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技术领域

本发明属于汽车白车身结构设计领域，涉及到一种车身底板的设计和优化 方法。

背景技术

经过一百余年的发展，汽车产业已经成为影响国民经济发展的重要支柱产 业之一，它的快速发展对国家的经济起到巨大的推动作用。然而随着汽车产业 的发展，企业之间的竞争越来越激烈，车型更新换代速度不断加快，面对如此 激烈的市场竞争，汽车企业需要缩短研发周期以适应这样快节奏的市场需求。 如果能在车身概念设计阶段给出车身总体装配结构布置的最优方案，无论在缩 短研发周期节省资金投入方面，还是在增强车身结构性能方面，都将为企业带 来巨大优势。

汽车车身设计按照设计过程先后分为两个阶段，概念设计阶段与详细设计 阶段。概念设计阶段主要任务是确定车身整体结构性能，在此阶段，需要反复 核对工艺要求、成本控制、性能需求等诸多方面因素，如果此阶段的设计不能 与实际生产过程很好的匹配，那么在生产环节就会遇到诸多问题，而这些问题 终将反馈到设计阶段进行修改，这种返工会造成极大的浪费，因此，保证概念 设计阶段的设计效率无论是对汽车产业还是对汽车企业来说都是十分重要的。

在概念设计阶段，需要确定汽车的整体布置方案，一个合理的整体车身布 置方案是非常重要的，而在确定整体的布置方案之后，需要确定整体的装配方 案，一个较优的车身装配结构设计方案可以在确保结构性能的同时有效的降低 成本。

在车身装配结构设计过程中，通常有两种方法供设计者进行选择，一种是 自下而上的设计方法，一种是自上而下的设计方式。对于目前的市场而言，高 度复杂性、集成性及较快的更新速度给设计师提出了更高的要求，即在车身概 念设计阶段，能够对目标产品多项性能指标及制造装配成本等在短时间内提供 简单的评估分析。因此，自上而下的产品设计方法越来越多的为工程师所采用。

车身概念设计过程中，车身的结构性能、可装配性、可制造性是评价车身 结构设计方案的重要参数指标，在车身的整体装配结构设计方案中，部件的整 体冲压需要较大尺寸的模具，分块冲压将会在一定程度上减少模具的成本，但 这也将增加焊点和焊缝的数量，会导致工位上机器人数量的增加。

发明内容

本发明提供了一种车身底板的设计和优化方法，在保证车身整体性能参数 的同时使得企业的生产成本降到最低。

本发明需要综合考虑车身装配优化设计过程中的诸多约束，如车身的主要 结构性能指标、车身可装配性和车身可制造性。考虑车身的主要结构性能指标 体现为车身的刚度，它对汽车的NVH性能和安全性能有着极大的影响；而车身可 装配性是指各部件能以相对较低的成本和较短的时间装配成整车车身的能力， 对于一个确定的装配工艺，其可装配性的优劣主要体现为装配成本的高低；至 于车身可制造性是指根据设计方案对应的各种制造技术途径、工艺水平和实际 的制造能力，来评估制造风险和成本。面向装配的设计和面向制造的设计是在 产品设计阶段为改善产品性能和加工成本而产生的设计方法学，确保装配和制 造的简便是其根本目标，也即成本控制的一种方式。

本发明通过将车身底板装配结构模型进行预分割并转化为与之相对应的拓 扑连结关系图，然后建立与拓扑图相对应的数据结构及分割向量，以拓扑图中 的边为设计变量，以满足车身承载所需刚度、制造成本、装配成本等为设计目 标，实现车身底板装配结构的多目标优化设计，为设计者提供了一种新的实现 车身底板装配结构优化思路。该方法在车身正向设计过程中对车身刚度、装配 成本及制造成本的优化具有重要意义。

一种白车身底板的分块方式，采用的技术方案如下：

(1)选择白车身装配结构预分割位置，建立拓扑连结关系图

根据设计者已有经验及实际的工程技术和性能需求，将底板分割成若干块 子板并建立相应的拓扑连结关系图。

底板分割：以白车身底板模型所在坐标系为基准，分别在底板X方向及Y方 向选取若干个点，沿X方向和Y方向连接这些点将底板分割成若干块子板；

建立拓扑连结关系图：以分块后的子板部件为节点，以子板部件之间的连 结关系为边建立拓扑连结关系图G＝(V,E)，V＝{V₁,V₂,V₃,…,V_n}，E＝ {E₁,E₂,E₃,…,E_n}，这里{V₁,V₂,…,V_n}代表一组节点，V_n为节点编号， {E₁,E₂,…,E_n}代表一组边，边E_n为两相邻节点编号；

(2)定义数据结构及分割向量

将底板分块并建立与之相对应的拓扑连结关系图之后，对每一块子板的四 个顶点按照顺时针方向记录编号，并储存相应的点坐标数据参数，然后根据边 集定义分割向量；

定义数据结构：记录分块后子板四个顶点的坐标 V_na[x,y,z]，V_nb[x,y,z]，V_nc[x,y,z]，V_nd[x,y,z]，其中n表示节点编号为n的子板，a、b、 c、d为子板顺时针方向四个顶点编号，x、y、z为这些顶点的坐标；

定义分割向量：对拓扑图中的边进行随机地删除即是对原图的一次分割， 也即是对原模型的一次分块，分割后的每一部分拓扑图对应实际产品的一个分 块部件。这里我们定义一组由二进制变量x_i组成的对原图G的分割向量 x＝(x₁,x₂,…,x_n)，当x_i为0时表示拓扑图中的边被移除，当x_i为1时表示边留存；

(3)定义目标函数(车身整体刚度、底板可制造性、底板可装配性)的表 达式

分割向量x＝(x₁,x₂,…,x_n)所对应的车身底板性能的优劣将由车身整体刚 度、底板可制造性、底板可装配性三个目标函数进行评价；

车身刚度函数将根据车身有限元模型中预定义节点处位移的变化来计算：

F_车身刚度＝-位移(G(V,E(x)))；

底板可制造性函数将根据生产车身底板各分块部件模具面积之和来计算：

底板可装配性函数将根据车身底板装配过程中焊点数量之和来进行计算：

(4)对分块后的车身底板结构性能及装配制造成本参数进行快速非支配排 序，排序支配关系如下：

1)F_{i车身刚度}≤F_{j车身刚度}

2)F_{i底板可制造性}≤F_{j底板可制造性}

3)F_{i底板可制造性}≤F_{j底板可制造性}

当上述三个条件都满足时，第i种底板分块结构方式支配第j种底板分块结 构方式；若上述三个条件均不满足时，则第j种底板分块结构方式支配第i中底 板分块结构方式；

得到底板最优分块方式：通过遗传算法筛选分割向量所对应的底板分块方 式，当目标函数达到最优条件时获取底板分块方式的集合。通过对车身底板装 配结构进行进一步分析评价，选择出最符合设计需求的底板分块方式；

最优底板分块方式的选取根据如下：

本发明的有益效果在于：对车身底板装配结构设计和优化方法进行了研究， 基于同步优化变量建立了多目标协同优化设计过程，实现了基于工程设计中刚 度约束、可制造性约束和可装配性约束下的车身底板优化设计，为设计者提供 了一种新的设计思路，该方法在车身正向设计过程中对车身刚度、装配成本及 制造成本的优化具有重要意义。

附图说明

图1是本发明方法实施优化设计的简化后的车身有限元模型。

图2是应用本发明方法对车身底板进行选点预分割的结构示意图。

图3是分块后的车身结构图所对应的拓扑连结关系图。

图4是迭代循环中某个体有限元模型图。

图5是优化计算所得到的终代个体的三维散点分布图。

图6是终代综合评分最优个体分割示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行进一步地说明。

本发明针对实际技术水平和制造工艺进行白车身底板分割点排布，同步车 身模型所在的坐标系在X轴和Y轴方向分别选取分割点若干并将X边和Y边分割成 x段和y段，然后取分割点分别平行于Y轴和X轴建立分割线将底板分割成(x*y)块， 如图2所示；通过控制x和y的数量来控制底板预分割的块数。

将分块后的底板结构图转化为与之相对应的拓扑连结关系图，拓扑图中顶 点对应模型中的分块部件，拓扑图中的边对应模型中分块部件之间的连接关系， 然后沿X轴和Y轴正方向对拓扑图中的顶点集进行排序编号V₁,V₂…V_n…V₂₀，对拓 扑图中的边集进行排序编号E₁,E₂…E_n…E₃₁，这样就建立了与车身底板模型一 一对应的拓扑连结关系图G＝(V,E)，如图3所示。

在实际的生产制造过程中，若两部件为自然连接(即在生产过程中作为整 体进行冲压)，则拓扑图中连接两节点的边存在，若两部件之间断开(即在生 产过程中需要以焊接的方式连接)，则拓扑图中连接两节点的边不存在。这样 我们就可以构建一组以0、1为变量的数组作为拓扑图的分割向量，当变量为1时 表示对

每一组随机分割向量都对应一种车身底板结构的分块方式，我们将用车身 整体刚度、可制造性、可装配性来评价每一种车身底板结构分块方式的优劣。 车身刚度的测量将根据车身有限元模型中预定义节点处位移的变化来计算；底 板可制造性的评价将根据生产车身底板各分块部件模具面积之和进行估算，这 里我们用分块后子部件所需最小包络矩形面积来估算模具面积，所求的第n个子 部件的最小包络矩形面积Area_n＝(V_max]y]-V_min[y])*(V_max[x]-V_min[x])；底 板可装配性的评价将根据车身底板装配过程中焊点数量之和进行估算，实际生 产时焊点间距一般控制在30-50mm，这里在计算时将焊点间距设定为30mm，然后 根据需要焊接的板的边长来确定具体的焊点数量Num_n＝(V_nmax[y]- V_nmin[y])/30或Num_n＝(V_nmax[x]-V_nmin[x])/30。

对车身底板分块方式的设计是一个多目标优化问题，优化变量有分割点的 位置，边的分割段数，分块后子板的大小及形状；优化约束主要包括实际技术 水平和制造工艺，车身整体刚度性能的约束，底板装配和制造成本的约束等； 优化目标包括车身刚度性能最优，底板制造成本最低，底板装配成本最低等。 根据底板上各个分割点排布情况及相应的目标函数计算出表示车身结构性能参 数及底板制造装配成本，并将所得的结构性能和制造装配成本参数进行有效存 储。

本发明方法计算车身结构性能参数及底板制造和装配成本的目标函数可表 示为：

F_车身刚度＝max{-位移(G(V,E(x)))}

底板装配结构优化变量有分割点的位置，边的分割段数，分块后子板的大 小及形状等。本算例应用遗传算法进行计算，在遗传算法中，每一个分割向量 都对应车身底板结构的一种分块方式，也是遗传进化中的一个个体，个体的优 劣可以通过计算车身的整体刚度、底板制造成本和装配成本来进行评价。在遗 传算法初始阶段，随机生成100个二进制的分割向量，这100个分割向量对应为 车身底板结构的100种分块方式，也即遗传算法初始的父代种群数量为100。接 下来对父代个体进行遗传算法中交叉和变异操作生成子代种群，这里我们设定 交叉的概率为90％，变异的概率为10％。首先随机选取父代中90％的个体二等分为 A、B两组，对A、B两组个体进行随机配对，在配对的两个染色体上随机选取一 段基因(如|0,1,1,0,1|)进行对换操作，再从配对的个体中随机选取10％个体 在对换的基因中随机选取一个基因进行变异操作(即将随机变量0变成1，或者 将随机变量1变成0)，这样生成的两组新的染色体将和未参与分组的10％的个体 组成子代种群。将父代与子代种群混合在一个交配库中，对每个个体的适应度 进行求解(即S(刚度)、M(可制造性)、A(可装配性))，依照这三种适应 度对种群中所有个体进行排序，然后选择群体中适应度较优的100个个体作为下 一个父代种群进行遗传进化。本发明方法采用精英策略的快速非支配排序，有 效地降低了复杂度,提高了优化设计效率。

本发明方法非支配排序支配关系如式：

1)F_{i车身刚度}≤F_{j车身刚度}

2)F_{i底板可制造性}≤F_{j底板可制造性}

3)F_{i底板可制造性}≤F_{j底板可制造性}

当上述三个条件都满足时，第i种底板分块结构方式支配第j种底板分块结 构方式；若上述三个条件均不满足时，则第j种底板分块结构方式支配第i中底 板分块结构方式；

通过底板分割控制点及遗传算法对车身结构性能参数及底板制造装配参数 求解，当目标函数达到最优条件时获取底板分块方式的集合。通过对车身底板 装配结构进行进一步分析评价，选择出最符合设计需求的底板分块方式；

最优底板分块方式的选取根据如下：

在发明算例中，以某款现有车型为例，首先导入该车简化后的车身有限元 模型，并进行相关的结构和尺寸分析，可得到底板相应的设计参数，然后通过 本发明方法对底板进行预分割及装配结构的优化计算并得到了终代最优群体， 图5为终代个体三维散点分布图，对所得数据进行去单位化处理得到终代个体的 综合评分。然后根据不同的优化目标在终代个体中选出四个具有代表性的个体 如表1所示。

表1终代具有代表性个体评分结果

终代最优个体一：该个体是应用本优化方法计算所得的可装配性最优个体， 即此个体的焊点数量最少，装配成本最低，这也意味着制造该个体需要较大的 模具，这将导致其制造成本较高，该个体刚度性能表现适中。

终代最优个体二：该个体是应用本优化方法计算所得的可制造性最优个体， 即冲压此个体所需的模具面积最小，制造成本最低，那么此个体在各个潜在接 头位置都是断开的，所有部件之间都以焊接方式连接，这导致装配所需成本非 常高，而整体刚度也较低，该个体的综合评分在四个个体中最低。

终代最优个体三：该个体是应用本优化方法计算所得的刚度最优个体，即 此个体的车身结构性能最优，它的装配成本不高，这导致其制造成本偏高。

终代最优个体四：该个体是应用本优化方法计算所得的综合最优个体，此 个体并没有在某一优化目标方面优于其他个体，而是其综合评分较高，总体的 表现较好，我们认为其是白车身底板结构的一种最优分块方式。该个体的装配 结构示意图如图6所示。

通过以上算例研究，我们得到了一种优化后的白车身底板的分块方式，此 种分块方式是在满足车身结构性能约束、可制造性约束、可装配性约束的前提 下，权衡车身刚度、制造成本、装配成本三个优化目标后得到的最终结果。该 结果为设计者提供了一种选用方案以满足多样化的设计需求。

白车身底板装配结构的设计与优化在车身概念设计过程中具有重要意义， 它直接影响着研发设计周期。概念设计阶段的设计方案需要权衡工艺要求、成 本控制、结构性能等诸多因素，在保证车身承载所需结构性能的同时，最大限 度地降低整车设计方案的装配成本与制造成本。本发明在车身概念设计阶段为 设计者提供了一种新的设计思路，实现了白车身底板装配结构的优化设计，该 方法在车身正向设计过程中对车身刚度、装配成本及制造成本的优化具有重要 意义。