基于白車(chē)身靜剛度的結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化分析

劉丹 劉俊紅 朱忠華 左樂(lè) 馬增輝

（江淮汽車(chē)股份有限公司技術(shù)中心）

車(chē)身結(jié)構(gòu)必須具有足夠的彎曲剛度和扭轉(zhuǎn)剛度以抵抗各種載荷產(chǎn)生的變形[1]。主機(jī)廠在車(chē)身制造過(guò)程中使用車(chē)身結(jié)構(gòu)膠，以提高車(chē)體的結(jié)構(gòu)剛度性能，但是如何全面提升產(chǎn)品質(zhì)量同時(shí)降低生產(chǎn)成本是各大主機(jī)廠亟待解決的問(wèn)題。文章從提升車(chē)身靜剛度的角度出發(fā)，應(yīng)用結(jié)構(gòu)膠技術(shù)，利用OptiStruct 軟件對(duì)結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行布置優(yōu)化，在不降低剛度性能的前提下降低成本，并通過(guò)靜剛度臺(tái)架試驗(yàn)驗(yàn)證了優(yōu)化方法的準(zhǔn)確性。

1 結(jié)構(gòu)膠在車(chē)身上的應(yīng)用

結(jié)構(gòu)膠技術(shù)是一種新興的技術(shù)，因結(jié)構(gòu)膠強(qiáng)度高、抗剝離、耐沖擊、施工工藝簡(jiǎn)便，其用于金屬、陶瓷、塑料、橡膠、木材等同種材料或者不同種材料之間的粘接，可部分代替焊接、鉚接、螺栓連接等傳統(tǒng)連接形式。使用該技術(shù)后，結(jié)合面應(yīng)力分布均勻，對(duì)零件無(wú)變形影響[2]。

在車(chē)身連接薄弱的位置填充結(jié)構(gòu)膠來(lái)增強(qiáng)部件之間的連接，可有效提升車(chē)身剛度，而且結(jié)構(gòu)膠的質(zhì)量很小，不會(huì)對(duì)車(chē)身質(zhì)量造成很大的影響。結(jié)構(gòu)膠通常填充在對(duì)車(chē)體結(jié)構(gòu)強(qiáng)度要求高的焊接區(qū)域，如前圍區(qū)域、前后地板與上/下部框架搭接區(qū)域、后地板與后輪包搭接區(qū)域、側(cè)圍門(mén)洞區(qū)域等。文章初步設(shè)計(jì)了結(jié)構(gòu)膠的布置方案，總長(zhǎng)度約110 m，如圖1 所示。

圖1 白車(chē)身結(jié)構(gòu)膠初始布置方案示意圖

利用Nastran 線性分析軟件，對(duì)有無(wú)結(jié)構(gòu)膠的白車(chē)身模型進(jìn)行彎曲扭轉(zhuǎn)剛度分析，分析結(jié)果如表1 所示。通過(guò)表1 可以看出，增加結(jié)構(gòu)膠后，白車(chē)身彎曲剛度提升7.6%，扭轉(zhuǎn)剛度提升14.3%。為了節(jié)約成本，在不降低靜剛度性能的前提下，降低結(jié)構(gòu)膠的用量，需要利用優(yōu)化手段，對(duì)性能貢獻(xiàn)小或者幾乎無(wú)貢獻(xiàn)的結(jié)構(gòu)膠進(jìn)行識(shí)別[3]。

表1 有無(wú)結(jié)構(gòu)膠白車(chē)身的剛度結(jié)果對(duì)比

2 基于白車(chē)身靜剛度的結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化

拓?fù)鋬?yōu)化用于在給定的設(shè)計(jì)空間中找到關(guān)鍵的載荷傳遞路徑。它一般用于概念設(shè)計(jì)階段，目的是在設(shè)計(jì)空間中最有效地分布材料（質(zhì)量），故其是前期設(shè)計(jì)中有效的輕量化設(shè)計(jì)方法。拓?fù)鋬?yōu)化常用的算法有均勻化法、變密度法和漸進(jìn)結(jié)構(gòu)優(yōu)化法等。

拓?fù)鋬?yōu)化中的關(guān)鍵步驟是：1）定義拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)空間；2）定義載荷工況，優(yōu)化目標(biāo)和約束；3）解讀拓?fù)浣Y(jié)果。

利用OptiStruct 軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)膠布置進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，進(jìn)行如下定義。設(shè)計(jì)變量：為提升整車(chē)剛度所布置的結(jié)構(gòu)膠；約束：體積分?jǐn)?shù)小于30%；目標(biāo)值：應(yīng)變能最小。圖2 示出白車(chē)身結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果。

圖2 白車(chē)身結(jié)構(gòu)膠拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

從圖2 可以看出，紅色區(qū)域?yàn)檎?chē)剛度關(guān)鍵區(qū)域，需要保留。根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果，重新設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)膠布置區(qū)域，如圖3 所示。

圖3 白車(chē)身結(jié)構(gòu)膠布置位置優(yōu)化示意圖

結(jié)構(gòu)膠布置長(zhǎng)度由110 m 減少到70 m，結(jié)構(gòu)膠用量下降36.4%，白車(chē)身彎曲剛度下降2.3%，扭轉(zhuǎn)剛度下降2.5%，靜剛度分析值略有下降但仍滿足要求。削減結(jié)構(gòu)膠的區(qū)域主要為：中地板、頂蓋外板、前圍、頂棚區(qū)域等。結(jié)構(gòu)膠布置位置優(yōu)化前后白車(chē)身剛度的對(duì)比結(jié)果，如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)膠布置位置優(yōu)化前后白車(chē)身剛度結(jié)果對(duì)比

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)一步驗(yàn)證分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，需要對(duì)白車(chē)身進(jìn)行靜剛度試驗(yàn)。彎曲剛度試驗(yàn)中，約束白車(chē)身前后懸架安裝點(diǎn)固定支撐座；扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)中，約束后懸架安裝點(diǎn)固定支撐座，將前懸架兩側(cè)塔座安裝到能夠施加扭轉(zhuǎn)載荷的裝置上[4]。

試驗(yàn)基本原理是通過(guò)施加預(yù)定載荷，測(cè)量車(chē)身各部位的變形量，利用相關(guān)公式計(jì)算得到其相應(yīng)的彎曲或扭轉(zhuǎn)剛度值。

白車(chē)身靜剛度試驗(yàn)結(jié)果情況，如表3 所示。通過(guò)試驗(yàn)驗(yàn)證，拓?fù)鋬?yōu)化后的白車(chē)身靜剛度滿足項(xiàng)目性能目標(biāo)定義的彎曲剛度大于19 000 N/mm、扭轉(zhuǎn)剛度大于14 000 N·mm/（°）的要求。

表3 白車(chē)身靜剛度試驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)論

結(jié)構(gòu)膠可在不增加整車(chē)質(zhì)量的前提下大幅提升白車(chē)身靜剛度性能。利用OptiStruct 軟件，對(duì)結(jié)構(gòu)膠布置進(jìn)行優(yōu)化，可以實(shí)現(xiàn)在滿足白車(chē)身靜剛度性能要求的前提下，減少結(jié)構(gòu)膠用量，達(dá)到降低成本的目的，為白車(chē)身降成本開(kāi)發(fā)以及輕量化研究提供了參考。文章僅從靜剛度單一設(shè)計(jì)變量出發(fā)進(jìn)行優(yōu)化，應(yīng)全面考慮車(chē)身性能（如碰撞、強(qiáng)度、NVH 等），多學(xué)科優(yōu)化設(shè)計(jì)能更好地解決此問(wèn)題。