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车身有限元模型保征变体设计中若干问题研究

作　者: 刘明增
导　师: 胡平
学　校: 大连理工大学
专　业: 车辆工程
关键词: 车身有限元模型变体设计 CAD/CAE集成数据重用特征保持
分类号: U463.82
类　型: 博士论文
年　份: 2013年
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内容摘要

以CAD/CAE集成为核心的“分析驱动设计”方法在工业产品设计中发挥着越来越重要的作用。作为最有代表性的复杂工业产品之一,汽车产品的设计更是融合了以CAD/CAE为核心的数字化设计技术且反过来又会极大地促进其发展。随着全球汽车产业竞争的日益加剧,如何快速设计出符合客户预期的新产品,提升代表汽车工业核心技术水平的车身研发能力成为汽车行业面临的共同问题。为缩短工业产品的研发周期和降低研发成本,亟需开展以CAD/CAE集成为核心支持产品快速设计的数据重用技术的自主研发工作。鉴于此,本文以具有复杂几何和结构约束的车身有限元模型为研究对象,以构建面向CAE的产品快速设计系统为研究的核心目的,对CAD/CAE集成在车身有限元模型快速设计及数据重用中的部分关键技术进行了深入的研究,主要内容包括：(1)针对车身有限元模型的快速设计及数据重用问题,提出了一种基于等参自由变体的设计方法。结合模型的由六面体、五面体和四面体单元构成的组合控制参数体,在传统自由变体技术中引入基于等参变换的基函数实现变体设计的快速计算。利用等参变换及其逆变换关系,避免了以往变体技术中涉及到的点坐标局部参数化费时问题。结合基于图像驱动的自由变体框架,可实现车身产品的快速概念设计及迅速验证造型师的设计意图。在软件开发平台KMAS COMX上实现了基于上述算法的DCiP-MeshMorpher软件模块,可方便地实现对已有数据的重用。数值实验展示了该方法的工业应用价值。(2)针对对有限元模型进行各种操作引起的网格质量降低,影响后续应用的问题,提出了一种基于主导四边形网格重构的网格优化方法。该方法采用具有最近似等距(isometric)性质的局部/全局参数化方法转化初始问题为相应的平面网格重构问题来进行处理。在网格重构过程中,能够保持初始模型中的几何或结构线约束特征以保证重构后模型的精度。同时,对影响有限元分析精度的边界或特征区域采用offset技术保证生成规则的全四边形单元。通过对优化结果的数据分析,验证了该方法具有较好的效果。(3)为提升一步逆成形的仿真效率,提出了一种基于网格自适应技术的优化方法。该方法综合考虑模型的几何特征信息(曲率等)及一步逆成形仿真得到的物理场(厚度、应力和应变等)分布,借助于黎曼度量建立反映上述各种场分布的网格单元尺寸场,生成自适应优化网格模型。同时,在网格优化过程中,能够保持初始模型中的诸如焊点、加强筋、成型线和内部洞边界等几何或结构线特征,保证优化后模型的精度。实验证明该方法能够在保持有限元仿真分析精度的前提下减少网格模型的自由度,提升分析效率。(4)针对曲面上曲线(curves on surfaces)的刻画和表示问题,提出了一种特征敏感度量意义下的曲面上B-spline曲线自适应保征拟合方法。该方法通过评估点集的几何特征(法曲率)从中选取出一组主导点,基于此进行相应B-spline曲线的节点向量配置和最小二乘意义下的曲线拟合重构。此外,可根据拟合重构误差累进地增选主导点对初始重构曲线进行迭代优化从而实现曲线的自适应拟合重构。实验表明,该方法具有较好的性能。

全文目录

摘要  4-6
Abstract  6-16
1 绪论  16-34
  1.1 研究背景及意义  16-18
  1.2 研究进展  18-32
    1.2.1 变体设计方法  19-22
    1.2.2 网格重构  22-29
      1.2.2.1 三角形网格重构  22-25
      1.2.2.2 四边形网格重构  25-29
    1.2.3 曲线拟合  29-32
  1.3 研究内容  32-34
2 基于等参自由变体的车身有限元模型快速设计  34-50
  2.1 引言  34-35
  2.2 自由变体技术概述  35-36
  2.3 等参自由变体  36-41
    2.3.1 等参自由变体流程概述  36-37
    2.3.2 等参局部坐标计算  37-41
  2.4 快速顶点定位  41-43
  2.5 数值算例  43-49
    2.5.1 图像驱动快速设计  43-46
    2.5.2 算例分析  46-49
  2.6 本章小结  49-50
3 基于参数化展平的保特征主导四边形网格重构  50-64
  3.1 引言  50-51
  3.2 四边形网格重构概述  51-58
    3.2.1 特征处理  52-53
    3.2.2 参数化计算  53-54
    3.2.3 2D四边形网格重构  54-57
    3.2.4 重采样和优化  57-58
  3.3 数值算例  58-63
  3.4 结论  63-64
4 基于网格自适应技术的一步逆成形仿真优化  64-93
  4.1 引言  64-65
  4.2 黎曼度量计算基础  65-70
    4.2.1 二维黎曼度量张量的定义  65-67
    4.2.2 黎曼度量张量的求交计算  67-68
    4.2.3 黎曼度量张量的插值计算  68-69
    4.2.4 度量空间中线段长度的计算  69-70
  4.3 网格自适应优化算法概述  70-71
  4.4 板材冲压成形的一步逆方法简介  71-74
  4.5 基于插值误差的误差估计  74-76
    4.5.1 插值误差的上界  74-75
    4.5.2 插值误差的计算  75
    4.5.3 度量张量的构造  75-76
  4.6 网格自适应优化  76-79
    4.6.1 预处理  76
    4.6.2 参数域网格自适应重构  76-78
    4.6.3 重采样和网格光顺  78-79
  4.7 度量张量场构造  79-80
  4.8 数值算例  80-91
  4.9 本章小结  91-93
5 基于特征敏感度量的曲面上B-spline曲线自适应保征拟合  93-115
  5.1 引言  93-94
  5.2 曲线曲面基础  94-99
    5.2.1 参数曲线  95-97
    5.2.2 参数曲面  97-99
  5.3 曲面上曲线拟合重构  99-104
    5.3.1 特征敏感近似  100-101
    5.3.2 参数化和节点向量计算  101-102
    5.3.3 主导点选取  102-103
    5.3.4 优化问题求解  103-104
  5.4 数值算例  104-113
  5.5 本章小结  113-115
6 结论与展望  115-118
  6.1 结论  115-116
  6.2 展望  116-118
参考文献  118-132
附录A 优化问题求解  132-136
创新点摘要  136-137
攻读博士学位期间发表学术论文情况  137-138
致谢  138-140
作者简介  140-142

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