车身结构全设计流程理论及正向概念设计方法研究

Abstract: The demand of high quality design flow, efficient design method, consistency product information model and specific design software for complex product not only extends the theoretical problems of the research on new types of design flow, design method and model technology, but also reveals the bottleneck problems needed to be solved urgently of design strongly depended on designer's experience, low efficiency and low accuracy in complex product design such as car body etc. According to the concrete goals for car body design, it aims at studying on a new design pattern of the whole design flow(WDF for short) in the car body stiffness chain(CBSC for short) and developing an efficient and specific design software system based on our previous research on the theory of multilayer-multibody modeling for product information and some technical achievements. The content contains the WDF theory of complex product, the theory and design method of CBSC, the implementation technology and software platform of the WDF of stiffness chain, etc. Among them, the key scientific problems that must be solved emphatically include the WDF theory with the four elements which are design process, design data, design semantic and design behavior, the design method of CBSC centered on stiffness by chain structure with the object of the optimum matching of car body topology, load transfer and material distribution, and the iterative improvement theory and the WDF method in the car body stiffness.With the flow theory, the design method and the information technology, this project would solve the key problems in complex product design comprehensively and innovatively, which has an important theoretical significance and high practical value.

复杂产品研发对优质设计流程、高效设计方法、一致性产品信息模型和专用设计软件的需求，不仅引发了新型设计流程、方法和模型技术研究的理论问题，也凸显了汽车车身结构正向概念设计周期长、效率低、难以实现性能主导的开发，等瓶颈问题亟待解决的紧迫性。项目提出以全设计流程为驱动，以刚度链计算模型为核心，以刚度可靠度迭代求精为方法，以一致性信息模型为数据处理载体，以参数化骨架模型技术为快速建模工具，从挖掘流程驱动理论、设计方法学和信息技术的综合优势入手，研究车身结构全设计流程新原理、刚度链设计新方法，和高效专用的软件实现新技术，为车身结构正向开发自主创新提供理论基础和方法支持。项目拟重点解决一致性模型支撑的全设计流程理论与技术；车身结构刚度链原理、计算模型和设计方法；基于可靠度的刚度链模型迭代求精理论与方法；车身结构正向概念设计软件系统分析方法和实现技术等关键科学问题，具有很高的理论意义和工程实用价值。

性能需求主导的汽车车身结构正向概念设计，是车身自主开发面临的难题。新能源汽车研发的国际竞争，更加突显解决这一问题的迫切性。项目构建了车身正向概念设计刚度链建模理论、优化方法、驱动流程和软件平台，提供了刚度性能主导的快速迭代、整体求精概念车身开发工具，提升了电动汽车等车身的轻量化设计水平。项目首次拓展结构力学梁单元和薄壁空心理论，以主断面、接头等为结点构建车身结构的刚度链，采用解析建模，数值求解的新思路，为解决概念设计数据修改频繁，多学科协调复杂难题提供了有效的方法；以过程、数据、语义、行为四要素为主线，厘清了车身设计方法与步骤，模型与数据的深层次关系，构建了适用于刚度链方法的车身概念全设计流程；采用传递刚度矩阵法、回传波矩阵法、薄壁空心梁理论、改良和集成的全局寻优算法等，系统研究了车身动态和静态刚度链模型求解和优化方法，通过多款车身设计实例，验证了刚度链方法可以保证车身整体材料分布最优，求解速度、精度、轻量化效果明显优于有限元方法；围绕刚度链方法进行了承载式和非承载式车身模块化设计、结构灵敏度分析、承载度优化、接附点动态性能分析等专题研究，进一步提高了车身轻量化水平；提出了一种前移安全性评估，适用于刚度链设计方法的车身碰撞性能评价方法，提高了车身概念设计的合理性；将刚度链方法用于炭纤维复合材料和钢-铝结构材料车身，进行了仿真验证；提出了车身主断面多层次形状优化和截面属性优化方法，建立了主断面基础数据库和属性计算软件平台；开发了车身结构刚度链正向概念设计原型软件系统，完成了多款车身设计的实例仿真和部分实验验证。项目上述研究较好地解决了这一领域多个科学和工程技术难题，为刚度性能主导的汽车车身正向概念设计提供了系统创新的理论、方法和工具，成果具有重要的理论意义和应用价值。项目还探讨了深度学习等AI方法用于汽车交通状态预测等相关问题，取得了阶段性成果。