轎車車門的模態(tài)計算和組合式優(yōu)化分析

肖成林，周德義，王志明 ，楊翔宇

(1.吉林大學 生物與農(nóng)業(yè)工程學院，吉林 長 春 130022;2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 1300222;3.吉林大學汽車工程學院，吉林長春 130022)

轎車車門的模態(tài)計算和組合式優(yōu)化分析

肖成林1，周德義1，王志明2，楊翔宇3

(1.吉林大學 生物與農(nóng)業(yè)工程學院，吉林 長 春 130022;2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 1300222;3.吉林大學汽車工程學院，吉林長春 130022)

以模態(tài)分析理論為基礎(chǔ)，通過有限元軟件HyperWorks對車門進行了模態(tài)分析，考察了該車門的剛度特性;并用拓撲優(yōu)化中的變密度法，通過HyperWorks對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析，得到了高剛度、輕質(zhì)量的設(shè)計方案。

轎車車門;有限元;Opstruct;模態(tài)分析;組合優(yōu)化

轎車車門骨架的質(zhì)量和結(jié)構(gòu)形式直接影響車身總成的壽命和性能。汽車結(jié)構(gòu)設(shè)計中，在滿足車輛運營中對車身的剛度、強度、舒適性及工藝改造等因素要求的同時，應(yīng)當盡可能減輕車身的質(zhì)量和降低制造成本。車門結(jié)構(gòu)設(shè)計的主要目的在于在確保車門強度、剛度和舒適性的前提下，減輕車門骨架的質(zhì)量，縮短新產(chǎn)品開發(fā)周期。

筆者針對某轎車車門的結(jié)構(gòu)特點，首先對其進行了自由模態(tài)分析，求解了車門前7階約束模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型，為分析車門振動響應(yīng)作了必要準備，為改進車門的結(jié)構(gòu)設(shè)計提供了一定的理論依據(jù)。結(jié)構(gòu)的拓撲優(yōu)化由于其理論和計算上的復雜性而成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中最富挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域［1］。筆者又對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析，得到了高剛度、輕質(zhì)量的設(shè)計方案。

1 轎車車門幾何模型的簡化和建立

經(jīng)過對非承載構(gòu)件、裝飾件、非主要受力結(jié)構(gòu)中孔以及連接關(guān)系的簡化，用CATIA軟件建立了用于有限元模擬仿真分析的車門幾何模型，如圖1。

圖1 轎車車門結(jié)構(gòu)簡化的幾何模型Fig.1 The structure simplified geometric model of car door

2 轎車車門有限元模型的建立

2.1 幾何模型的前處理

在車身的詳細設(shè)計階段，建立基于幾何模型的詳細有限元模型，根據(jù)載荷工況和車門的響應(yīng)特性，用板殼單元模擬計算。

車門構(gòu)件的模型與參數(shù)如表1、圖2。

表1 車門構(gòu)件名稱及參數(shù)Tab.1 The component name and parameter list of door

圖2 車門構(gòu)件爆炸Fig.2 The exploded view drawings of door components

車門構(gòu)件的材料為08Al，08A1是冷扎鋼板，其材料特性:彈性模量E=206.8 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9 ×103kg/m3，屈服極限σs=275 MPa，強度極限 σb=410 MPa。

2.2 轎車車門有限元模型的確定

對初步建立的模型進行了調(diào)整。模型修正的基本原則是充分體現(xiàn)實際結(jié)構(gòu)的主要關(guān)鍵力學特性，即盡可能詳細模擬對整體抗彎和抗扭剛度貢獻大的筋等結(jié)構(gòu)。首先，進行單元網(wǎng)格規(guī)整化，并減少三角形單元比例;其次，修正門口翻邊的厚度;最后，對初步試算應(yīng)力較大區(qū)域的模型網(wǎng)格進行細化。

根據(jù)該車門結(jié)構(gòu)，利用HyperMesh對幾何模型進行了以下處理:

1)焊點主要采用REB 2的方式模擬，部分采用REB 3的方式模擬;

2)車門所有零件都用板單元進行離散，盡量采用四邊形單元。

建立的有限元模型如圖3，模型節(jié)點總數(shù)為23 287，單元總數(shù)為21 329，自由度數(shù)為132 792。

轎車車門結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2。

表2 轎車車門材料參數(shù)Tab.2 The material parameters of car door

圖3 車門有限元模型Fig.3 Finite element model of the door

3 轎車車門的模態(tài)分析［2］

3.1 設(shè)計目標與要求

根據(jù)轎車車門的功能要求，其主要部件需要滿足如下的設(shè)計要求:

1)轎車車門外側(cè)的部件設(shè)計要平整、光滑且易加工，使其與車身完美結(jié)合，看上去更美觀;

2)與車門門框接觸的部件設(shè)計要精確易加工，使其與門框接觸良好，且不產(chǎn)生噪聲;

3)轎車車門內(nèi)側(cè)較大的部件設(shè)計要質(zhì)量最輕，使其最大限度地減少車門整體的質(zhì)量;

4)轎車車門殼單元的厚度要小于5 mm，使其更符合實際加工情況。

3.2 車門的模態(tài)分析

采用Lanczos算法［3-4］提取了該車門骨架的低階非剛體模態(tài)，對整個車門骨架在計算時不施加任何約束，即對有限元模型進行自由狀態(tài)下的模態(tài)提取，應(yīng)用Opstruct模塊計算得到前7階的自由模態(tài)結(jié)果如表3。

表3 轎車車門的前7階固有頻率Tab.3 The first seven bands natural frequency of car door

與表3對應(yīng)的前7階振型見圖4～圖10。

由表3的模態(tài)結(jié)果看出，車門的第1階彎曲振型頻率是31.91 Hz，其值略高于國內(nèi)同類車的車門骨架的1階扭轉(zhuǎn)頻率(27.8 Hz)，這一頻率值已經(jīng)大大減小了車門骨架結(jié)構(gòu)與車身及傳動系統(tǒng)之間共振的可能性［5］。由圖4的振型結(jié)果可以知道，門上框和門后框的變形較大，門外把手加強板和門內(nèi)加強板的變形較小，其它部件基本沒有變形，振動多集中在車門的上半部位，對整體結(jié)構(gòu)的影響不大，可以視研究的具體情況給與結(jié)構(gòu)的改進優(yōu)化，以便得到該車門骨架較為合理的剛度分布情況和模態(tài)參數(shù)值。

從上面的分析及考慮到轎車車門強度的要求，不能通過修改尺寸來大幅度提高第1階固有頻率，所以在不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變尺寸參數(shù)來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設(shè)計來提高固有頻率。

4 轎車車門的組合式優(yōu)化分析

拓撲優(yōu)化可在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料分布;形貌優(yōu)化可在鈑金件上找出最佳的加強肋位置和形狀。筆者采用變密度法，運用有限元軟件Opstruct對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析［6］。

4.1 問題描述

1)設(shè)計目標:

使轎車車門獲得最大的剛度。

2)設(shè)計約束:

第1階模態(tài)的頻率的最低要求為28 Hz。

3)設(shè)計變量:

設(shè)計空間中單元密度和形狀變化。

4.2 優(yōu)化過程

在OpiStruct中優(yōu)化分析的主要過程［7］:

1)設(shè)置有限元模型;

2)施加載荷和邊界條件;

3)設(shè)置優(yōu)化參數(shù);

4)提交作業(yè);

5)查看結(jié)果及分析。

由于轎車車門實際工況的限制以及某些必須滿足的設(shè)計參數(shù)，使得車門的可優(yōu)化區(qū)域受到了嚴格的制約，綜合考慮本論文只對其內(nèi)側(cè)的3個大的主要部件(部件1:車門內(nèi)板;部件7:側(cè)面防撞橫梁;部件8:門外加強板)進行優(yōu)化(圖2)，得優(yōu)化區(qū)域如圖11。

圖11 優(yōu)化部件Fig.11 The diagram of Optimized parts

4.3 組合優(yōu)化結(jié)果

圖12為HyperGraph［8］模擬出的目標函數(shù)迭代次數(shù)的曲線，共迭代6次。

圖12 目標函數(shù)隨迭代次數(shù)的曲線Fig.12 The curve of objective function with the number of iterations

圖13(a)～圖13(f)為6次迭代的結(jié)果。

圖14(a)～14(c)為第6次迭代的不同密度下的等值面圖。

本文采用的拓撲優(yōu)化方法為變密度法。由6次迭代的密度分布圖和第6次迭代的密度結(jié)果等值面云圖知:密度小的部位越來越少，最后集中在門內(nèi)板上方中部和后下角、門外加強板的前半段，所以設(shè)計時適當減小其厚度;密度大的部位集中在車門內(nèi)板前半部分和側(cè)面防撞橫梁上，設(shè)計時應(yīng)添加不同形式的加強板。這3個部件的密度分布圖與模態(tài)分析的結(jié)果相對應(yīng):密度分布圖中密度大的部位對應(yīng)模態(tài)分析圖中振動大的部位，密度小的部位對應(yīng)振動小的部位。圖中密度大的部位優(yōu)化后厚度適當增加或通過加強板增加了其強度，密度小的部位優(yōu)化后厚度減小，可見得到滿意的結(jié)果。

5 結(jié)論

1)使用大型CAD軟件CATIA建立簡化的幾何模型，同時利用大型有限元HyperWorks中的HyperMesh模塊對幾何模型做相應(yīng)的前處理得到有限元模型。

2)應(yīng)用Opstruct模塊計算得到前7階的自由模態(tài)結(jié)果，分析及考慮到轎車車門強度的要求，可知不能通過修改尺寸來大幅度提高第1階固有頻率，所以在不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的前提下，通過改變尺寸參數(shù)來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設(shè)計來提高固有頻率。

3)運用Optistruct模塊做了組合式優(yōu)化設(shè)計，得到剛度強、質(zhì)量輕的設(shè)計方案，能加速企業(yè)開發(fā)產(chǎn)品過程，縮短產(chǎn)品開發(fā)周期，提高產(chǎn)品質(zhì)量。

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Mode Calculation and Combined Optimization of Car Door

XIAO Cheng-lin1，ZHOU De-yi1，WANG Zhi-ming2，YANG Xiang-yu3
(1.Biological and Agricultural Engineering College，Jilin University，Changchun 130022，China;
2.Mechanical Science and Engineering College，Jilin University，Changchun 130022，China;
3.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

Based on the modal analysis theory and FEM software HyperWorks，analysed low-order modes on founded fem model，so as to preferably investigates the door's stiffness characteristics.Based on the variable density method of topology optimization.Based on analysis of the combination of topology and morphology，it can be obtained a design scheme of high rigidity and light mass.

car door;fem;Opstruct;modal analysis;combinatorial optimization

U463.834

A

1674-0696(2011)03-0465-05

2011-01-29;

2011-03-16

科學技術(shù)部科技人員服務(wù)企業(yè)項目(2009GJB10036)

肖成林(1984-)，男，河南商丘人，碩士，主要從事農(nóng)業(yè)機械部件強度分析與優(yōu)化的研究工作。E-mail:xiaochenglin163@sohu.com。