基于空間多層形貌優(yōu)化的車門輕量化設(shè)計

武敬偉，張光亞，黎謙，蘇松松，于萬元，陸日進

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410205)

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基于空間多層形貌優(yōu)化的車門輕量化設(shè)計

武敬偉1，張光亞1，黎謙1，蘇松松1，于萬元2，陸日進2

(1.上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西柳州 545007；2.湖大艾盛汽車技術(shù)開發(fā)有限公司，湖南長沙 410205)

針對傳統(tǒng)形貌優(yōu)化技術(shù)的起筋只能沿板件法向正方向的局限性，應(yīng)用空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)解決了該問題，結(jié)合工藝可行性、結(jié)構(gòu)功能及性能等要求，對車門內(nèi)板進行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計，并進行了實車門剛度臺架試驗驗證。在不增重的前提下，提高了扭轉(zhuǎn)剛度，滿足了車門設(shè)計目標(biāo)要求，實現(xiàn)了車門輕量化設(shè)計。

空間多層形貌優(yōu)化；門扭轉(zhuǎn)剛度；剛度臺架試驗；輕量化設(shè)計

0　引言

形貌優(yōu)化是一種形狀最佳化的方法，即在板型結(jié)構(gòu)中尋找最優(yōu)的加強筋分布的概念方法，用于設(shè)計薄壁結(jié)構(gòu)的強化壓痕，在減輕結(jié)構(gòu)質(zhì)量的同時滿足強度、頻率等要求。與拓撲優(yōu)化不同的是，形貌優(yōu)化不刪除材料，而是在可設(shè)計區(qū)域中根據(jù)節(jié)點的擾動生成加強筋[1]。其基本原理是把設(shè)計空間中的節(jié)點擾動向量按照一定的模式進行組合以滿足設(shè)計約束，通過迭代計算，不斷調(diào)整結(jié)構(gòu)形狀直至滿足設(shè)計目標(biāo)，形成最佳形貌結(jié)構(gòu)。形貌優(yōu)化多用于鈑金件的結(jié)構(gòu)強化，通過優(yōu)化鈑金筋條特征形貌提高性能，在不增重的前提下實現(xiàn)輕量化設(shè)計。

文獻[2-8]基于傳統(tǒng)形貌優(yōu)化技術(shù)對鈑金進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化以提升鈑金的剛度、模態(tài)等性能。胡朝輝等[9]首次提出了基于優(yōu)化空間重組及靈敏度篩選機制的空間多層形貌優(yōu)化，并應(yīng)用于B柱下接頭形貌優(yōu)化設(shè)計，提升接頭剛度性能。

作者針對傳統(tǒng)形貌優(yōu)化技術(shù)的起筋只能沿板件法向正方向的局限性，應(yīng)用空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)解決該問題，基于扭轉(zhuǎn)剛度對車門內(nèi)板進行空間多層形貌優(yōu)化，以提升車門扭轉(zhuǎn)剛度，并進行車門剛度臺架試驗驗證，實現(xiàn)車門的輕量化設(shè)計。

1　理論基礎(chǔ)

1.1結(jié)構(gòu)優(yōu)化理論

形貌優(yōu)化技術(shù)是一種可以在鈑金件上找出最佳的加強筋位置和形狀的結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。形貌優(yōu)化過程中需將分析結(jié)構(gòu)分為設(shè)計區(qū)域和非設(shè)計區(qū)域兩部分。優(yōu)化區(qū)域的節(jié)點參與優(yōu)化過程，非設(shè)計區(qū)域的所有離散節(jié)點在優(yōu)化過程中坐標(biāo)保持不變。若將優(yōu)化空間的節(jié)點坐標(biāo)定義為設(shè)計變量。則形貌優(yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以表示為：

目標(biāo)函數(shù)最小化(Minimize)：

f(x)=f(x1,x2,…,xn)

(1)

約束條件(Subject To)：

(2)

設(shè)計常量就是在設(shè)計過程中保持不變的量，因設(shè)計方案的變更需要改變的量稱為設(shè)計變量，設(shè)計變量的個數(shù)稱為最優(yōu)化問題的維數(shù)，因此可以將設(shè)計變量表示成：

(3)

一般來講，優(yōu)化問題的復(fù)雜性與設(shè)計變量的多少成正比關(guān)系，設(shè)計變量越多計算時間也會越長，自由空間會越大，優(yōu)化結(jié)果也會越好?？紤]到實際工程問題的效率及成本，工程師必須充分考慮那些對優(yōu)化結(jié)果影響大的參數(shù)作為設(shè)計變量，要兼顧計算成本、時間及加工情況等。

最常用的目標(biāo)函數(shù)就是結(jié)構(gòu)的質(zhì)量，這在輕量化設(shè)計中最為常見，需要結(jié)構(gòu)在滿足需要的強度、剛度、耐久性或者安全性能的條件下盡可能減小模型質(zhì)量。一般情況下，目標(biāo)函數(shù)不同，優(yōu)化結(jié)果也會相應(yīng)不同。所以，目標(biāo)函數(shù)選取的合理性對優(yōu)化設(shè)計問題能不能成功有很重要的意義。但是形貌優(yōu)化中質(zhì)量是不變的，所以一般不能用質(zhì)量作為目標(biāo)，可以直接選取最終想要達到的性能值為目標(biāo)進行優(yōu)化。

1.2結(jié)構(gòu)優(yōu)化流程

結(jié)構(gòu)優(yōu)化實現(xiàn)過程需要選取合適的優(yōu)化軟件，文中選取OptiStruct進行優(yōu)化計算。優(yōu)化設(shè)計過程一般包括前處理、計算以及后處理3個過程，OptiStruct軟件中的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計流程如圖1所示。OptiStruct包含的實用程序OSSmooth可以將最終優(yōu)化結(jié)果生成IGES文件，并反饋到CAD系統(tǒng)。

2　基于空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)門內(nèi)板的優(yōu)化

2.1車門有限元模型的建立

以某鉸鏈門為例，建立有限元模型如圖2所示，模型整個單元數(shù)量為48 083，節(jié)點有50 682個。文中采用直徑為6 mm的Acm實體單元模擬點焊，燒焊用可以連接兩個或多個零件的剛性單元RBE2來模擬，螺栓也是用RBE2單元來模擬，粘膠則用Adhesive實體單元來模擬。

車門主要承載部件是門外板、門內(nèi)板、窗框加強板、內(nèi)板加強板、鉸鏈加強板、防撞板以及門鎖加強板，在模型中對這些部分進行有限元網(wǎng)格劃分。在進行網(wǎng)格劃分前，需要對幾何模型進行清理，幾何模型處理的好壞直接影響到網(wǎng)格質(zhì)量。針對該模型，車門內(nèi)、外飾部件對車門扭轉(zhuǎn)剛度影響較小，此處忽略，不予建立有限元模型；車門大部分是沖壓板件，上面存在大量的過渡圓角及孔洞。忽略半徑小于5 mm的圓角、倒角和半徑小于6 mm的孔洞；對于一些安裝承載孔洞要予以保留。

模型建立過程中，定義當(dāng)車門安裝在車身上并保持關(guān)閉時，車門坐標(biāo)系與汽車坐標(biāo)系相同。劃分網(wǎng)格時采用四邊形單元和三角形單元，網(wǎng)格劃分好以后需要賦予網(wǎng)格相應(yīng)的材料和屬性，在材料卡片中設(shè)置車門材料性能參數(shù)，門板的厚度在屬性卡片中設(shè)置。整個車門使用同一種材料，相關(guān)的材料性能參數(shù)有彈性模量E=2.1×105MPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9×10-9t/mm3。某車型鉸鏈門主要部件的厚度如表1所示。

表1　車門部件厚度表　mm

2.2扭轉(zhuǎn)剛度計算及結(jié)果分析

車門扭轉(zhuǎn)剛度值作為車門抗扭轉(zhuǎn)能力的一個重要評價指標(biāo)[10-12]，若車門扭轉(zhuǎn)剛度性能偏低，則車門關(guān)閉時會產(chǎn)生較大變形，對密封產(chǎn)生不良影響，導(dǎo)致漏灰塵、漏水等嚴重問題。車門扭轉(zhuǎn)剛度工況分為兩種：上扭轉(zhuǎn)工況與下扭轉(zhuǎn)工況，分別加載在車門不同位置。

(1)邊界條件加載

約束。如圖3所示：上扭剛度分析工況和下扭剛度分析工況約束條件相同，約束車身側(cè)鉸鏈與車身安裝點全部自由度，鎖體魚嘴中心約束1、2、3自由度。

加載。如圖3所示：上扭剛度，在內(nèi)板上部密封面上25 mm×25 mm區(qū)域建立Rbe2單元，在Rbe2單元主節(jié)點施加Y向載荷900 N，加載點位置為內(nèi)板上部密封面上距離C-Line以下25 mm位置；下扭剛度，在內(nèi)板下部密封面上25 mm×25 mm區(qū)域建立Rbe2單元，在Rbe2單元主節(jié)點施加Y向載荷900 N，加載點位置為內(nèi)板下部密封面上與T-Line成45°角對應(yīng)位置。

(2)計算結(jié)果讀取和評價

將邊界條件設(shè)置好的有限元模型提交Nastran求解器，并用Hyperview后處理器打開op2結(jié)果文件，可以讀出車門上扭和下扭工況下加載點Y向位移，分別為3.485和3.087 mm，如圖4所示。根據(jù)該車門扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計目標(biāo)要求，上扭剛度不滿足設(shè)計要求。由于外板設(shè)計造型面不能改動，所以需要基于上扭剛度對門內(nèi)板進行形貌優(yōu)化，提升上扭剛度，同時校核下扭剛度，以全部滿足門扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計要求。

2.3車門內(nèi)板的空間多層形貌優(yōu)化設(shè)計

(1)空間多層形貌優(yōu)化

針對上扭剛度差，應(yīng)用OptiStruct 軟件進行空間多層形貌優(yōu)化。由于車門內(nèi)板需要安裝各種車門內(nèi)飾件，故其上有許多安裝孔洞，為了優(yōu)化方便，對門內(nèi)板進行拉平簡化處理，即設(shè)計變量為一塊平板，如圖5所示。選取好設(shè)計區(qū)域后，首先進行設(shè)計單元的空間重組，初步選定門板件上的設(shè)計變量，其屬性命名為op，綜合考慮門內(nèi)板、門外板及其內(nèi)外裝飾之間的關(guān)系，門內(nèi)板特征離初始設(shè)計變量法向距離上下最大為10 mm。即對設(shè)計變量處的網(wǎng)格進行偏置處理，設(shè)計區(qū)域沿曲面法向的正反兩個方向同時偏置10 mm，上層偏置后的設(shè)計變量屬性命名為op1，下層偏置后的設(shè)計變量屬性命名為op2，為使偏置后的3層設(shè)計變量優(yōu)化后的數(shù)據(jù)具有可靠性，現(xiàn)在對偏置后得到的3層網(wǎng)格進行一一對應(yīng)的節(jié)點相連。

圖5門內(nèi)板拉平及優(yōu)化空間重組示意圖

按照空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)的基本理論[9]，對該車門內(nèi)板在 OptiStruct 軟件中定義好設(shè)計空間、設(shè)計變量以及設(shè)計目標(biāo)。將偏置處理后的3層網(wǎng)格各個單元的厚度作為設(shè)計變量，計算各個單元的厚度靈敏度。將上扭轉(zhuǎn)工況下的加載點Y向位移的絕對值小于3.2 mm作為設(shè)計約束，柔度最小作為目標(biāo)。設(shè)計空間選取OptiStruct軟件中free size模塊，選取屬性op1、op、op2為一組設(shè)計空間進行優(yōu)化計算。迭代優(yōu)化30步后，得到最后的單元靈敏度云圖如圖6(a)所示，將3層網(wǎng)格中一一對應(yīng)的3個單元進行分組，找出每組中靈敏度最大的那個單元，保留該單元，刪除其余兩個單元。單元靈敏度篩選后的單元結(jié)構(gòu)圖如圖6(b)所示。

根據(jù)單元靈敏度篩選機制，將靈敏度計算后保留下來的單元重新連接組成一個新的零件，然后根據(jù)沖壓工藝要求進行開孔等結(jié)構(gòu)調(diào)整，完成門內(nèi)板結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，內(nèi)板優(yōu)化前后局部特征結(jié)構(gòu)對比如圖7所示。

由圖7對比可知：內(nèi)板優(yōu)化前特征相對平緩，特別是A、B處；通過空間形貌優(yōu)化，門內(nèi)板優(yōu)化后特征更為復(fù)雜，如A處起筋條形成沉臺，B處起了一近似Z向(垂向)的筋條。總體而言，內(nèi)板優(yōu)化后結(jié)構(gòu)呈空間立體分布。

(2)優(yōu)化的門內(nèi)板扭轉(zhuǎn)剛度校核

門內(nèi)板優(yōu)化后進行車門扭轉(zhuǎn)剛度校核分析，優(yōu)化后上下扭轉(zhuǎn)工況的位移如圖8所示。優(yōu)化后車門上扭、下扭工況下位移分別為2.956和2.683 mm，滿足車門扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)設(shè)計要求。內(nèi)板優(yōu)化前后剛度性能指標(biāo)如表2所示，在門內(nèi)板質(zhì)量基本不變的前提下，上、下扭轉(zhuǎn)剛度分別提高了15.18%和13.09%。通過空間多層形貌優(yōu)化實現(xiàn)了門內(nèi)板的輕量化設(shè)計，為結(jié)構(gòu)優(yōu)化提供了有效的指導(dǎo)。

3　車門剛度臺架試驗驗證

3.1車門剛度臺架試驗

車門剛度設(shè)計通過剛度臺架試驗進行驗證，以確保車門結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計目標(biāo)要求。鉸鏈門扭轉(zhuǎn)剛度試驗時，將鉸鏈門前端(鉸鏈位置)、后端(車鎖位置)用螺栓固定在剛度試驗臺架上，連接位移傳感器及信號采集設(shè)備。選取車門J平面上、C-Line以下25 mm位置作為上扭剛度工況的加載點；J平面上與T-Line成45°角位置作為下扭轉(zhuǎn)剛度工況的加載點。車門除了扭轉(zhuǎn)剛度試驗外，還需進行垂直剛度、抗凹性、安裝點剛度等門剛度試驗校核驗證。

3.2車門剛度試驗驗證

某車型鉸鏈門經(jīng)空間多層形貌優(yōu)化后進行造車，進行實車剛度臺架實驗驗證(圖9所示)。經(jīng)試驗數(shù)據(jù)處理后，得到該車門上扭位移為2.752 mm，下扭位移為2.518 mm，滿足車門扭轉(zhuǎn)剛度設(shè)計要求，并且試驗值與有限元模型計算值誤差均在10%以內(nèi)(見表3)，表明模型的精確度和優(yōu)化方法的可行性。除了車門扭轉(zhuǎn)剛度試驗驗證外，該車門還進行垂直剛度、抗凹性、安裝點剛度等門剛度試驗驗證，也均滿足設(shè)計目標(biāo)要求。車門剛度試驗驗證表明應(yīng)用空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)的可實施性，在不增重的前提下通過形貌優(yōu)化實現(xiàn)了車門輕量化設(shè)計。

4　結(jié)束語

(1)針對傳統(tǒng)形貌優(yōu)化技術(shù)的起筋只能沿板件法向正方向進行優(yōu)化的局限性，應(yīng)用空間多層形貌優(yōu)化技術(shù)，實現(xiàn)了板件沿法向正反兩個方向的結(jié)構(gòu)形貌優(yōu)化，并基于車門扭轉(zhuǎn)剛度對某車門內(nèi)板進行空間多層形貌結(jié)構(gòu)優(yōu)化，結(jié)合工藝可行性、結(jié)構(gòu)功能以及性能等要求，對車門內(nèi)板實施了優(yōu)化措施。

(2)在對車門內(nèi)板進行空間多層形貌優(yōu)化的基礎(chǔ)上，對實施結(jié)構(gòu)優(yōu)化措施的車門實車進行門扭轉(zhuǎn)剛度臺架試驗驗證，優(yōu)化后的車門扭轉(zhuǎn)剛度值滿足設(shè)計要求，證明了空間多層形貌優(yōu)化方法的可實施性，實現(xiàn)了車門輕量化設(shè)計。

(3)文中僅以車門扭轉(zhuǎn)剛度為性能約束進行了優(yōu)化，并沒考慮到垂直工況、窗框等其他剛度性能與扭轉(zhuǎn)剛度的綜合工況，后續(xù)還要進行基于綜合工況性能約束的空間多層形貌優(yōu)化及應(yīng)用研究。

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Door Lightweight Design Based on Space-multi-layer-topography Technology

WU Jingwei1,ZHANG Guangya1,LI qian1,SU Songsong1,YU Wanyuan2,LU Rijin2

(1.SAIC GM Wuling Automobile Co.,Ltd., Liuzhou Guangxi 545007,China;2.Aisn Auto R & D Co.,Ltd.,Changsha Hunan 410205,China)

Aiming at the limitations of traditional morphology optimization technique that rib was generated only along the positive direction of plate normal, space-multi-layer-topography technology was applied to solve this problem. The door lightweight optimization design was conducted based on torsional stiffness, bonding process feasibility, structure, function and performance requirements etc. A real door stiffness bench validation was done. It is proved that the torsional stiffness is promoted and the objectives and requirements are achieved, under the premise of not increasing weight.

Space-multi-layer-topography; Door torsional stiffness; Stiffness bench test; Lightweight design

2016-05-12

廣西科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃項目(桂科重14122002-2)

武敬偉(1982—)，男，碩士研究生，工程師，研究方向為汽車車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化及其輕量化分析。E-mail：wjw2001@163.com。

U463.83+4

A

1674-1986(2016)07-001-06