Simulation driven product development applied to car body design

(1)

DOCTORA L T H E S I S DOCTORA L T H E S I S

Luleå University of Technology

Department of Applied Physics and Mechanical Engineering, Division of Computer Aided Design

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:

Simulation Driven Product Development Applied to Car Body Design

Nicklas Bylund

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Internal d.o.f.

Master

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FEM analysis of complete shell model , Check if requirements are fulfilled.

Ok Not ok, change design

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Component design engineer

FEM analysis of complete shell model , Check if requirements are fulfilled.

Component design engineer Global mechanical requirements

Component design engineer Component design engineer

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Component design engineer PBM (Requirements at sub-system level)

Preliminary analysis by design engineers

using ADRIAN and DAMIDA If the requirements in the PBM can not be Fulfilled, rebalancing of requirements are needed Global mechanical

requirements

FEM analysis of complete shell model, check if requirements are fulfilled.

Component design engineer Component design engineer PBM (Requirements at sub-system level)

Preliminary analysis by design engineers

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Paper A

Simulation Driven Car Body Development Using Property Based Models

In the proceedings of the International Body Engineering Conference, IBEC 2001, 8-12 of July 2002, Paris, France.

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1

2001-01-3046

Simulation Driven Car Body Development Using Property Based Models

Nicklas Bylund*^♣and Magnus Eriksson*

*Department of Mechanical Engineering, Luleå University of Technology

♣Volvo Car Corporation

ABSTRACT

A method for the development of car bodies, from conceptual to detailed design, is presented. The conceptual design is broken down to a numerical

property-based model (PBM)

representing the mechanical behavior of the concept. In the PBM, the local properties are balanced to fulfil the global stiffness requirements. The main topology is defined and the structural components i.e. joints, beams and sheets are connected in predefined nodes and represented in a finite element (FE) model as super elements, beam elements and thin shell elements. In the realisation of the car structure, the performance of the PBM components are used as requirements in the detailed design. Different technologies, materials and manufacturing processes can be considered as long as the properties of the component agree with the ones stated by the PBM. The detailed design of each component is made by design engineers, supported by single purpose tools. The design engineers iterate the design until only a small difference between target and component performance exists.

INTRODUCTION

The design of modern vehicle structures is driven by many competing objectives such as improved safety and fuel efficiency, lower cost, high performance

and increased style flexibility. In addition, the introduction of new manufacturing processes and materials enables more design options. Still lead time has to be reduced continuously. In order to speed up the design process tools are needed to support the design engineer when evaluating component performance. This should be done before the CAD-parts are assembled to a complete vehicle model.

Traditionally, the design engineer has limited possibility to evaluate his design with respect to the structural requirements. Although computer tools are being extensively used, they are still advanced and analysis experts are needed. Furthermore these tools are mainly used in the conceptual design phase and in the final analysis of the complete shell model. Between these phases, in the detailed design of components where most development time is spent, there is currently only a limited amount of easy to use mechanical simulation support.

RELATED WORK

In the field of car development a number of efforts have been made to develop tools for simplified simulations.

One example is AURORA later named SFE-concept which is a commercial software for development of simplified parametric shell models. It started as a project at the technical university of Berlin in the late eighties[1]. The models

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2 developed by SFE-concept have shown good agreement with traditionally developed FEM-models[2]. Although made for simplified simulation SFE- concept needs a user experienced with FEM analysis. With SFE-concept a simplified shell model can be made and analysed quickly, however a detailed CAD model has still to be done.

SimMod is another tool made for supporting car body design and is developed by Ford Motor Company in collaboration with the University of Virginia[3]. SimMod is similar to SFE- concept but is company specific. Also SimMod is recommended to be used by engineers experienced with FEM.

Both programs use Nastran for linear elastic analysis. SFE-concept also supports plastic analysis using LS- Dyna[4].

In addition to these programs there also exist programs for analysis at component level such as Crashcad [5] and DAMIDA [6]. These programs can be used by design engineers without experience of FEM. They give quick approximate results valuable for a first evaluation at component level.

In the field of optimisation of car bodies a lot of work has been done. Both topological and shape optimisation methods have been developed and introduced as described by [7, 8].

THE PROPERTY BASED MODEL

The PBM can be seen as a drawing of the mechanical and topological requirements, see figure 1. The PBM can be made using different FE-simulation tools as for example the earlier cited SFE-concept[2]. The element properties are balanced, using optimisation [9] and experience until the PBM fulfils the global requirements. Global requirements are thereby broken down to component level.

Together with design, manufacturing and other requirements the PBM properties will act as a guide for component design.

By updating the PBM continuously during the detail design of the shell model, the PBM will reflect the structural behavior and will be an essential tool to maintain the design intent. The updated PBM will also perform as a quick and efficient tool for evaluating the effects of late design changes in the development process.

This method will also enable efficient evaluation of different design concepts independently of level of detail or manufacturing technology.

EIx,EIy,EIz and proposed section

Sheet thickness

Figure1. The PBM with requirements for a sheet a beam and a joint.

Stiffness matrix