【日】 斉藤孝信 塩崎毅 玉井良清
出于環(huán)保及改善燃油耗的需求,各大車企正在快速推進(jìn)汽車車體的輕量化。為實(shí)現(xiàn)輕量化,汽車白車身更傾向于使用高強(qiáng)度鋼板。隨著高強(qiáng)度鋼板的應(yīng)用,相應(yīng)降低了板材厚度,使整個(gè)車體的剛度也隨之降低。作為相關(guān)對(duì)策,使用質(zhì)量最輕的材料以彌補(bǔ)由此降低的剛度是必不可少的。目前,可通過拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法實(shí)現(xiàn)改良[1-2]。拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法是在給予一定設(shè)計(jì)空間的前提下,保留所必備的單元。通過拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化設(shè)計(jì),可將復(fù)雜而獨(dú)特的形狀應(yīng)用于零部件。該方法目前已在發(fā)動(dòng)機(jī)缸體及懸架下控制臂等領(lǐng)域的最優(yōu)化過程中得到應(yīng)用。
就由薄板構(gòu)成的車體而言,由于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程中須重點(diǎn)考慮單元尺寸及計(jì)算負(fù)荷等問題,不能使單元尺寸過度縮小[3],所以運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法難以設(shè)計(jì)出具體的零件形狀?;诔醪降脑O(shè)計(jì)指南[3-4],研究人員針對(duì)目前車體結(jié)構(gòu)中靈敏度較高的部分,對(duì)薄殼單元實(shí)現(xiàn)了拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化處理[5-6]。
本文介紹了在由薄殼單元組成的汽車車體結(jié)構(gòu)中,引入由實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間,使用拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法以改善零部件形狀[7-9]。此外,介紹了拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化分析程序在點(diǎn)焊中的應(yīng)用,以及針對(duì)粘結(jié)劑涂覆位置最優(yōu)化過程的示例[10]。
圖1 最優(yōu)化過程中使用的整車模型
圖1表示用于白車身最優(yōu)化過程的整車模型。該整車模型由美聯(lián)邦新車評(píng)價(jià)中心(NCAC)所公布,車體由薄殼單元所構(gòu)成。圖2示出了車體承載負(fù)荷的4個(gè)約束條件。約束前懸架安裝部件與后部螺旋彈簧安裝部件共占4個(gè)條件中的3個(gè),剩下1個(gè)負(fù)荷條件是在車輛上方加載1 000 N負(fù)荷。同時(shí),科研人員設(shè)定了變更負(fù)荷加載位置的4個(gè)條件,使用了圖1所示的白車身,對(duì)在由薄殼單元構(gòu)成的車體中采用的空間設(shè)計(jì)方法的合理性進(jìn)行了驗(yàn)證。目標(biāo)部件被設(shè)定為在靈敏度分析中用于構(gòu)成后部地板的側(cè)構(gòu)件與橫向構(gòu)件的結(jié)合部分。圖3示出了最優(yōu)化的目標(biāo)部件。在設(shè)計(jì)空間的引入過程中,科研人員去除橫向構(gòu)件的終端部件,從而對(duì)由實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間進(jìn)行了布置??紤]到負(fù)荷的傳遞需求,將通過實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間與通過薄殼單元構(gòu)成的橫向構(gòu)件的端部、后部側(cè)構(gòu)件,以及地板進(jìn)行了連接。最優(yōu)化的目標(biāo)條件是使圖2所示的4個(gè)負(fù)荷條件的平順性總和最小。約束條件還應(yīng)考慮到在設(shè)計(jì)空間內(nèi)通過薄板生成零件的形狀,將其體積百分率設(shè)定為20%。此外,研究人員充分運(yùn)用基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法的保留結(jié)果,優(yōu)化了零件形狀,進(jìn)而確保了其剛度。
圖2 扭轉(zhuǎn)剛度的負(fù)荷約束條件
圖3 最優(yōu)化過程的目標(biāo)部件
圖4示出了車體經(jīng)拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化處理后的保留部分。該保留部分由后部側(cè)構(gòu)件與橫向構(gòu)件所組成,重點(diǎn)保留了設(shè)計(jì)空間的地板側(cè)平面。通常認(rèn)為應(yīng)從加載點(diǎn)通過側(cè)構(gòu)件、橫向構(gòu)件向地板傳遞負(fù)荷。
圖4 拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程后的保留結(jié)果
圖5表示了運(yùn)用基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法而生成的新零件與原零件的形狀對(duì)比。最優(yōu)化后的零件與原零件同樣用點(diǎn)焊連接了側(cè)構(gòu)件、橫向構(gòu)件和地板。以原零件為基準(zhǔn),經(jīng)最優(yōu)化處理后的零件的抗扭剛度提高約4.3%,質(zhì)量增加了0.1 kg。在通常情況下,提高車體扭轉(zhuǎn)剛度具有較高難度。研究人員從質(zhì)量效率的觀點(diǎn)出發(fā),認(rèn)為通過該方法能實(shí)現(xiàn)抗扭剛度的最優(yōu)化(指能以最小的質(zhì)量增加為代價(jià)而強(qiáng)化零件剛度)。
圖5 零件原有形狀與經(jīng)最優(yōu)化后的形狀
圖6通過應(yīng)變能分布情況的對(duì)比,以說明零件最優(yōu)化后的效果。在該最優(yōu)化實(shí)例中,可使零件平順性的總和降至最低。原零件中橫向構(gòu)件的邊線及地板的邊角位置均產(chǎn)生了較大的應(yīng)變能。由此確認(rèn),經(jīng)最優(yōu)化處理后的橫向構(gòu)件的邊線及地板邊角位置的應(yīng)變能均已大幅降低。
圖6 零件應(yīng)變能分布情況的對(duì)比
圖7表示運(yùn)用了計(jì)算機(jī)輔助工程(CAE)的特征值分析而得出的車體前部彎曲變形的狀態(tài)。作為本次研究的對(duì)象,選擇了僅在車體前部沿車寬方向進(jìn)行移動(dòng)的前部彎曲模式。車體全長為4 178 mm,用25倍表示了其變形情況。根據(jù)圖7可知,車體僅會(huì)面臨前部彎曲的狀態(tài)。從該彎曲模式的特征值看,原車體彎曲特征值為31 Hz,操縱安全性較好的車體的前部彎曲特征值會(huì)在40 Hz以上。因此,研究人員將比40 Hz更高的數(shù)值作為目標(biāo)而開展研究。
圖7 基于前部彎曲變形狀態(tài)的特征值分析
對(duì)圖1所示的白車身,通過在由薄殼單元構(gòu)成的車體上引入空間設(shè)計(jì)的方法,建立了最優(yōu)化模型。優(yōu)化過程的目標(biāo)部件被設(shè)定為前部橫向彎曲區(qū)域內(nèi)從散熱器固定架到發(fā)動(dòng)機(jī)上部的前側(cè)部分。圖8(a)示出了原車體狀態(tài);圖8(b)表示從原車體去除了零件后的狀態(tài);圖8(c)表示將由實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間引入至全車模型后的狀態(tài)。對(duì)于去除了散熱器固定架及翼子板支架而保留了前構(gòu)件的車體而言,配置了通過實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間。此外,考慮到負(fù)荷傳遞需求,連接了設(shè)計(jì)空間與車體,設(shè)定了最優(yōu)化的目標(biāo)條件,使前端彎曲特征值最大化,并設(shè)定了其體積百分率應(yīng)為20%以下。作為對(duì)性能的驗(yàn)證,運(yùn)用經(jīng)拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化后的保留結(jié)果,生成了斷面形狀各異的模型,同時(shí)調(diào)整了其形狀及板厚,進(jìn)而驗(yàn)證了特征值。另外,作為技術(shù)對(duì)比,對(duì)用于固定保險(xiǎn)杠的塔形支撐桿進(jìn)行了驗(yàn)證,并將基于靈敏度分析而設(shè)計(jì)出的零件作為優(yōu)化目標(biāo),對(duì)通過增加板厚而改善了特征值的情況進(jìn)行了驗(yàn)證。
圖8 引入了實(shí)心單元的車體模型
圖9表示利用車體模型進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化后保留的狀態(tài)。保留特征的結(jié)果是前側(cè)部分呈現(xiàn)X形。先在散熱器固定架附近實(shí)現(xiàn)一次性收縮,然后與保險(xiǎn)杠左右安裝部相連接,再次在車體下部收縮,從而得出了保留后的狀態(tài)結(jié)果。從該結(jié)果可知,為提高前部彎曲的特征值,通過連接部件而支承前部懸架及保險(xiǎn)杠的方案是卓有成效的。
圖9 利用車體模型進(jìn)行拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化后保留的狀態(tài)
將經(jīng)最優(yōu)化后設(shè)計(jì)出的零件配裝到車體上,同時(shí)作為與最優(yōu)化零件的比較,采用了連接左、右懸架的塔形支撐桿。圖10示出了經(jīng)靈敏度分析后增加了板厚的零件。將這些零件的板厚同樣按1.2倍、1.4倍、2.0倍分別設(shè)定,并進(jìn)行了特征值分析。圖11同時(shí)示出了使用塔形支撐桿、增加板厚,以及通過形狀最優(yōu)化處理后的零件前部彎曲特征值。經(jīng)最優(yōu)化處理后的零件的前部彎曲特征值為55 Hz,該類值得以大幅提高。將塔形支撐桿的特征值增加0.2 Hz,對(duì)于前部彎曲部件而言,特征值的增加尚無法起到明顯效果。此外,即便只增加高靈敏度零件的板厚,如以增加25 kg的板件質(zhì)量為例,其特征值也只能提高到35 Hz,其效果無法與最優(yōu)化過程相比。
圖10 增加了板厚的零件
圖11 形狀最優(yōu)化后的零件特征值
圖12示出了點(diǎn)焊焊接點(diǎn)最優(yōu)化程序的示意圖。該圖模擬了零件凸緣部,是按20 mm間隔設(shè)定補(bǔ)加焊接點(diǎn)的示例。原焊接點(diǎn)按40 mm間距進(jìn)行布置,優(yōu)化后按最小20 mm間距將其設(shè)定為最優(yōu)化過程的目標(biāo)焊接點(diǎn)。根據(jù)拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法,只保留了對(duì)剛度有較大提升效果的焊接點(diǎn)。
在整車模型中,按照10 mm、20 mm、30 mm分別調(diào)整最小焊接點(diǎn)間距,研究了其對(duì)剛度的影響。整車模型使用了圖1所示的車體,負(fù)荷條件則使用了圖2的抗扭剛度負(fù)荷約束條件,并通過實(shí)心單元描述了焊接點(diǎn)。相比車體上原設(shè)定的3 906個(gè)焊點(diǎn),按最小20 mm的焊接點(diǎn)間隔,設(shè)定了最優(yōu)化后的目標(biāo)焊接點(diǎn)數(shù)為3 168個(gè);按最小10 mm的焊接點(diǎn)間隔,設(shè)定了最優(yōu)化后的目標(biāo)焊接點(diǎn)數(shù)為10 932個(gè);按最小30 mm的焊接點(diǎn)間隔,設(shè)定最優(yōu)化的目標(biāo)焊點(diǎn)數(shù)為1 679個(gè)。將上述焊接點(diǎn)設(shè)定為后續(xù)開展拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程的目標(biāo)條件,使4個(gè)負(fù)荷條件的平順性總和最小,使其為剛度最大的約束條件,從而保留了焊接點(diǎn)數(shù)與最優(yōu)化焊接點(diǎn)數(shù)的比例。最優(yōu)化過程后保留的焊接點(diǎn)數(shù)都按最小焊接點(diǎn)間隔分別設(shè)定為200個(gè)、400個(gè)和600個(gè)。此外,使用了基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程的保留結(jié)果,生成整車模型,并通過CAE驗(yàn)證了其剛度。
此外,在具有高應(yīng)變特性的焊接點(diǎn)附近補(bǔ)加了其他焊接點(diǎn),與最優(yōu)化后的結(jié)果進(jìn)行了比較。圖13示出了通過傳統(tǒng)方法補(bǔ)充焊接點(diǎn)的示意圖。采用的方法是在應(yīng)變能較大的焊接點(diǎn)兩側(cè)間距20 mm的位置上各補(bǔ)加2個(gè)焊接點(diǎn)。在上述4個(gè)負(fù)荷條件下的各個(gè)焊接點(diǎn)上,按照應(yīng)變能總和大小進(jìn)行排序,將目標(biāo)焊接點(diǎn)數(shù)設(shè)定為100個(gè)。在這100個(gè)目標(biāo)焊接點(diǎn)的兩側(cè),按最小20 mm的間距補(bǔ)加了200個(gè)焊接點(diǎn)。
圖14示出了在整車模型的各個(gè)最小焊接點(diǎn)間隔條件下,基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程后保留的焊接點(diǎn)。這是在各種焊接點(diǎn)間隔條件下均補(bǔ)充200個(gè)焊接點(diǎn)的結(jié)果。保留焊接點(diǎn)的位置主要分布于后部橫向構(gòu)件(后橫梁),車身B柱上、下部,A柱及減振器塔形支撐件周邊。此外,在焊接點(diǎn)間距較小的情況下,可看到保留的焊接點(diǎn)呈現(xiàn)密集分布的趨勢(shì);在焊接點(diǎn)間隔較大的情況下,可看到保留的焊接點(diǎn)呈現(xiàn)分散的趨勢(shì)。
圖12 補(bǔ)充焊接點(diǎn)的最優(yōu)化過程示意圖
圖13 通過傳統(tǒng)方法補(bǔ)充焊接點(diǎn)的示意圖
圖14 基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程而保留的焊點(diǎn)
圖15表示運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程,通過補(bǔ)充焊接點(diǎn)以提高車體剛度的效果。在所有最小焊接點(diǎn)間隔的條件下(指焊接點(diǎn)間距分為別為10 mm、20 mm、30 mm),隨著焊接點(diǎn)數(shù)的不斷補(bǔ)充,剛度有所提高。但當(dāng)焊接點(diǎn)間距為30 mm時(shí),隨著焊接點(diǎn)數(shù)的增加,剛度提高效果逐漸趨于飽和。另外,在同樣補(bǔ)充焊接點(diǎn)的條件下,焊接點(diǎn)間隔越小時(shí)剛度提高效果越明顯。此類現(xiàn)象是由于10 mm的焊接點(diǎn)間隔較小,所以能可靠地設(shè)定有利于提升剛度的焊點(diǎn)位置;在焊接點(diǎn)間隔為30 mm的條件下,由于受焊接點(diǎn)間隔的制約,通常無法直接提升部件的剛度。
圖15 利用最優(yōu)化過程補(bǔ)充焊接點(diǎn)以提升車體剛度的效果
圖16表示分別通過傳統(tǒng)方法與拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法補(bǔ)充200個(gè)焊接點(diǎn)位置后的效果比較。通過傳統(tǒng)方法補(bǔ)充的焊接點(diǎn)位置集中于后方橫向構(gòu)件及車身B柱的上部和下部,而通過拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法追加的焊接點(diǎn)基本分布于整個(gè)車體上。圖17表示采用傳統(tǒng)方法及拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法,通過補(bǔ)充點(diǎn)焊焊接點(diǎn)以提高剛度的效果。采用拓?fù)鋵W(xué)方法的剛度提升效果比采用傳統(tǒng)方法的剛度提升效果要高出3倍。這可認(rèn)為是初期通過傳統(tǒng)方法決定后續(xù)焊接點(diǎn)的位置,但卻無法適應(yīng)補(bǔ)充焊接點(diǎn)過程中的應(yīng)變狀態(tài)所導(dǎo)致的。另一方面,在拓?fù)鋵W(xué)方法應(yīng)用過程中,認(rèn)為補(bǔ)充的焊接點(diǎn)位置已得以最優(yōu)化,以便在補(bǔ)充200個(gè)焊接點(diǎn)時(shí)使剛度達(dá)到最大。
圖16 補(bǔ)充焊接點(diǎn)的位置比較
圖17 利用補(bǔ)充焊接點(diǎn)的方法以提高剛度的效果對(duì)比
至于針對(duì)粘結(jié)劑涂覆位置的最優(yōu)化,使用了圖1所示的白車身模型,負(fù)荷條件則與焊接點(diǎn)位置最優(yōu)化過程相同。在整車模型方面,根據(jù)在凸緣面上涂覆粘結(jié)劑的狀態(tài),運(yùn)用了拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法,調(diào)整保留量,研究了其對(duì)剛度的影響。粘結(jié)劑通常被設(shè)定為實(shí)心單元,設(shè)定了涂覆全長為103 m的結(jié)構(gòu)用粘結(jié)劑。由于前后保險(xiǎn)杠部、車頂部、副車架等部件并非粘結(jié)劑的主要應(yīng)用部位,因此通常不被計(jì)入研究目標(biāo)。
研究人員將應(yīng)用粘結(jié)劑的部位設(shè)定為拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程的目標(biāo)條件,以使4個(gè)負(fù)荷條件的平順性總和最小。為使剛度達(dá)到最大,在制約條件方面使用了保留的粘結(jié)劑量/以最優(yōu)化為目標(biāo)的粘結(jié)劑用量的比例參數(shù)。經(jīng)最優(yōu)化過程后保留的粘結(jié)劑的比例分別設(shè)定為80%、60%、40%和20%共4種情況。此外,運(yùn)用基于拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化過程的保留結(jié)果,構(gòu)建整車模型,測(cè)量了凸緣長度方向上粘結(jié)劑的涂覆長度,并對(duì)剛度進(jìn)行了驗(yàn)證。依據(jù)粘結(jié)劑的特性,研究過程中所使用的彈性模量為3.0 GPa,泊松比為0.45,比重為1.0,并通過CAE驗(yàn)證了其剛度。
研究人員利用CAE精確地構(gòu)建了結(jié)構(gòu)模型。但在使用粘結(jié)劑的情況下,該過程對(duì)人工操作依賴性較高,因而耗費(fèi)了較多工時(shí)。因此,針對(duì)焊接點(diǎn)位置的最優(yōu)化過程,重點(diǎn)研究了通過調(diào)整粘結(jié)劑涂覆位置以提高剛度的方法。由于能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化補(bǔ)充焊接點(diǎn),因此可使工時(shí)降至原來的50%以下。運(yùn)用圖12所示焊接點(diǎn)的最優(yōu)化程序,采用10 mm的焊接點(diǎn)間隔,對(duì)接合單元進(jìn)行了配置,以使其形成接近于連續(xù)接合的狀態(tài)。此外,要求接合單元與粘結(jié)劑的最優(yōu)化過程相一致,保留原有的焊接點(diǎn)。至于整車模型,相比于車體上原有的3 906個(gè)焊點(diǎn),研究人員設(shè)定了最優(yōu)化后的目標(biāo)焊接點(diǎn)數(shù)為10 932個(gè)。為使4個(gè)負(fù)荷條件的平順性總和為最小,保留了3 600個(gè)接合點(diǎn)。通過這一保留結(jié)果,開展了針對(duì)粘結(jié)劑涂覆位置的研究。
圖18表示在整車模型上使用了拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法后的粘結(jié)劑保留位置。主要保留的涂覆位置為后部橫向構(gòu)件(后橫梁)、車身B柱上下部、A柱、減振器塔形支撐件周邊及前圍板。
圖18 通過拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化并采用結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑后保留的涂敷位置
應(yīng)用基于焊接點(diǎn)位置的最優(yōu)化方法,為了重點(diǎn)研究有利于提高剛度的粘結(jié)劑涂覆位置,比較了通過拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法而補(bǔ)加的600個(gè)焊接點(diǎn)與采用粘結(jié)劑涂覆的位置。圖19示出了這些焊接點(diǎn)與采用粘結(jié)劑涂覆后的最優(yōu)化位置。保留焊接點(diǎn)的位置主要為后部橫向構(gòu)件,車身B柱上下部,A柱及減振器塔形支承件周邊區(qū)域。與粘結(jié)劑保留的位置相比,兩者分布位置大致相同。如前圍板及車身后側(cè)圍板上部,則是焊接點(diǎn)保留較少的部位。
圖19 焊接點(diǎn)與涂覆粘結(jié)劑的最優(yōu)位置
另一方面,通常認(rèn)為粘結(jié)劑在焊接點(diǎn)分布致密的區(qū)域可充分發(fā)揮成效。圖20表示了焊接點(diǎn)間隔低于20 mm的部件,以及焊接點(diǎn)間隔大于20 mm并適于涂覆粘結(jié)劑的部件。由于該方法的應(yīng)用,相比于圖19中間距較大的位置,由此也顯示了離散焊接點(diǎn)的保留結(jié)果,并認(rèn)為其能作為連續(xù)接合的粘結(jié)劑的應(yīng)用部位(即明確指出粘結(jié)劑涂覆位置)。
圖20 結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑的推薦涂敷位置
圖21表示將本方法應(yīng)用于汽車車體量產(chǎn)的實(shí)例。車體為插電式混合動(dòng)力汽車(PHEV)Edition車型的車體。在該車型后車門開口位置及貨廂后欄板的開口位置、輪罩部等處通過拓?fù)鋵W(xué)方法進(jìn)行優(yōu)化,并涂覆了粘結(jié)劑。
本文介紹了拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法在汽車車體中的應(yīng)用。就以薄板構(gòu)成的車體而言,采用由實(shí)心單元構(gòu)成的設(shè)計(jì)空間,運(yùn)用拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法,可實(shí)現(xiàn)零件形狀的最優(yōu)化并加強(qiáng)零件的最優(yōu)化配置。這種方法在負(fù)荷傳遞路線復(fù)雜的全車模型領(lǐng)域,能設(shè)計(jì)出質(zhì)量較高的零件形狀。此外,拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法對(duì)于焊接點(diǎn)位置及粘結(jié)劑涂覆位置的最優(yōu)化也有著較好效果。同時(shí),通過整車模型能有效優(yōu)化焊接點(diǎn)位置及粘結(jié)劑涂覆位置。今后,可逐漸擴(kuò)大拓?fù)鋵W(xué)最優(yōu)化方法的應(yīng)用領(lǐng)域。
圖21 針對(duì)量產(chǎn)車的結(jié)構(gòu)粘結(jié)劑應(yīng)用示例