申请/专利权人：任春

申请日：2022-01-27

公开（公告）日：2024-04-12

公开（公告）号：CN114462145B

主分类号：G06F30/15

分类号：G06F30/15;G06F30/23;G06F111/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.12#授权;2022.05.27#实质审查的生效;2022.05.10#公开

摘要：本发明属于结构优化设计技术领域，具体的说是涉及一种面向方程式赛车的车架结构耐撞性和轻量化设计方法。本发明的技术方案核心是通过选择合适的主节点，运用本发明所提出的降阶等效静态载荷计算方法，将方程式赛车车架结构设计所涉及的结构非线性碰撞动力学模型转化为线性静力学模型，运用拓扑优化理论实现车架结构的耐撞性和轻量化协同设计，以缩短车架结构设计开发周期，提高赛车结构的设计精度和综合性能。

主权项：1.面向方程式赛车的车架结构耐撞性和轻量化设计方法，其特征在于，包括以下步骤：S1、模型准备：建立非线性动力学碰撞有限元模型，选择主节点自由度并设置控制参数和输出参数；同时，建立具有相同主节点自由度的线性静力学模型并设定模型降阶工况，设置输出降阶刚度矩阵；非线性动力学碰撞模型的控制方程如下所示： 式中，和xNt分别表示加速度、速度和位移向量，Mb、Cb和KNb,xNb分别表示结构的质量矩阵、阻尼矩阵和刚度矩阵，它们均为单元相对密度b的函数，ft表示外力向量，下标N表示非线性；模型降阶分析的具体理论为：定义如下位移向量： 式中，X为线性位移向量，其中Xm为主节点自由度的位移向量，所述主节点自由度是指进行模型降阶时需要保留的自由度；Xs为从节点自由度的位移向量，所述从节点自由度是进行模型降阶时需要缩减的自由度；此时，静力学平衡方程K·X＝F表示为如下的分块矩阵形式： 式中，K为线性刚度矩阵，F为节点静态位移向量，Fm和Fs分别为作用在主节点自由度和从节点自由度上的静态位移向量；根据矩阵运算法则，刚度矩阵K表示为上述的分块矩阵形式，则Kmm和Kss分别对应于主节点自由度和从节点自由度构成的刚度矩阵分块；Kms和Ksm分别对应于主节点自由度和从节点自由度构成的混合矩阵分块，且根据弹性力学理论K为对称矩阵，有基于模型降阶理论，降阶模型的平衡方程表示为：Kred·Xm＝Fred式中，Fred为仅作用于主节点自由度的等效载荷，Kred为降阶刚度矩阵，具体可以表示为： S2、模型分析：在S1所建立的非线性动力学碰撞模型，进行结构碰撞分析并得到结构碰撞能量响应Et和位移响应向量xt；同时，在S1所建立的线性静力学模型基础上，进行模型降阶分析得到刚度矩阵KR；S3、模型等效：在S2的基础上，定义结构碰撞能量响应Et中内能最大的时刻为关键时间点tc，并输出该时刻结构主节点自由度的位移向量xNmtc，进而将复杂的碰撞动力学过程等效为对应于关键时间点tc且仅作用于主节点自由度的降阶等效静态载荷FredLcFredLc＝KR·xNmtc式中，xNmtc为S2中的位移响应中对应于关键时间点tc的主节点自由度的位移向量；S4、拓扑优化：在S3建立的等效静态模型基础上，以单元相对密度b为设计变量、柔度gb最小为目标函数、体积V为约束，建立兼顾结构耐撞性和轻量化的拓扑优化模型如下：find:b∈Rntomin:gbsubjectto:KbXLc＝FredLc,c＝1,...,qvTb≤V0.0＜bmin≤bi≤1.0,i＝1,...,n式中，gb为对应于S3中的等效静态模型的结构柔度，Kb为对应于S3中的线性模型的结构刚度矩阵，XLc为对应于关键时间点tc的降阶等效静态载荷FredLc作用下的位移向量；bmin为单元相对密度的最小值，用来防止单元刚度矩阵发生奇异；S5、变量更新与模型重构：根据相邻两次优化过程的目标函数值和设计变量相对变化量，判断优化过程的收敛性，如果收敛则调出优化过程，如果不收敛则更新模型回到步骤S1，其中更新模型是通过将碰撞模型中对应的设计区域以超单元的形式耦合到碰撞模型中再次进行碰撞分析，实现模型重构分析。

全文数据：

权利要求：

百度查询： 任春 面向方程式赛车的车架结构耐撞性和轻量化设计方法

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