商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)縮減拓?fù)鋬?yōu)化研究

胡玥

摘 要：商用車的駕駛室白車身建立了以固有頻率為約束的體系，以焊點(diǎn)提及最小化作為目標(biāo)，并且也是最優(yōu)勢(shì)化的模式，根據(jù)靈敏度進(jìn)行分析，并且能夠得到每個(gè)單元對(duì)于結(jié)構(gòu)性能的貢獻(xiàn)，以此來(lái)分析當(dāng)下有限單元的剔除和保留。尤其在通過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化之后，能夠讓駕駛室白車自身的焊點(diǎn)數(shù)量有明顯減少，并在滿足當(dāng)下設(shè)計(jì)的需要的情況下，焊點(diǎn)重新分布。對(duì)優(yōu)化前后進(jìn)行仿真分析的結(jié)果表明，文中的設(shè)計(jì)模型和分析方法都是有效合理的。

關(guān)鍵詞：商用車駕駛室；焊點(diǎn)；有限元分析

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.14.023

0 引言

駕駛室是商用車最重要的核心部件之一，司機(jī)以及乘客在乘坐商用車時(shí)的舒適度則和駕駛室好壞有著極大的關(guān)系，以及駕駛室的居住性。商用車的駕駛室并不是承載式的車身，對(duì)于駕駛室有著高強(qiáng)度的要求卻極其容易滿足，但是為了保證駕駛室所具有的一些特征，就要在設(shè)計(jì)駕駛室時(shí)，還要掌控駕駛室的頻率，以及各種模式的特定需求。焊裝結(jié)構(gòu)的駕駛室白車身其中的各個(gè)部分的零件，都是通過(guò)焊接結(jié)合在一起的，焊接數(shù)量直接影響駕駛室白車身的剛度和強(qiáng)度。同時(shí)焊點(diǎn)數(shù)量直接影響白車身的焊接時(shí)間和成本。

1 結(jié)構(gòu)頻率的敏感度和優(yōu)化的流程

能夠辨識(shí)最佳位置的結(jié)構(gòu)，就需要經(jīng)過(guò)細(xì)致的分析，最重要的就是駕駛室的動(dòng)力問(wèn)題，相對(duì)來(lái)說(shuō)，靈敏度的分析是比較復(fù)雜的。在有限元當(dāng)中的分析，結(jié)構(gòu)動(dòng)特征值的問(wèn)題為（[K]-ω2j[M]）{φj}={0}（1），其中[K]為總剛度矩陣；[M]為總質(zhì)量矩陣；ωj為第j階固有頻率；{φj}為對(duì)應(yīng)于ωj的特征矢量。固有頻率ωj及其相應(yīng)的特征矢量。固有頻率ωj及其相應(yīng)的特征矢量{φj}通過(guò)瑞利商相互關(guān)聯(lián)[5-6]ω2j=kj/mj（2），其中模態(tài)剛度kj和模態(tài)質(zhì)量mj定義，kj={φj}T[K]{φj}mj={φj}T[M]，mj={φj}T[M]{φj}。如要假設(shè)從當(dāng)前的這個(gè)結(jié)構(gòu)當(dāng)中刪除了i個(gè)單元，同時(shí)由于刪除的該單元已經(jīng)引起了頻率的變化量了，從公式（2）中導(dǎo)得Δ（ω2j）=Δkjmj-kjΔmjm2j=1mj（Δkj-ω2Δmj）（3）。從靈敏度刪除的第I個(gè)單元格，所引發(fā)的頻率上的一個(gè)變化，還要在根據(jù)各個(gè)單元格對(duì)于結(jié)構(gòu)以及性能的貢獻(xiàn)度進(jìn)行單元格的刪除，在假如，結(jié)構(gòu)的初始化的材料已經(jīng)是100%了，進(jìn)行靈敏度的，這也是第一步要做的，然后在根據(jù)靈敏度的到底從而進(jìn)行單元格的刪除，不斷持續(xù)這個(gè)過(guò)程，直到能夠滿足約束條件停止。

2 有限元模型的建立

經(jīng)過(guò)鋼板和型鋼經(jīng)過(guò)焊接的形式多形成的白車身的駕駛室，在建立模式實(shí)體的時(shí)候，只要即那里薄板的實(shí)體，這樣就導(dǎo)致實(shí)體單元格中的有限劃分會(huì)很難實(shí)行，這種結(jié)構(gòu)只是適用于建立結(jié)構(gòu)的模型以及板梁結(jié)構(gòu)模型。車身的主要結(jié)構(gòu)部分就是前圍、后圍以及地板還有側(cè)圍，都是薄板沖壓形成的，利用四邊形以及三角形殼的單元對(duì)白車模型進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，在劃分之后要進(jìn)行相應(yīng)單元格的檢測(cè)，不斷的重復(fù)節(jié)點(diǎn)和重復(fù)單元檢查，最終成為商用車駕駛室白車身的有限元模型。但是車身之間的零件都是通過(guò)焊接的方式所組成的，是否能夠有效的模擬焊點(diǎn)成為能否保證所分析的正確與否的關(guān)鍵之一。ACM是一種焊接的特殊方式，不同于剛性單元結(jié)合的方法，更加準(zhǔn)確的說(shuō)它是由一個(gè)六面體以及單元格的組成部分，能夠比目前情況還要準(zhǔn)確的模擬焊點(diǎn)信息，與此同時(shí)，還要注意的是不應(yīng)該增加局部的剛度。

3 拓?fù)鋬?yōu)化模式的建立以及分析

在優(yōu)化過(guò)程中，材料密度是在（01）的區(qū)域之間分布的，這些關(guān)鍵點(diǎn)所集中的材料才是具有靈魂的，沒有材料聚集的地方則是空洞的，所以才能夠找到新的托普形式，但是由于有的單元格當(dāng)中沒有材料，所以其對(duì)應(yīng)的剛度矩陣就是0，發(fā)生這樣的情況容易造成剛度和奇異數(shù)量的總和很難求的答案。在計(jì)算的過(guò)程中刪除的一些單元格容易發(fā)生在橫型模式下進(jìn)行優(yōu)化的時(shí)候容易造成很多變化的發(fā)生，而且刪除之后的單元格想要參加計(jì)算也是非常困難的。所以為了解決這樣的問(wèn)題，還能確保在計(jì)算當(dāng)中被刪除的單元可以再次加入，就要引入一個(gè)很小的下線，這樣就可以避免這樣的問(wèn)題再次發(fā)生，同樣經(jīng)過(guò)確定沒有材料的就是空洞，在之后的分析過(guò)程當(dāng)中，對(duì)所做的下線進(jìn)行結(jié)構(gòu)上的分析。在建立有限元的模式當(dāng)中，相對(duì)應(yīng)的目標(biāo)設(shè)計(jì)以及條件還有其中最重要的就是變量的設(shè)計(jì)，最終采用Optistruct進(jìn)行有序的迭代，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次的分子，最后得到焊點(diǎn)空間的優(yōu)化，同時(shí)相對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)也成為變化歷程當(dāng)中的關(guān)系，經(jīng)過(guò)不斷的實(shí)驗(yàn)與分析，不難發(fā)現(xiàn)整個(gè)迭代過(guò)程在向優(yōu)化的目標(biāo)進(jìn)行收斂，同時(shí)伴隨的情況是隨著迭代步數(shù)的不斷增加而進(jìn)行減小的活動(dòng)。采用OSSmooth工具，能夠?qū)?yōu)化設(shè)計(jì)放到設(shè)計(jì)空間相對(duì)應(yīng)的單元格當(dāng)中，同時(shí)能夠得到最優(yōu)化的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)。與此同時(shí)，在截取白車身前圍的一個(gè)部分，然后經(jīng)過(guò)與之前的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，焊點(diǎn)數(shù)量比優(yōu)化之前有縮減了很多，而且優(yōu)化之后的焊點(diǎn)數(shù)目分布也更加合理。

4 駕駛室剛度計(jì)算與驗(yàn)證

根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)的分析和研究，在條件已經(jīng)滿足剛度準(zhǔn)則的時(shí)候來(lái)確定結(jié)構(gòu)，同時(shí)其中的剛度也是可以充分滿足的。彎曲變形等形式都能夠造成駕駛室骨架結(jié)構(gòu)的變形，最為常見的就是駕駛室骨架開口變形，所以對(duì)于駕駛室骨架結(jié)構(gòu)的剛度是有要求的。地板經(jīng)過(guò)優(yōu)化之后產(chǎn)生的變形還是比較大的，但是變大的地方正好能夠承載模擬集中之后的作用處，同時(shí)由于扭轉(zhuǎn)優(yōu)化時(shí)進(jìn)行剛度的分析，發(fā)現(xiàn)優(yōu)化之后的剛度的扭角有了很大的增加，而且剛度也在不斷下降的。

5 結(jié)語(yǔ)

建立商用車白車駕駛室的模型，根據(jù)目標(biāo)優(yōu)化采用的ACM的建模單元，通過(guò)單元格焊接的方式假設(shè)空間進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化過(guò)之后，在進(jìn)行對(duì)應(yīng)的靈敏度的分析，根據(jù)相應(yīng)的結(jié)構(gòu)以及貢獻(xiàn)度刪除，進(jìn)一步的建立駕駛室白車身的拓?fù)鋬?yōu)化的模型。在白車駕駛室的滿足條件之下，震動(dòng)頻率和白車駕駛室的基礎(chǔ)之下，能夠達(dá)到基本的標(biāo)準(zhǔn)，能夠使駕駛室的焊點(diǎn)數(shù)量減少，同時(shí)在該情況下，能夠達(dá)到有效的改善駕駛室的焊點(diǎn)分布的目的。

參考文獻(xiàn)：

[1]王登峰，張斌，陳靜，劉偉，孫兆福，吳永剛.商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)縮減拓?fù)鋬?yōu)化研究[J].汽車工程，2009，31（04）：326-330.

[2]許冰，胡強(qiáng)，涂小春，胡朝輝.白車身焊點(diǎn)縮減拓?fù)鋬?yōu)化對(duì)車身性能研究[J].企業(yè)科技與發(fā)展，2013（13）：84-86.