李廣,閆躍奇,馬帥帥
(奇瑞汽車股份有限公司,安徽蕪湖 241009)
汽車輕量化對(duì)汽車節(jié)油、降低排放、改善性能、能源戰(zhàn)略規(guī)劃以及汽車工業(yè)健康發(fā)展都具有重要意義,是現(xiàn)代汽車工業(yè)技術(shù)發(fā)展的方向[1]。車身輕量化不僅僅是減輕質(zhì)量,要保證車身剛度、安全等方面的性能不變或者提高。其途徑有:輕量化材料如高強(qiáng)度鋼板、碳纖維、鋁的應(yīng)用,先進(jìn)制造工藝如激光拼焊板等的應(yīng)用,和車身結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化如隱式參數(shù)化優(yōu)化等。本文作者以某全新開發(fā)車型為例,運(yùn)用此工具實(shí)現(xiàn)了概念設(shè)計(jì)階段車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和性能的提升。
前期概念設(shè)計(jì)階段在車身開發(fā)過(guò)程中非常重要,因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)限制邊界少、自由度大的特點(diǎn),傳統(tǒng)的3D CAD模型和CAE分析工具及方法較復(fù)雜,不便于修改,多方案分析效率低。而隱式參數(shù)化軟件SFE CONCEPT可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)修改,克服了概念設(shè)計(jì)階段時(shí)間短而方案多的問(wèn)題,實(shí)現(xiàn)了仿真分析對(duì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的方向性驅(qū)動(dòng)[2]。SFE CONCEPT采用無(wú)間斷全參數(shù)化描述進(jìn)行結(jié)構(gòu)初步方案的設(shè)計(jì),能夠同時(shí)對(duì)多種設(shè)計(jì)方案進(jìn)行結(jié)構(gòu)拓?fù)洳季峙c優(yōu)化評(píng)估(見(jiàn)圖1)。
圖1 傳統(tǒng)建模與SFE建模方法對(duì)比
模型建立首先符合坐標(biāo)系定義,白車身坐標(biāo)系取車輛前進(jìn)方向?yàn)閄軸正向,前進(jìn)方向左側(cè)為Y軸正向,垂直向上為Z軸正向,X、Y、Z坐標(biāo)符合右手定則。模型的連接方式也至關(guān)重要,在有限元模型中,連接方式包括點(diǎn)焊(見(jiàn)圖2)、焊縫(見(jiàn)圖3)、膠粘(見(jiàn)圖4)、螺栓連接等,故建模連接方法需要進(jìn)行擬合。其參數(shù)化模型包含連接方式、材料屬性、載荷等信息,可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化的循環(huán)優(yōu)化。
圖2 點(diǎn)焊的連接
圖3 CO2焊縫的連接
圖4 膠的連接
其次,將參考車型沿用件的有限元模型以及設(shè)計(jì)部門提供的關(guān)鍵典型截面和造型輸入的外CAS導(dǎo)入到軟件SFE CONCEPT中,對(duì)各個(gè)分總成以及零部件建立參數(shù)化模型。接著對(duì)模型進(jìn)行組裝,并對(duì)連接方式進(jìn)行模擬,最后根據(jù)SFE CONCEP自帶的網(wǎng)格劃分功能,自動(dòng)生成新的有限元模型(見(jiàn)圖5)。
圖5 參數(shù)化模型建立
白車身的扭轉(zhuǎn)剛度是將白車身結(jié)構(gòu)理想簡(jiǎn)化為簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)(見(jiàn)圖6),考察其在靜態(tài)載荷作用下的扭轉(zhuǎn)變形[3]。
圖6 簡(jiǎn)支梁結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)易圖
按照簡(jiǎn)支梁的理論,白車身扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算公式為
式中:KT為白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度[N·m/(°)];T為試驗(yàn)中加載的扭矩(N·m);θF為白車身前減震器下方的扭轉(zhuǎn)角(°);θR為白車身后減震器下方扭轉(zhuǎn)角(°)。
θF和θR區(qū)分正負(fù),其中θF選取點(diǎn)要求保證其X向的坐標(biāo)值等于前輪中心的X坐標(biāo)值,θR的選取點(diǎn)位于后縱梁約束點(diǎn)附近(后減震器座的下方)且X向的坐標(biāo)值與后減震器座中心坐標(biāo)的X值一致。
對(duì)某車型參數(shù)化模型進(jìn)行分析,受力模型變化較明顯區(qū)域位移量較大(見(jiàn)圖7)。初版白車身扭轉(zhuǎn)剛度為12 920 N·m/(°),質(zhì)量為412.53 kg。與選定的競(jìng)品車型17 000 N·m/(°)、質(zhì)量390 kg相比,所設(shè)定的扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)還有很大的差距,且質(zhì)量超出目標(biāo),故需對(duì)初版參數(shù)化模型進(jìn)行輕量化優(yōu)化提升。
圖7 某車型扭轉(zhuǎn)位移分布云圖
車身模型分析優(yōu)化的目標(biāo)是車身輕量化,在保證車身剛度性能等指標(biāo)達(dá)到要求的情況下盡可能降低白車身質(zhì)量。在保證參數(shù)化白車身模態(tài)頻率和剛度性能條件下的車身輕量化設(shè)計(jì)中,約束車身的一階扭轉(zhuǎn)降低小于5%。設(shè)計(jì)變量的數(shù)量和設(shè)計(jì)空間決定了優(yōu)化設(shè)計(jì)的設(shè)計(jì)頻率和優(yōu)化結(jié)果。為了提高設(shè)計(jì)效率,縮短設(shè)計(jì)周期,將白車身分為發(fā)動(dòng)機(jī)艙總成、頂蓋總成、側(cè)圍總成、地板總成,去除安全相關(guān)的關(guān)鍵件,然后從各總成中選取68個(gè)變量,其中包括了56個(gè)厚度變量和12個(gè)形狀、位置、截面等變量。
對(duì)關(guān)鍵提升位置選取部分進(jìn)行展示,構(gòu)建輪罩內(nèi)加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)路徑,貫通到后地板橫梁,扭轉(zhuǎn)剛度提高1 112 N·m/(°),質(zhì)量增加2.4 kg(見(jiàn)圖8); D柱上接頭和下接頭增加隔板后,扭轉(zhuǎn)剛度提高350 N·m/(°)(見(jiàn)圖9)。
圖8 輪罩加強(qiáng)板連續(xù)貫通
圖9 D柱下接頭增加隔板
分析設(shè)計(jì)中某個(gè)設(shè)計(jì)變量的變化對(duì)整個(gè)系統(tǒng)狀態(tài)的影響程度?;陔[式參數(shù)化的厚度優(yōu)化分析很有必要,且很有效。當(dāng)有多個(gè)設(shè)計(jì)變量時(shí),優(yōu)化前可根據(jù)靈敏度大小進(jìn)行篩查和排序,剔除靈敏度較小的變量。靈敏度計(jì)算也是一階優(yōu)化算法所必須的。經(jīng)隱式參數(shù)化優(yōu)化分析厚度敏感度,得到車身構(gòu)件的質(zhì)量貢獻(xiàn)率(見(jiàn)圖10)以及扭轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)率(見(jiàn)圖11):在車身剛度性能指標(biāo)達(dá)到要求的情況下盡可能降低白車身質(zhì)量。白車身部分料厚調(diào)整(見(jiàn)圖12),扭轉(zhuǎn)剛度增加314 N·m/(°),減重7.3 kg。
基于應(yīng)力分布云圖設(shè)計(jì),考慮成本、工藝進(jìn)行優(yōu)化,焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化精簡(jiǎn)(見(jiàn)圖13),在關(guān)鍵接頭位置適當(dāng)調(diào)整增加,在非關(guān)鍵區(qū)域適當(dāng)減少;結(jié)構(gòu)膠長(zhǎng)度優(yōu)化到15 m(見(jiàn)圖14),提升扭轉(zhuǎn)剛度4%。
圖10 基于隱式參數(shù)化的質(zhì)量貢獻(xiàn)率分析
圖11 基于隱式參數(shù)化的扭轉(zhuǎn)貢獻(xiàn)率分析
圖13 焊點(diǎn)模型
圖14 車身結(jié)構(gòu)膠分布圖
根據(jù)計(jì)算獲得優(yōu)化后參數(shù)化白車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)力分布云圖(見(jiàn)圖15),得到優(yōu)化后扭轉(zhuǎn)剛度為21 000 N·m/(°),質(zhì)量389.2 kg。優(yōu)化后的白車身質(zhì)量降低了23.33 kg,降重率達(dá)到了5.66%,扭轉(zhuǎn)剛度提升了8 080 N·m/(°),提升率達(dá)到62%,并且遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了扭轉(zhuǎn)剛度目標(biāo)17 000 N·m/(°),彎曲剛度提升了6 323 N/mm,提升率達(dá)到49.8%,輕量化系數(shù)為3.2,比競(jìng)品輕量化系數(shù)還要低。
圖15 優(yōu)化后目標(biāo)車型白車身扭轉(zhuǎn)應(yīng)變能分布圖
試驗(yàn)加載點(diǎn)位于白車身的左、右前懸置點(diǎn),在上述支撐或舉升器的支護(hù)下,將加載裝置通過(guò)夾緊器與白車身左、右前懸置點(diǎn)部位夾緊。利用加載裝置在左、右前懸置點(diǎn)部位施加大小相同、方向相反的力偶,為2 000 N·m,力的方向沿著鉛垂方向(見(jiàn)圖16)。加載時(shí),兩個(gè)加載器從零緩慢增加且增幅相同。在力和位移的關(guān)系出現(xiàn)一段線性關(guān)系時(shí),且線性關(guān)系段的位移達(dá)到相當(dāng)于白車身前端加載點(diǎn)處繞縱向軸線轉(zhuǎn)1°~3°加載器加載桿的位移時(shí),停止加載。
試驗(yàn)測(cè)量點(diǎn)應(yīng)布置在能體現(xiàn)車架總體剛度的部位,全面反映白車身整體扭轉(zhuǎn)剛度特性,同時(shí)要便于測(cè)量?jī)x表的安裝與調(diào)試。該試驗(yàn)測(cè)點(diǎn)位置選在車身前后座底部、車身底部中央通道、底部主要承載縱梁和左右門檻梁下部及保險(xiǎn)杠處,共30個(gè)位移測(cè)點(diǎn),利用百分表測(cè)量各測(cè)點(diǎn)的Z向位移。車身底部垂向位移測(cè)量點(diǎn)布置見(jiàn)圖17。
圖16 剛度試驗(yàn)狀態(tài)
圖17 扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)千分表布置分布
最終試驗(yàn)結(jié)果為扭轉(zhuǎn)剛度為21 445 N·m/(°)(見(jiàn)圖18),實(shí)車測(cè)量白車身質(zhì)量為389.2 kg。
圖18 實(shí)車靜態(tài)扭轉(zhuǎn)變形曲線(2 000 N·m)
通過(guò)隱式參數(shù)化模型的優(yōu)化技術(shù),對(duì)參數(shù)化白車身進(jìn)行質(zhì)量、扭轉(zhuǎn)剛度的分析和對(duì)比,確定輕量化最佳方案,從而使質(zhì)量及性能目標(biāo)按期達(dá)成。對(duì)比傳統(tǒng)的CAE模型,實(shí)車扭轉(zhuǎn)剛度試驗(yàn)和CAE剛度結(jié)果的誤差在10%以內(nèi),提高了優(yōu)化效率和
準(zhǔn)確度,對(duì)新開發(fā)車型有重大意義。