斜撑009的另一端分别连接于第二横梁004的中部。
66.可选地，横梁、立梁及斜撑之间通过焊接连接。横梁、立梁及斜撑均采用型材制成。
第一长斜撑006与第一立梁001之间保持焊接工艺距离。第二长斜撑007与第二立梁002之间保持焊接工艺距离。
67.第一立梁001通过第一型材021、第二型材022和第三型材023与前围连接。第二立梁002通过第四型材024、第五型材025和第六型材026与后围连接。
68.本实施例还提供一种智能小巴，包括上述的顶盖。顶盖作为该智能小巴的车身骨架的一部分。该智能小巴的车身骨架还包括地板、前围、后围和侧围。前围连接于地板的前端。后围连接于地板的后端。侧围设置于地板的侧部。侧围的下端与地板连接。侧围的前端与前围连接。侧围的后端与后围连接。前围和后围分别从前后两端支撑顶盖。车身骨架外还安装有覆盖件，以形成智能小巴的外壳。
69.注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。