[发明专利]基于模块化产品族平台的白车身模块设计方法

摘要

本发明属于汽车白车身结构设计领域，涉及到一种基于模块化产品族平台的白车身模块设计方法。本发明在白车身的概念设计阶段，综合考虑车身性能和成本的前提下，引入提高产品族内零部件共享度的模块化思想，通过对结构装配模型所对应的拓扑图中的编码进行保征寻优，结合遗传算法进行多层次多目标优化，实现了产品族内同级别车型乃至跨级别车型之间的模块共享，在保证车身性能的前提下提高了零部件的通用度，大大减少了各方面成本。本发明为设计者提供了一种在车身概念设计阶段就考虑实现零部件共享的基于模块化思想的车身装配设计思路，实现了对整个产品族的车身装配优化设计，该方法对车身逆向改进和正向设计的过程中均有较为重要的现实意义。

主权项

一种基于模块化产品族平台的白车身模块设计方法，其特征在于，步骤如下：(1)建立单个车型的优化模型：以白车身模型所在坐标系为基准，分别在X方向和Y方向以及Y方向和Z方向取若干点，并依照这些点将白车身分块，即分为若干子板和子梁；以分块后的子部件为节点，子部件之间连接关系为边，建立拓扑关系G＝(V，E)，其中V＝{V1，V2，...，Vp，...，VP}，E＝{E1，E2，...，Eq，...，EQ}；式中，{V1，V2，...，Vp，...，VP}代表一组节点，共有P个节点，p为节点编号，{E1，E2，...，Eq，...，EQ}代表一组边，共有Q条边，q为边的编号；定义一组由二进制变量γq组成的对原图G的分割向量γ＝{γ1，γ2，...，γq，...，γQ}：当γq为0时表示拓扑关系中的边Eq被移除，为1时表示该边保留，则分割向量γ用来表达一种装配方式；以γ为设计变量，车身刚度、制造成本、装配成本为优化目标进行优化，目标函数分别为：F车身刚度＝位移(G(V，E(γ)))式中车身刚度函数F车身刚度用拓扑图G(V，E(γ))对应结构的有限元模型计算结果的最大位移来衡量：位移越大即结构变形越大，则刚度越小；Comp(k，G(V，E(γ)))代表整车结构按照G(V，E(γ))划分后模型中的第k个子部件；模具面积越小，代表该子部件的制造成本F制造成本越低，焊点数量越少，代表结构的装配成本F装配成本越低；则优化模型对应为：优化模型为多目标优化问题，优化自变量为一个由0和1组成的二进制向量，使用遗传算法进行优化计算，迭代种群和迭代代数需经过几次试算后根据收敛情况确定；设定子代对父代的替换率为50％，交叉概率90％，变异概率10％，并以种群平均适应度函数变化率不超过3％为收敛条件；通过优化，得到单个车型的最佳装配方式；(2)在单个车型优化模型的基础上进行保征寻优，实现在产品族内同时考虑多款车型的装配设计：对每个单车车型都进行装配结构的优化，并对优化结果进行比对；扩大单个车型优化模型中的种群规模，进以保证不同车型在进行并行优化时每代种群中均有足够多的装配结构相同或只有局部不同的个体出现；选取这些个体作为下一次迭代的初始解，直到优化收敛；对于n个车型，分割为m段结构，每段结构由α个子部件构成，则每段装配方式将由(2α‑1)个编码决定，即优化模型为：式中代表两个车型相应位置的装配方式比对，二者相同时计0，不相同计1，则越小代表装配结构越相近；通过在不同模型的种群之间选取保征解，实现多个模型的基于模块化思想的装配方案设计；(3)完成装配设计的车身结构零部件将作为模块并进行归类，本发明方法中，将模块分为以下四类并进行逐步筛选：参数模块：新车型设计时需要重新设计的模块；通用模块：可在所有车型之间进行通用的模块；柔性模块：但需要进行局部调整的模块；个性模块：同类车型间通用、不同类车型间不可通用的模块；(4)首先选取个性模块：根据车型类别和车身结构特征，直接选出个性模块；(5)其次选取参数模块：在以某车型为原型车进行新车型设计时，在多个位置进行尺寸变动；根据装配结果，选取各模块在重设计方向上的坐标点u＝(umin，umax),式中u＝x，y，z，umin为对应方向上的最小坐标值，umax为最大坐标值；对于两个相邻的模块R和R+1，如果有uR max＞uR+1min,则该方向上，存在一个可以通过更改模块R和R+1的尺寸来改变整车尺寸的位；如果uR max＝uR+1min，则可通过仅更改模块R或R+1中的一个来实现整车尺寸的变动；如果有三个模块相邻，并存同时有uR max＞uR+1min，uR+1max＞uR+2min，uR max＞uR+2min，则对车身结构在相应位置进行尺寸变动时，需要同时改动R，R+1和R+2三个模块；由此，找出对车身尺寸进行调整的位置及相应需要进行改动的模块；制造新车型时，选取不同的调整位置会增加不同的附加成本，概念设计阶段主要考虑制造成本F制造成本和F装配成本；由于此时的尺寸更改不会太大并可能不确定，因此以车身性能函数F车身刚度作为约束进行校验，要求满足预定义刚度选取附加成本最小的位置作为主要重设计区域，对应需要改动的模块即为参数模块；如果该位置不能满足性能需求，则返回重新选择；则优化模型表示为：(6)最后选择柔性模块；约束所有未筛选的模块为通用模块，即各设计参数均有t车型1＝t车型2＝…＝t车型n；在当前约束下对各车型进行优化，优化目标为最大化车重模块质量(Comp k)和车身性能F车身刚度；根据设计者需求设定两个优化目标的选择区间及最优解，并与设计要求的及进行比对，根据解的情况及ΔSt值释放其t车型1＝t车型2＝…＝t车型n的约束，即设计参数无需再与其他车型内相应参数保持一致：如果某车型的优化结果及且至少有一个＝不成立，如果两个＝均成立，则已经满足要求，则释放该车型中ΔSt最低的模块所对应的设计参数约束，该模块成为柔性模块；反之，如果某车型的优化结果及且至少有一个＝不成立，则释放ΔSt最高的模块所对应的设计参数约束，该模块成为柔性模块；更改约束后，进入下一轮迭代，直到所有车型满足设计要求，余下未被选择的模块即为通用模块，最终完成全部种类模块的筛选。