基于仿真ODS法的某車(chē)型后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度優(yōu)化設(shè)計(jì)

曾維和 張德彬 吳強(qiáng) 茍黎剛 管迪

摘 要：文章基于NASTRAN對(duì)某SUV車(chē)型后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度進(jìn)行仿真分析，根據(jù)動(dòng)剛度仿真結(jié)果對(duì)原有方案提出了兩種輕量化構(gòu)思方案，然后對(duì)輕量化方案的動(dòng)剛度進(jìn)行驗(yàn)證比較，優(yōu)選出綜合性能更優(yōu)越的輕量化方案;最后對(duì)優(yōu)選的輕量化方案進(jìn)行ODS仿真分析，根據(jù)ODS分析結(jié)果對(duì)鎖扣安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，既提升了動(dòng)剛度性能又實(shí)現(xiàn)減重降本的目標(biāo)。研究結(jié)果表明：與初始方案比，優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)能實(shí)現(xiàn)單側(cè)減重0.65kg，輕量化比例高達(dá)33.2%，輕量化降本效果顯著。優(yōu)化方案后門(mén)鎖扣X/Y/Z向動(dòng)剛度均有不同程度增加，動(dòng)剛度水平提升至與初始方案基本相當(dāng)。

關(guān)鍵詞：后門(mén)鎖扣;動(dòng)剛度;ODS法仿真;結(jié)構(gòu)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào)：U463 ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ?文章編號(hào)：1671-7988（2020）10-54-04

Dynamic Stiffness Optimization of Rear Door Latch Striker?Basedon Simulation of ODS

Zeng Weihe， Zhang Debin， Wu Qiang， Gou Ligang， Guan Di

（?Geely Automobile Research Institute Ningbo Co. Ltd，?Zhejiang Ningbo 315336?）

Abstract：?Rear door latch striker dynamic stiffness of one vehicle was simulated by NASTRAN. Based on dynamic stiffness result of base design， two lightweight design was proposed. And then chosen lightweight design proposal with better overall performance by verifying and comparing dynamic stiffness result of two lightweight design solutions. Lastly ODS simulation of chosen lightweight design proposal was applied. And rear door latch striker mounting structure design was optimized according to ODS analysis result. Optimized design improved latch striker dynamic stiffness performance and also achieved the goal of reducing weight and cost. Investigation result indicate that： Optimized latch striker mounting structure can achieve 0.65kg weight loss on one side， it reaches 30% weight loss and has significant effect on lightweight cost reduction. Latch striker dynamic stiffness in X/Y/Z direction of optimized mounting structure increased in varying degrees， and its dynamic stiffness level was promoted to be comparable to the initial design.

Keywords： Rear door latch striker;?dynamic stiffness; ODS method simulation;?Structure optimization

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-54-04

引言

汽車(chē)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)（Door Closing Sound Quality，簡(jiǎn)稱(chēng)DCSQ）是評(píng)價(jià)整車(chē)NVH性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)^[1-2]，關(guān)門(mén)聲品質(zhì)直接影響客戶(hù)對(duì)整車(chē)品質(zhì)的感受。隨著消費(fèi)者對(duì)汽車(chē)品質(zhì)的日益增高，國(guó)內(nèi)外汽車(chē)廠(chǎng)商的工程師們和研究學(xué)者在汽車(chē)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)的主要影響因素^[1]、評(píng)價(jià)方法^[2-3]及如何提升關(guān)門(mén)聲品質(zhì)^[4-6]等方面做了大量研究。

福特汽車(chē)的A. Petniunas^[7]等人研究表明對(duì)關(guān)門(mén)聲尖銳度貢獻(xiàn)最大的因素是門(mén)鎖/鎖扣之間相互作用，車(chē)門(mén)鎖扣安裝區(qū)域若剛度不足，在用力關(guān)門(mén)時(shí)門(mén)鎖與鎖扣撞擊接觸激勵(lì)結(jié)構(gòu)非線(xiàn)性振動(dòng)會(huì)放大關(guān)門(mén)聲尖銳度的峰值水平，造成關(guān)門(mén)聲品質(zhì)衰減，影響客戶(hù)選車(chē)時(shí)對(duì)整車(chē)品質(zhì)的第一印象。藺磊等人通過(guò)實(shí)車(chē)測(cè)試和主客觀(guān)評(píng)價(jià)方法研究發(fā)現(xiàn)，提升后門(mén)鎖扣和后側(cè)圍區(qū)域動(dòng)剛度能提高后車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)水平^[8]。因此開(kāi)展鎖扣動(dòng)剛度仿真優(yōu)化工作具有一定的工程實(shí)際意義。

本文中以某SUV車(chē)型為研究對(duì)象，根據(jù)基礎(chǔ)方案的動(dòng)剛度仿真結(jié)果，提出輕量化構(gòu)思方案，并結(jié)合ODS仿真技術(shù)，對(duì)輕量化方案進(jìn)行虛擬驗(yàn)證和優(yōu)化，將后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度提升到更高的水平，并達(dá)到輕量化降本設(shè)計(jì)的目標(biāo)。

1 仿真模型與方法介紹

1.1?動(dòng)剛度仿真建模

基于A(yíng)NSA建立白車(chē)身模型，鎖扣動(dòng)剛度仿真計(jì)算模型選用某SUV車(chē)型白車(chē)身模型，車(chē)身模型如圖1（a）。車(chē)身建模網(wǎng)格尺寸5.4mm，車(chē)身零件間焊點(diǎn)，焊縫，膠粘，螺栓等連接信息應(yīng)包含在仿真模型中。為計(jì)算鎖扣局部動(dòng)剛度，在鎖扣處建立局部坐標(biāo)系，局部坐標(biāo)系Z向沿鎖扣撞針軸向，Y向與全局Y向一致，建立的鎖扣局部坐標(biāo)系如圖1（b）。

使用NASTRAN SOL111求解器進(jìn)行模態(tài)響應(yīng)分析，求解頻率范圍設(shè)置為10～500Hz，頻率步長(zhǎng)1Hz，結(jié)構(gòu)阻尼常數(shù)設(shè)置為0.08。求解時(shí)白車(chē)身模型處于自由態(tài)，不施加任何約束。

輸出后門(mén)鎖扣響應(yīng)點(diǎn)位移隨頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，求解完成后在META中進(jìn)行后處理，得到左右側(cè)后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度隨頻率的響應(yīng)曲線(xiàn)。

1.2?ODS仿真

工作變形分析（Operational Deflection Shape，簡(jiǎn)稱(chēng)ODS）可求解到結(jié)構(gòu)處于工作狀態(tài)下的總變形響應(yīng)，ODS法仿真能得到特定工作頻率下結(jié)構(gòu)振型，這種振型形狀是結(jié)構(gòu)激起來(lái)的各階模態(tài)振型線(xiàn)性疊加的結(jié)果^[9-10]。根據(jù)1.1中求得的后門(mén)鎖扣剛度隨頻率響應(yīng)曲線(xiàn)，找到剛度在求解頻率范圍內(nèi)最小值所在的頻率，然后基于NASTRAN SOL111進(jìn)行ODS仿真，求解得到指定頻率下的車(chē)身結(jié)構(gòu)振型和應(yīng)變能分布，幫助快速識(shí)別結(jié)構(gòu)薄弱位置，指導(dǎo)有的放矢地進(jìn)行后門(mén)鎖扣安裝結(jié)構(gòu)優(yōu)化，提升其動(dòng)剛度性能。

2 結(jié)果分析與討論

2.1 動(dòng)剛度仿真分析及結(jié)果比較

某SUV車(chē)型后門(mén)鎖扣區(qū)域初始設(shè)計(jì)方案如圖2（a）所示，鎖扣安裝結(jié)構(gòu)由鎖扣加強(qiáng)板、C柱外加強(qiáng)板、加強(qiáng)板支撐腿組成，鎖扣加強(qiáng)板一側(cè)支撐于C柱內(nèi)板，另一側(cè)由C柱加強(qiáng)板支撐，加強(qiáng)板左下角設(shè)計(jì)有加強(qiáng)板支撐腿與輪包連接，鎖扣安裝結(jié)構(gòu)重量共1.96kg。對(duì)初始方案進(jìn)行動(dòng)剛度仿真得到后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度響應(yīng)曲線(xiàn)（如圖3所示），根據(jù)動(dòng)剛度曲線(xiàn)可得到固定頻率范圍內(nèi)動(dòng)剛度最低值（統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表1）。動(dòng)剛度結(jié)果顯示：初始鎖扣固定結(jié)構(gòu)剛度性能較好，左側(cè)鎖扣X，Y，Z向最低動(dòng)剛度分別為7.37kN/mm，1.21kN/mm，3.90kN/?mm;右側(cè)鎖扣動(dòng)剛度與左側(cè)基本相當(dāng)，分別為7.91kN/mm，1.13kN/mm，2.68kN/mm;與X，Z動(dòng)剛度比，Y向動(dòng)剛度值相對(duì)較低，研發(fā)早期應(yīng)特別關(guān)注Y向剛度。這種設(shè)計(jì)方案雖剛度較好，但重量較大，形狀復(fù)雜，模具成本高，安裝操作性差，經(jīng)濟(jì)性不佳。

為達(dá)到輕量化降本的目的，對(duì)鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)，提出兩種輕量化思路，輕量化設(shè)計(jì)后的結(jié)構(gòu)示意見(jiàn)圖2（b）（c）。方案一：將C柱外加強(qiáng)板取消，鎖扣加強(qiáng)板分4個(gè)支腿，一側(cè)支撐于輪包，另3個(gè)支腿與C柱焊接，單獨(dú)設(shè)計(jì)L型支架連接鎖扣加強(qiáng)板與C柱;設(shè)計(jì)完成的安裝結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖2（b），重量1.20kg，可減重0.76kg。方案二：在方案一基礎(chǔ)上進(jìn)一步簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，為減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量，節(jié)省開(kāi)模成本，將L型支架與鎖扣加強(qiáng)板合并，結(jié)構(gòu)如圖2（c）所示，重量1.15kg，重量減輕0.81kg。分析輕量化設(shè)計(jì)后結(jié)構(gòu)的動(dòng)剛度曲線(xiàn)（圖2）可清晰看到：減重后鎖扣X/Y/Z向動(dòng)剛度均出現(xiàn)不同程度降低。比較方案一，方案二的動(dòng)剛度最低值（表1）可知：L型加強(qiáng)件與鎖扣加強(qiáng)板合并設(shè)計(jì)后，各方向剛度值均有所降低，方案二在方案一基礎(chǔ)上取消L型支撐件，僅減重0.05kg，但Y向鎖扣最小動(dòng)剛度由0.94kN/mm下降至0.78kN/mm，下降幅度達(dá)17%，可見(jiàn)L型加強(qiáng)板在增強(qiáng)鎖扣Y向剛度作用特別關(guān)鍵。

2.2 ODS仿真及結(jié)構(gòu)優(yōu)化

比較2.1中的輕量化方案一和方案二的動(dòng)剛度結(jié)果容易發(fā)現(xiàn)，方案一X/Y/Z向動(dòng)剛度均優(yōu)于方案二，兩種輕量化結(jié)構(gòu)的重量基本相當(dāng)，因此優(yōu)選出方案一作為優(yōu)化對(duì)象，在方案一基礎(chǔ)上對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)一步優(yōu)化，將其結(jié)構(gòu)動(dòng)剛度提升至更高的水平。

用力關(guān)車(chē)門(mén)時(shí)一部分未被車(chē)門(mén)密封條和緩沖塊吸收的能量將引起結(jié)構(gòu)產(chǎn)生非線(xiàn)性振動(dòng)，鎖扣剛度不足未吸收的能量不能在關(guān)閉瞬間全部耗散，剩余的高頻能量脈沖會(huì)激勵(lì)車(chē)門(mén)結(jié)構(gòu)振蕩，若車(chē)門(mén)剛體運(yùn)動(dòng)振蕩速率與車(chē)門(mén)柔性模態(tài)同步，會(huì)放大關(guān)門(mén)聲尖銳度和響度，導(dǎo)致關(guān)門(mén)聲品質(zhì)降級(jí);工程實(shí)踐中一般將后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度控制在1.0kN/mm以上。表1中統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，在頻率為175Hz時(shí)，方案一Y向動(dòng)剛度最小值僅0.94kN/mm，剛度水平較低，為獲得更優(yōu)秀的的關(guān)門(mén)聲品質(zhì)表現(xiàn)，需提高此工作頻率下的Y向動(dòng)剛度值。ODS法仿真得到該頻率下的振型，可快速找準(zhǔn)優(yōu)化方向，更高效地提出解決方案;頻率175Hz時(shí)鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)的振型動(dòng)畫(huà)和應(yīng)變能分布如圖4所示，由圖清晰看到，該頻率下結(jié)構(gòu)振型呈Y向彎曲，這與Y向剛度水平較低相對(duì)應(yīng);應(yīng)變能分布情況顯示應(yīng)變能水平較高的位置集中在L型加強(qiáng)支架折彎處（圖中紅色區(qū)域），采取優(yōu)化措施調(diào)整應(yīng)變能集中區(qū)域分布情況，降低該區(qū)域應(yīng)變能水平可有效提高Y向動(dòng)剛度。

按照初始設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，“L”型加強(qiáng)件沿鎖扣安裝面方向長(zhǎng)度125mm，為增加Y向振動(dòng)時(shí)加強(qiáng)件的Y向支撐作用，對(duì)加強(qiáng)件進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)：一方面增加支撐面積，把加強(qiáng)件沿著安裝面方向向兩端分別延伸25mm，延伸后L型加強(qiáng)件長(zhǎng)度達(dá)175mm;另一方面在折彎處增加豎向加強(qiáng)筋，進(jìn)一步增加抗Y向彎折變形能力。優(yōu)化后的設(shè)計(jì)方案如圖5所示。

對(duì)優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)重新進(jìn)行動(dòng)剛度分析驗(yàn)證，仿真得到的100～400Hz頻率范圍內(nèi)左右側(cè)后門(mén)鎖扣X/Y/Z向動(dòng)剛度曲線(xiàn)見(jiàn)圖6。根據(jù)動(dòng)剛度響應(yīng)曲線(xiàn)可得到剛度最小值及其所處的頻率，統(tǒng)計(jì)結(jié)果見(jiàn)表2。統(tǒng)計(jì)結(jié)果顯示，左后門(mén)鎖扣X，Y，Z向動(dòng)剛度分別由優(yōu)化前的6.36，0.94，2.39kN/mm提高至6.69，1.22，2.42kN/mm。右側(cè)鎖扣X/Y/Z向動(dòng)剛度由優(yōu)化前的6.75/1.07/1.32kN/mm提升至7.06/1.33/1.42kN/ mm;其中Y向動(dòng)剛度提升幅度最大，左側(cè)動(dòng)剛度提升比例高達(dá)29.9%，右側(cè)動(dòng)剛度提升百分比為24.3%。由此可見(jiàn)，根據(jù)ODS法仿真結(jié)果提出的解決方案能有效提高Y向動(dòng)剛度性能。

優(yōu)化后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)由2個(gè)件（L型加強(qiáng)件和鎖扣加強(qiáng)板）組成，結(jié)構(gòu)重量1.31kg，與初始設(shè)計(jì)的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)（如圖2（a）所示）相比，重量減輕0.65kg，減重百分比高達(dá)33.2%，結(jié)構(gòu)件數(shù)量減少1個(gè)，其左右側(cè)Y向最低動(dòng)剛度1.22/?1.33kN/mm略高于輕量化前方案的1.21/1.13kN/mm?？梢?jiàn)優(yōu)化設(shè)計(jì)的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)在保持良好的剛度性能的同時(shí)兼具輕量化效應(yīng)，有利于節(jié)能減排;減少結(jié)構(gòu)件數(shù)量能節(jié)省開(kāi)模成本，經(jīng)濟(jì)性效果更佳。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文基于ODS法仿真技術(shù)，對(duì)某SUV車(chē)型后門(mén)鎖扣動(dòng)剛度進(jìn)行優(yōu)化，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)在提升動(dòng)剛度性能的同時(shí)達(dá)到了輕量化降本的目的。本文研究思路和成果可為今后車(chē)型開(kāi)發(fā)過(guò)程中鎖扣安裝區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)提供借鑒依據(jù)。本文主要結(jié)論有：

（1）與X向，Z向動(dòng)剛度比，后門(mén)鎖扣Y向動(dòng)剛度值水平最低，研發(fā)實(shí)踐中特別注意Y向動(dòng)剛度并適當(dāng)控制;鎖扣安裝結(jié)構(gòu)件中L型加強(qiáng)板在增強(qiáng)Y向剛度起到極為關(guān)鍵的作用。

（2）與初始方案比，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的鎖扣安裝結(jié)構(gòu)方案能實(shí)現(xiàn)減重0.65kg，減重比例33.2%，輕量化、降本效果顯著，具有良好的經(jīng)濟(jì)性。

（3）優(yōu)化方案后門(mén)鎖扣Y向最小動(dòng)剛度值達(dá)到了1.22kN/mm，提升幅度高達(dá)29.9%，與初始方案動(dòng)剛度基本相當(dāng)，動(dòng)剛度性能提升有利于關(guān)門(mén)聲品質(zhì)提高。

參考文獻(xiàn)

[1] 趙立路，于德介，陳關(guān)寶.汽車(chē)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)參數(shù)的建立[J].噪聲與振動(dòng)控制， 2013， 33（3）： 132-137.

[2] 藺磊，顧彥，藺玉輝等.車(chē)輛關(guān)門(mén)聲品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究[J].汽車(chē)工程學(xué)報(bào)， 2012， 2（2）： 129-133.

[3] 王長(zhǎng)山，張立軍.汽車(chē)關(guān)門(mén)聲聲品質(zhì)評(píng)價(jià)方法的研究[J].汽車(chē)工程， 2011， 33（10）： 902-906.

[4] 楊川，于德介.汽車(chē)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)改進(jìn)方法的研究[J].汽車(chē)工程，2012， 34（8）： 686-691.

[5] 黃豐云，張琳.某試驗(yàn)車(chē)車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)聲優(yōu)化研究[J].數(shù)字制造科學(xué)， 2019， 17（1）： 1-5.

[6] 謝明睿，劉海紅，吳澍平等.某SUV車(chē)門(mén)關(guān)門(mén)聲品質(zhì)建模與優(yōu)化[J].應(yīng)用聲學(xué)，2017， 36（6）： 490-496.

[7] A.Petniunas，N. C. Otto， S. Amman.Door System Design for Impr?-oved Closure Sound Quality [C]. SAE Paper 1999-01-1681.

[8] 藺磊，顧彥，藺玉輝等.車(chē)輛關(guān)門(mén)聲品質(zhì)的優(yōu)化研究[J].北京汽車(chē)， 2012， 3： 35-38.

[9] 夏洪兵，劉偉，魏博雄等.基于仿真ODS法的某SUV車(chē)NTF優(yōu)化[J]. 重慶理工大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)）， 2018， 32（11）： 45-51.

[10] 譚萬(wàn)軍，楊亮，吳行讓等.基于ODS與試驗(yàn)?zāi)B(tài)分析的方向盤(pán)擺振優(yōu)化[J].振動(dòng)工程學(xué)報(bào)， 2011， 24（5）： 498-504.