基于OptiStruct的某車型背門的優(yōu)化設計

劉向征，薛廣新，張春雨

基于OptiStruct的某車型背門的優(yōu)化設計

劉向征，薛廣新，張春雨

（廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400）

某車型背門在開發(fā)過程中，側(cè)向剛度不能滿足設計目標。通過對內(nèi)板結(jié)構(gòu)進行整體分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)板結(jié)構(gòu)部分區(qū)域存在優(yōu)化空間。結(jié)合設計布置需要，確定初始設計域，綜合運用拓撲優(yōu)化和多目標優(yōu)化確定內(nèi)板的優(yōu)化設計方案。通過典型剛度工況與模態(tài)分析校核背門內(nèi)板可行性，實現(xiàn)了滿足各項性能指標的背門的正向設計。文章提出的優(yōu)化設計方案可為汽車背門內(nèi)板設計提供參考。

OptiStruct；背門；剛度

前言

近年來，隨著國家二胎政策的放開，消費者對大型SUV、MPV等車型需求量日益攀升，大尺寸的汽車背門應運而生。在車輛的行駛過程中，背門在滿足普通的強度工況要求的同時，還要避開路面激勵及發(fā)動機怠速頻率，避免發(fā)生共振；考慮轉(zhuǎn)彎、背門開啟等工況的存在以及商品性的需求，背門還要滿足一定的側(cè)向、扭轉(zhuǎn)剛度要求，同時，又要滿足輕量化設計的需要。綜上所述，針對汽車背門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為解決問題的關(guān)鍵所在。本文以某車型背門為研究對象，基于OptiStruct拓撲優(yōu)化與CATIA曲面建構(gòu)方法，開展背門優(yōu)化設計，并通過仿真分析驗證設計方案的可行性，最終確定符合各項指標性能和工藝要求的優(yōu)化設計方案。

1 優(yōu)化模型的建立

由于涉及多目標迭代優(yōu)化，為提高計算效率，對模型進行合理簡化。本分析模型剛化車身，即只考慮背門旋轉(zhuǎn)件模型，其中包括鉸鏈門蓋頁、內(nèi)板、外板、鉸鏈加強板、氣彈簧加強板、緩沖塊加強板、雨刮加強板、鎖加強板、玻璃等。背門旋轉(zhuǎn)件模型如圖1所示。

圖1 背門旋轉(zhuǎn)件模型

采用Hypermesh進行有限元網(wǎng)格劃分，綜合考慮模型最小特征尺寸和計算效率，基本網(wǎng)格大小設為8mm。分析模型單元總數(shù)為79757個，節(jié)點總數(shù)為85120個。根據(jù)分析模型運動方式，約束鉸鏈門蓋頁銷軸除繞Y軸轉(zhuǎn)動以外所有自由度。側(cè)向工況，約束鎖扣Z向平動，并在鎖扣處施加Y向150N力；扭轉(zhuǎn)工況，約束鎖扣3向平動，并在加載點處施加沿開啟方向100N力，加載點選取背門外板下端角部兩側(cè)邊緣線的切線所形成的角平分線上，距離背門邊緣20mm的位置。

2 拓撲優(yōu)化

由于背門外板為造型面，屬于不可優(yōu)化空間，本例選取背門內(nèi)板中下部較為平順區(qū)域作為設計空間，預留內(nèi)外板間3處支撐扣料空間和背門鎖安裝空間，形成如下圖所示設計區(qū)域，筋的生長方式關(guān)于Y軸對稱。

圖2 設計區(qū)域示意圖

該車型背門結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是在滿足模態(tài)和剛度等性能的前提下，尋求質(zhì)量最小的結(jié)構(gòu)形式，因此選取該背門體積分數(shù)Volumefrac作為優(yōu)化的目標函數(shù)。

背門自由模態(tài)一階彎曲振動頻率是衡量背門是否出現(xiàn)加速轟鳴的重要指標。為保證背門模態(tài)性能，要求背門一階彎曲固有頻率不能低于設計值。本例選取背門第八階即一階彎曲固有頻率（前六階為剛體模態(tài)，第七階為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)）作為約束條件，定義約束函數(shù)為：

式中，Freq為背門最小一階彎曲固有頻率；

[Freq]為背門一階彎曲固有頻率的設計值；本次優(yōu)化中[Freq]取40Hz。

背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度是衡量背門剛度強弱的重要指標。為保證背門剛度性能，要求背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度均不能高于設計值。本例選取扭轉(zhuǎn)加載點（角部）背門開啟方向位移和側(cè)向加載點（鎖扣）Y向位移作為約束條件，定義約束函數(shù)如下：

式中，Disp_torsion和Disp_side分別背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的最大值，[Disp_torsion]和[Disp_side]分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的設計值，本次優(yōu)化中[Disp_torsion]和[Disp_ side]分別取0.9mm和1.6mm。

根據(jù)定義的優(yōu)化模型開展拓撲優(yōu)化問題的求解，模型經(jīng)過36次迭代計算后收斂，取單元密度閥值為0.05，得到單元密度拓撲分布云圖，如下圖所示。

圖3 背門內(nèi)板拓撲優(yōu)化單元密度云圖

3 尺寸、厚度多目標優(yōu)化設計

根據(jù)得到的基本拓撲構(gòu)型，結(jié)合沖焊成型工藝要求，在CATIA中構(gòu)建貼合優(yōu)化方向的幾何模型，最終設計模型如下圖4所示。

該方案已經(jīng)初步滿足背門產(chǎn)品的性能、質(zhì)量目標，但是在滿足產(chǎn)品設計要求的同時，設計區(qū)域內(nèi)的筋條寬度、高度及料厚仍存在一定的優(yōu)化空間，以達到以最輕的質(zhì)量達到最優(yōu)的性能。因此，需要基于剛度、模態(tài)性能對上述初步的拓撲優(yōu)化模型進行尺寸、厚度作為優(yōu)化變量的多目標優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化后背門幾何模型及優(yōu)化變量示意圖

與拓撲優(yōu)化類似的，由于背門外板為造型面，屬于不可優(yōu)化空間。多目標優(yōu)化選取本門內(nèi)板鈑金料厚作為厚度變量，選取拓撲優(yōu)化得到的筋條的寬度、高度、接頭尺寸作為尺寸優(yōu)化的變量，如圖4所示（形狀變量沿Y軸對稱）。

與拓撲優(yōu)化類似的，多目標優(yōu)化的目的仍然是在滿足模態(tài)和剛度等性能的前提下，尋求質(zhì)量最小的結(jié)構(gòu)形式。因此將背門多目標優(yōu)化概括為，以背門質(zhì)量Mass最小作為優(yōu)化的目標函數(shù)，以背門一階彎曲固有頻率、背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度作為優(yōu)化的約束函數(shù)的優(yōu)化方案。優(yōu)化函數(shù)定義為：

目標函數(shù)：Min[Mass]

約束函數(shù)：

式中，Freq為背門最小一階彎曲固有頻率；

Disp_torsion和Disp_side分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的最大值；[Disp_torsion]和[Disp_side]分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的設計值。

根據(jù)定義的優(yōu)化模型進行多目標優(yōu)化分析，經(jīng)迭代尋優(yōu)后找到符合要求的最優(yōu)解。此最優(yōu)解所示結(jié)構(gòu)方案在滿足產(chǎn)品性能目標的情況下達到了質(zhì)量最小值。

4 優(yōu)化方案校核

為了進一步驗證優(yōu)化方案的可行性，需要對優(yōu)化設計方案進行剛度校核，相應工況下位移云圖如圖5、6所示。由圖可知，結(jié)構(gòu)變形合理，扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度均滿足設計要求。經(jīng)計算優(yōu)化設計方案對應一階彎曲固有頻率為45.52Hz，有效地避開了設計共振區(qū)域，滿足模態(tài)設計要求。

圖5 扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

圖6 側(cè)向工況位移云圖

表1 優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)對比

由上表可知，優(yōu)化設計方案較原始方案內(nèi)板質(zhì)量只增加了0.09Kg的情況下，剛度模態(tài)性能都得到了一定幅度的提升，尤其是對于接近目標值的側(cè)向剛度的提升，為后期減重和試驗偏差預留了一定空間，也為設計工程師的后期優(yōu)化設計提供了寶貴的借鑒意義。綜上所述，優(yōu)化設計方案各項性能優(yōu)異，方案合理、可行。

5 結(jié)論

本文以某車型背門為研究對象，運用有限元分析技術(shù)與拓撲優(yōu)化設計方法，確定了背門內(nèi)板的優(yōu)化方向和詳細設計方案，并通過仿真校核驗證了該方案的可行性。該方案一改傳統(tǒng)背門內(nèi)板筋的布局形式，以較為新穎的結(jié)構(gòu)提升了相關(guān)性能，實現(xiàn)了滿足各項性能指標的背門的正向設計。本文提出的優(yōu)化設計方案可為汽車背門內(nèi)板設計提供參考。

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Optimization design of the back door of a certain model based on OptiStruct

Liu Xiangzheng, Xue Guangxin, Zhang Zhunyu

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute., Guangdong Guangzhou 511400 )

In the development process of a model tailgate, the lateral stiffness cannot meet the design goal. Through the overall analysis of the inner panel structure, it is found that there is room for optimization in some areas of the inner panel structure. Combined with the design layout needs, the initial design domain is determined, and the optimal design of the inner panel is determined by comprehensively using topology optimization and multi-objective optimization. Through the typical stiffness conditions and modal analysis to verify the feasibility of the tailgate inner panel, the forward design of the tailgate to meet various performance indicators is realized. The optimized design proposed in this paper can provide reference for the design of the inner door of the car.

OptiStruct;Tailgate;Stiffness

U463

A

1671-7988(2019)14-102-03

U463

A

1671-7988(2019)14-102-03

劉向征，碩士，中級工程師，就職于廣州汽車集團股份有限公司汽車工程研究院，從事白車身及內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.032