基于車(chē)身前減震器塔座焊點(diǎn)布置優(yōu)化研究

錢(qián)銀超，袁煥泉，劉向征，鄧賽幫

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

基于車(chē)身前減震器塔座焊點(diǎn)布置優(yōu)化研究

錢(qián)銀超，袁煥泉，劉向征，鄧賽幫

(廣州汽車(chē)集團(tuán)股份有限公司汽車(chē)工程研究院，廣東廣州 511434)

對(duì)前減震器塔座進(jìn)行了基本性能分析即模態(tài)、縱向剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度、焊點(diǎn)疲勞分析；利用Optistruct軟件，以焊點(diǎn)密度為設(shè)計(jì)參數(shù)，在保證性能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求的前提下，以組合應(yīng)變能為目標(biāo)對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化分析，找出冗余焊點(diǎn)，結(jié)合焊點(diǎn)疲勞的計(jì)算結(jié)果確定出最終的優(yōu)化方案。結(jié)果表明：優(yōu)化后的方案相比優(yōu)化前減少7個(gè)焊點(diǎn)，其模態(tài)和剛度性能基本相當(dāng)，最低處焊點(diǎn)的疲勞壽命提升了一半，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

前減震器塔座；焊點(diǎn)布置優(yōu)化；組合應(yīng)變能；疲勞壽命；拓?fù)鋬?yōu)化

0 引言

點(diǎn)焊作為一種高效的連接方式廣泛應(yīng)用于汽車(chē)零部件和整車(chē)的制造過(guò)程中，但是焊接會(huì)降低結(jié)構(gòu)的抗疲勞性能，因此焊點(diǎn)經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)失效開(kāi)裂等問(wèn)題[1]。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法都是基于一些通用的設(shè)計(jì)規(guī)范進(jìn)行的，得到的焊點(diǎn)布置設(shè)計(jì)方案中可能在部分區(qū)域存在冗余焊點(diǎn)[2]，另外結(jié)構(gòu)上也不盡合理，往往需要反復(fù)幾輪設(shè)計(jì)才能得到比較理想的方案。如何得到最優(yōu)的焊點(diǎn)布置一直是業(yè)內(nèi)研究的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。文中以前減震器塔座焊點(diǎn)布置為例，闡述焊點(diǎn)布置優(yōu)化。

減震器塔座是汽車(chē)的重要部件，底盤(pán)的載荷通過(guò)前后減震器塔座傳遞到整個(gè)車(chē)身。該結(jié)構(gòu)的好壞直接影響到汽車(chē)的安全性、可靠性以及NVH等性能。由于減震器塔座是車(chē)身的主要受力部件，該結(jié)構(gòu)在汽車(chē)開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)過(guò)程中，經(jīng)常出現(xiàn)焊點(diǎn)生銹、開(kāi)裂等問(wèn)題。文中通過(guò)有限元的方法找出冗余的焊點(diǎn)，既保證了性能滿(mǎn)足要求，又降低了生產(chǎn)和制造成本。

1 有限元模型的建立及約束參數(shù)

1.1 模型建立

文中的有限元分析模型為截取車(chē)身模型，主要由前機(jī)艙、前地板以及前側(cè)圍等組成。車(chē)身主要采用殼單元shell來(lái)建模，最終建立的有限元模型如圖1所示，整個(gè)模型節(jié)點(diǎn)數(shù)為92 371個(gè)，單元數(shù)為84 895個(gè)。圖中幾何點(diǎn)為焊點(diǎn)。剛度和模態(tài)以及焊點(diǎn)拓?fù)浞治鲋泻更c(diǎn)均為ACM單元，疲勞分析中焊點(diǎn)采用CBAR單元進(jìn)行模擬。

圖1 前減震器塔座有限模型

1.2 前減震塔座性能分析

1.2.1 前減震塔座約束模態(tài)分析

約束截取端模型6個(gè)自由度，進(jìn)行約束模態(tài)分析，求解得到一階頻率為102.0 Hz,其振型為側(cè)圍外板，具體振型如圖2所示。

圖2 前減震器塔座處1階模態(tài)振型

1.2.2 前減震塔座剛度分析

約束截取端模型123 456自由度，在減震器塔座中心分別施加X(jué)、Y、Z向1 000 N載荷，分別考察該處縱向、側(cè)向、垂向剛度性能。求得加載點(diǎn)的位移分別為0.11、0.13、0.71 mm。其中Z向的位移云圖如圖3所示。

圖3 前減震器塔座Z向位移云圖

1.2.3 前減震塔座處焊點(diǎn)疲勞分析

根據(jù)實(shí)測(cè)高強(qiáng)路載荷譜[3]，通過(guò)動(dòng)力學(xué)迭代，求解出減震器塔座處的載荷譜，如圖4所示，加入焊點(diǎn)的S-N曲線，利用ncode軟件求解出減震器塔座處的焊點(diǎn)壽命如圖5所示[4-5]。前減震器塔座處最低壽命1 366個(gè)循環(huán),等效的實(shí)際行駛里程3 647 km，不滿(mǎn)足7 000 km高強(qiáng)路要求。

圖4 前減震器塔座處實(shí)測(cè)載荷譜

圖5 前減震塔座處的焊點(diǎn)壽命云圖

如何既能夠保證現(xiàn)有剛度、模態(tài)以及提升疲勞性能，又能減少冗余焊點(diǎn)是作者此次研究的初衷。

2 前減震焊點(diǎn)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)模型

2.1 優(yōu)化設(shè)計(jì)概述

優(yōu)化設(shè)計(jì)是把最佳的方案從眾多滿(mǎn)足要求的方案中選擇出來(lái)的設(shè)計(jì)方法。優(yōu)化設(shè)計(jì)將設(shè)計(jì)問(wèn)題的物理模型轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)模型，運(yùn)用最優(yōu)化數(shù)學(xué)理論，以計(jì)算機(jī)和應(yīng)用軟件為工具，在充分考慮設(shè)計(jì)約束的前提下尋求滿(mǎn)足預(yù)定目標(biāo)的最佳設(shè)計(jì)[6]。優(yōu)化模型通常包括三要素：設(shè)計(jì)變量、設(shè)計(jì)約束以及設(shè)計(jì)目標(biāo)[7]。優(yōu)化設(shè)計(jì)的一般思路是首先確定好設(shè)計(jì)目標(biāo)以及設(shè)計(jì)變量和約束條件，然后建立數(shù)學(xué)模型，最后利用最優(yōu)化算法逐步逼近目標(biāo)的設(shè)計(jì)。

設(shè)計(jì)變量是指在優(yōu)化設(shè)計(jì)過(guò)程中因發(fā)生改變而引起目標(biāo)變化的參數(shù)，在滿(mǎn)足工藝及可行性前提下以前減震塔座焊點(diǎn)可行域盡可能布置較多的焊點(diǎn)作為設(shè)計(jì)變量。

設(shè)計(jì)約束是整個(gè)優(yōu)化過(guò)程的限制條件，是在滿(mǎn)足某些性能前提下進(jìn)行的優(yōu)化。

設(shè)計(jì)目標(biāo)即目標(biāo)函數(shù)，是要達(dá)到的最佳性能，是設(shè)計(jì)變量的函數(shù)。

2.2 優(yōu)化設(shè)計(jì)的數(shù)學(xué)模型

針對(duì)不同的目的，選擇不同的設(shè)計(jì)變量，優(yōu)化的側(cè)重點(diǎn)也不同。以單元密度或結(jié)構(gòu)材料作為設(shè)計(jì)變量的拓?fù)鋬?yōu)化可以在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)找到最佳的材料分布[8]。其數(shù)學(xué)模型為[9]：

Find：[(x1,ρ1),(x2,ρ2),…，(xn,ρn)]T

Y(ρ)=[(ρ1),(ρ2),…,(ρn)]T

(1)

Minimize：f(y)=f(x)+f(ρ)

(2)

(3)

式中：密度ρi為拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)變量；Y(ρ)為優(yōu)化的變量；f(y)是優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)；f(ρ)分別為拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域的目標(biāo)函數(shù)；C(yi)和D(yi)分別為優(yōu)化的約束函數(shù)。

2.3 優(yōu)化設(shè)計(jì)的步驟

優(yōu)化設(shè)計(jì)的主要步驟如圖6所示[10]。

圖6 拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)流程圖

(1)設(shè)計(jì)空間定義，即前減震器塔座28個(gè)焊點(diǎn)為設(shè)計(jì)空間；

(2)優(yōu)化響應(yīng)定義，即體積比、三向剛度、模態(tài)、組合應(yīng)變能為響應(yīng)函數(shù)；

(3)約束定義，即體積比小于0.7，不低于原結(jié)構(gòu)剛度和模態(tài)；

(4)目標(biāo)定義，即三向剛度組合應(yīng)變能最低；

(5)得出優(yōu)化結(jié)果。如圖7所示圓圈為組合應(yīng)變能較低區(qū)域，即可去除的冗余焊點(diǎn)。

圖7 拓?fù)浞治龊蟮膽?yīng)變能分布

2.4 優(yōu)化后的結(jié)果

根據(jù)焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果去除冗余焊點(diǎn)，然后結(jié)合焊點(diǎn)疲勞分析結(jié)果對(duì)優(yōu)化后的焊點(diǎn)進(jìn)行位置優(yōu)化，最終確定出焊點(diǎn)的最優(yōu)布置方案如圖8所示。優(yōu)化后相對(duì)于優(yōu)化前的性能對(duì)比如表1所示：整體而言模態(tài)和剛度優(yōu)化前后基本相當(dāng)，優(yōu)化布置后焊點(diǎn)個(gè)數(shù)比原方案少了7個(gè)，最低處壽命提升一半，基本滿(mǎn)足強(qiáng)化耐久路7 000 km要求。

圖8 焊點(diǎn)優(yōu)化后的壽命云圖表1 優(yōu)化前后性能對(duì)比表

1階模態(tài)/Hz剛度/mm縱向側(cè)向垂向焊點(diǎn)個(gè)數(shù)焊點(diǎn)壽命/km優(yōu)化前102.00.110.130.71283647優(yōu)化后102.00.100.130.72217102變化率/%1001091009975194.7

3 結(jié)束語(yǔ)

通過(guò)對(duì)前減震塔座進(jìn)行焊點(diǎn)布置優(yōu)化分析，主要有以下結(jié)論：

(1)對(duì)前減震器塔座進(jìn)行了焊點(diǎn)的優(yōu)化布置分析，主要在滿(mǎn)足模態(tài)、縱向剛度、側(cè)向剛度、垂向剛度等性能要求條件下

對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行了基于組合應(yīng)變能的拓?fù)浞治觥?/p>

(2)設(shè)計(jì)變量選取即焊點(diǎn)的可行域處理，此次是在滿(mǎn)足工藝等可行因素下進(jìn)行的焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化布置，更具有實(shí)際的可行意義。

(3) 綜合考慮疲勞等因素進(jìn)行焊點(diǎn)選取，避免了后續(xù)性能沖突的影響。

(4)由于前減震器塔座處對(duì)于碰撞性能影響相對(duì)較少，因此此次分析未予考慮。

(5)通過(guò)對(duì)焊點(diǎn)布置優(yōu)化分析,既提升產(chǎn)品性能又降低制造成本，所得結(jié)論對(duì)以后焊點(diǎn)優(yōu)化布置有一定的借鑒意義。

【1】朱濤,高峰，劉國(guó)梁.車(chē)身結(jié)構(gòu)中焊點(diǎn)疲勞壽命預(yù)估[J].汽車(chē)技術(shù)，2006(2):37-39. ZHU T,GAO F,LIU G L.Pre-estimation of Fatigue Lifetime of Welding Spots of BIWs[J].Automobile Technology,2006(2):37-39.

【2】呂毅寧,呂振華.OptiStruct在車(chē)身結(jié)構(gòu)焊點(diǎn)布置優(yōu)化設(shè)計(jì)中的應(yīng)用[C]//Altair 2008 HyperWorks 技術(shù)大會(huì)論文集,2008.

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【4】林曉斌.虛擬疲勞壽命與工程設(shè)計(jì)[J].虛擬工程與科學(xué)，2001(5):100-110.

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Optimization on the Solder Joints Layout of Vehicle Body Front Damper Tower

QIAN Yinchao, YUAN Huanquan,LIU Xiangzheng, DENG Saibang

(Automobile Engineering Research Institute of Guangzhou Automobile Group Co.,Ltd., Guangzhou Guangdong 511434, China)

Basic performance analyses for the front damper tower were completed,through including modal analysis, longitudinal stiffness analysis, lateral stiffness analysis, vertical stiffness analysis, solder joint fatigue analysis.Then using Optistruct software, the solder joint density was used as design variable, under the premise of ensuring the performance to meet the design requirements, the topology optimization of the solder joints was carried out taking the combination of strain energy as object, so as to find out the excess solder joints.Finally, the final optimization scheme was determined by the calculation results of the solder joint fatigue life.The results show that after optimization,7 solder joints are reduced compared with before optimization, its modal and stiffness performance are basically equivalent, the lowest fatigue life of the solder joints increases by half, and the optimization results meet the design objectives.

Front damper tower ; Solder joints layout optimization; Combination of strain energy; Fatigue life; Topological optimization

2016-11-22

錢(qián)銀超(1985—)，男，碩士，工程師，主要研究領(lǐng)域?yàn)槠?chē)車(chē)身強(qiáng)度耐久及NVH仿真分析。E-mail:qycchina8612@163.com。

10.19466/j.cnki.1674-1986.2017.03.003

U463.83+4

A

1674-1986(2017)03-010-04