小型電動汽車復(fù)合材料尾門結(jié)構(gòu)設(shè)計與優(yōu)化

柏宏 劉晶 彭丹

摘 要：輕量化技術(shù)是降低能源消耗、減少汽車排放、提高燃油經(jīng)濟性最有效的措施之一。輕質(zhì)非金屬材料在車身和開閉件領(lǐng)域的應(yīng)用，是實現(xiàn)整車減重和節(jié)能減排的重要技術(shù)手段。本文針對某款小型電動汽車尾門，將鈑金材料替換為復(fù)合材料，并對復(fù)合材料尾門結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，最大的實現(xiàn)汽車尾門的輕量化。首先簡單介紹了拓撲優(yōu)化理論和方法，然后對比了鈑金材料與復(fù)合材料的重要性能，接著利用OptiStruct軟件對塑料尾門進行有限元分析，以及性能和重量的優(yōu)化設(shè)計。最終，在滿足剛度性能條件下，尾門減重高達30%。本文對注塑成型的纖維增強塑料尾門進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，實現(xiàn)了汽車尾門的輕量化，具有較高的工程實用性。

關(guān)鍵詞：輕量化;復(fù)合材料尾門;拓撲優(yōu)化;OptiStruct

1 引言

據(jù)報道：汽車減重10%，燃油消耗降低6%-8%[1];對應(yīng)歐盟CO2排放指標(biāo)，汽車自身每減少100kg，CO2排放可降低10g/km[2]。目前，實現(xiàn)輕量化主要有兩個途徑[3]：一是使用如鋁合金、工程塑料等輕量化材料;二是采用CAE技術(shù)優(yōu)化汽車相關(guān)結(jié)構(gòu)。在能源匱乏的時代背景下，節(jié)能減排成為全球的重要目標(biāo)。一部分車企通過減少氣缸數(shù)目來實現(xiàn)節(jié)能減排，一部分車企通過優(yōu)化白車身結(jié)構(gòu)實現(xiàn)輕量化。通過鈑金材料的優(yōu)化減重效果并不明顯，于是各大企業(yè)紛紛研究復(fù)合材料，用于替換傳統(tǒng)鈑金材料。

纖維增強塑料相比傳統(tǒng)金屬材料而言，具有密度低、比強度高、比模量大等優(yōu)勢。但是，由于纖維增強塑料具有各向異性力學(xué)特性、材料組分復(fù)雜性、材料熱力學(xué)特性和損傷機理復(fù)雜性，使其在結(jié)構(gòu)設(shè)計、制造工藝等方面存在著巨大差異。如何有效設(shè)計、分析及高效制造纖維增強塑料汽車零部件成為汽車領(lǐng)域的一種新挑戰(zhàn)。為解決這一難題，國內(nèi)外學(xué)者做了大量研究。邢號彬等[4]人在復(fù)合材料汽車尾門的輕量化設(shè)計中，用CAE技術(shù)對尾門進行剛度、模態(tài)、熱變形分析，最終優(yōu)化后的塑料尾門相比鈑金尾門減重5kg，同時大大提高了造型自由度;李多等[5]人，在保證剛度的要求下，將某款SUV汽車的尾門用塑料材質(zhì)替換傳統(tǒng)金屬材料，利用HyperMesh軟件在多種工況下進行剛度分析，針對一些不能滿足目標(biāo)工況的結(jié)構(gòu)進行了局部優(yōu)化，在局部質(zhì)量增加較少的情況下，實現(xiàn)了尾門剛度的大幅提升;韓旭等[6]人使用 HyperWorks 軟件對白車身結(jié)構(gòu)件進行厚度優(yōu)化，使白車身減重6%的同時，車身的彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度以及一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能都有提升;美國航天航空局蘭利研究中心和SGI公司以及福特汽車公司車輛安全部門共同進行了基于碰撞安全性能和NVH性能的轎車BIP（Body In Prime）輕量化研究[7];韓國漢陽大學(xué)應(yīng)用超輕鋼車身（Ultra Light Steel Auto Body，即ULSAB）的設(shè)計理念和拼焊板工藝，對某轎車的前門內(nèi)板進行了輕量化設(shè)計[8];密西根大學(xué)和通用汽車公司，以碰撞中最大吸能為目標(biāo)，用拓撲優(yōu)化技術(shù)進行零件設(shè)計，使零件在滿足吸收碰撞能量的條件下實現(xiàn)減重目標(biāo)，此技術(shù)已應(yīng)用到某款轎車后圍結(jié)構(gòu)上[9]。瑞典林雪平大學(xué)以安全為前提，對轎車B柱進行輕量化研究，以質(zhì)量最輕為目標(biāo)，約束條件為B柱變形中的最大速度，變量為B柱各段的厚度，實現(xiàn)了滿足安全性能條件下減重25%[10]的目標(biāo)。

本文結(jié)合實現(xiàn)輕量化的兩種途徑，使用復(fù)合材料替換傳統(tǒng)鈑金尾門，并對復(fù)合材料進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，最大程度實現(xiàn)輕量化。

2 拓撲優(yōu)化理論和方法

結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是使結(jié)構(gòu)在滿足一定功用的前提下盡可能的降低成本或者取得最佳性能[11]。分為形貌優(yōu)化、尺寸優(yōu)化和拓撲優(yōu)化。本文采用拓撲優(yōu)化，在產(chǎn)品研發(fā)的初級階段，定義好產(chǎn)品設(shè)計空間、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計約束和加工制造條件等信息，OptiStruct將通過拓撲優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)這些信息求解出一個不僅滿足設(shè)計約束，而且達到各方面性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計方案。這里簡單介紹一下拓撲優(yōu)化的理論和方法。

2.1 拓撲優(yōu)化理論

拓撲優(yōu)化應(yīng)用在產(chǎn)品開發(fā)的初級階段，用戶定義產(chǎn)品的設(shè)計空間、設(shè)計目標(biāo)、設(shè)計約束和加工制造條件等信息，OptiStruct將通過拓撲優(yōu)化技術(shù)，根據(jù)這些信息求解出一個不僅滿足設(shè)計約束，而且達到各方面性能最優(yōu)的結(jié)構(gòu)拓撲設(shè)計方案，如圖1所示。拓撲優(yōu)化利用OptiStruct求解器，基本流程如圖2所示。拓撲優(yōu)化設(shè)計分為離散體拓撲優(yōu)化和連續(xù)體拓撲優(yōu)化。離散體結(jié)構(gòu)包括桁架、網(wǎng)架和鋼架等，離散體結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化是在滿足給定邊界條件下，尋找最優(yōu)布局;連續(xù)體結(jié)構(gòu)主要包括平面結(jié)構(gòu)、板殼結(jié)構(gòu)和實體結(jié)構(gòu)等，在滿足設(shè)計條件下，在給定設(shè)計區(qū)域內(nèi)尋找最優(yōu)的材料分布，得到最優(yōu)的拓撲形狀。

2.2 拓撲優(yōu)化方法

拓撲優(yōu)化的方法包括均質(zhì)化方法、相對密度法、進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法和雙向進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法。

1）均質(zhì)化方法：在拓撲結(jié)構(gòu)的材料中引入微結(jié)構(gòu)單胞。以微結(jié)構(gòu)單胞為設(shè)計變量，單胞的消長實現(xiàn)微結(jié)構(gòu)的刪減，來改變結(jié)構(gòu)的拓撲形狀。實體材料所占的面積可用式1表示，單元的密度函數(shù)可用式2表示。

Ωs=∫Ω（1-ab）dΩ ? ? ? ? ? ? ?（1）

ρ=（1-ab）ρs ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（2）

式中：Ω-設(shè)計區(qū)域;Ωs-實體區(qū)域;ρs為材料的密度;a、b為設(shè)計參數(shù)，其中0≤a≤1，0≤b≤1。

2）相對密度法：引入一種假想的相對密度在0～1之間可變的材料。直接假定設(shè)計材料的宏觀彈性常量與其密度的非線性關(guān)系。固體各項異性材料罰值模型SIMP （solid isotropic microstructure with penalization）法和材料屬性合理近似模型RAMP（Rational Approximation of Material Properties）法。分別可由式3和式4表示。

Eijkl（x）=ρ（x）pE0ijkl ? ? ? ? ? （3）

∫Ωρ（x）dΩ《V ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（4）

式中：V-材料的允許使用量，表示設(shè)計過程中的設(shè)計空間;P-罰因子;設(shè)計變量x∈Ω;Eijkl-材料的偽彈性模量。

3）進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：起源于應(yīng)力設(shè)計技術(shù)，低應(yīng)力或低應(yīng)變能量密度的材料是低效的可以去除的。材料的去除可以通過改變作為應(yīng)力或應(yīng)變能量密度函數(shù)的彈性模量或直接刪去那些低應(yīng)力或低應(yīng)變能量密度的材料空間。

4）雙向進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化方法：能夠同時刪除和增加材料進化結(jié)構(gòu)優(yōu)化的方法，即在刪除低效材料的同時增補高應(yīng)力區(qū)域周圍材料，初始設(shè)計的區(qū)域可以比較小，從而提高計算的效率。

3 鈑金材料與復(fù)合材料對比

某款小型電動汽車的尾門原始設(shè)計為鋼板結(jié)構(gòu)，如圖3所示。此處將鋼板材料替換為復(fù)合材料。

經(jīng)過測量，原鈑金尾門總重11.99kg，除去玻璃及金屬鉸鏈后，尾門焊合總成總重7.527kg;替換為復(fù)合材料后，復(fù)合材料尾門總重為10.13kg，除去玻璃及金屬鉸鏈后，尾門焊合總成總重5.542kg。焊和總成重量降低了1.985kg。

替換后，尾門重量有所下降，由于復(fù)合材料密度明顯小于鈑金材料，所以復(fù)合材料尾門厚度大大增加。為進一步降低尾門重量，接下來對復(fù)合材料尾門進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化與設(shè)計，在保證相關(guān)性能的基礎(chǔ)上，最大限度的降低尾門重量。

4 塑料尾門結(jié)構(gòu)優(yōu)化仿真分析

4.1 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

上面將傳統(tǒng)鈑金尾門替換為塑料尾門后，重量明顯下降，但復(fù)合材料厚度有所增加，這里對復(fù)合材料尾門進行厚度優(yōu)化。塑料尾門由尾門內(nèi)板、尾門外板、加強板等組成。塑料尾門外板材料由注塑成型完成，選擇材料時需考慮注塑工藝相關(guān)要求。由于尾門的主要受力結(jié)構(gòu)是尾門內(nèi)板和加強板，故這里僅對尾門內(nèi)板和加強板做仿真優(yōu)化，同時選擇材料時需考慮剛度要求及周圍零件安裝需求。

對尾門進行輕量化研究，以拓撲優(yōu)化技術(shù)為指導(dǎo)，以質(zhì)量最輕為目標(biāo)，以剛度為約束條件，變量為尾門的厚度。塑料尾門由注塑成型完成，所以對結(jié)構(gòu)要求很高，考慮鎖、安裝孔及安裝工藝和維修便攜性，對鎖扣上方結(jié)構(gòu)進行開孔設(shè)計。

根據(jù)拓撲優(yōu)化的理論和方法，使用OptiStruct求解器對尾門內(nèi)板進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。優(yōu)化后尾門焊和總成重量由5.542kg降為4.942kg，進一步減重0.6kg。優(yōu)化前后如圖4所示。

4.2 扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化

扭轉(zhuǎn)剛度作為汽車尾門關(guān)鍵性能之一，用復(fù)合材料替換傳統(tǒng)鈑金材料以后，扭轉(zhuǎn)剛度差距明顯。根據(jù)項目要求，實現(xiàn)復(fù)合材料尾門后，性能需與原鈑金尾門相當(dāng)，故以原鈑金尾門扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)進行了本次優(yōu)化。在內(nèi)板材料、厚度不變的基礎(chǔ)上，對復(fù)合材料內(nèi)板結(jié)構(gòu)進行扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化，優(yōu)化過程如圖5所示。加載變形由優(yōu)化前的136.67降低為76.28，卸載變形由優(yōu)化前的4.13降低為0.75，扭轉(zhuǎn)剛度明顯提升，如表1所示。

圖5扭轉(zhuǎn)工況拓撲優(yōu)化云圖中，紅色區(qū)域表示重要區(qū)域，可以看做是最佳起筋條的區(qū)域。藍色部分代表的是非重要區(qū)域，可挖空節(jié)省材料，降低重量。掏空非重要區(qū)域后，將內(nèi)板封板區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計成V型，最終實現(xiàn)了扭轉(zhuǎn)剛度的提升，同時降低了重量，節(jié)約了材料。在對標(biāo)車——新奇駿內(nèi)板封板區(qū)域結(jié)構(gòu)也能看到類似V型結(jié)構(gòu)，如圖6所示。

4.3 肋板優(yōu)化

結(jié)合前面優(yōu)化結(jié)果，對尾門肋板采取拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化相結(jié)合的方式。在尾門扭轉(zhuǎn)工況下，約束條件設(shè)置為體積比小于0.3，尾門總質(zhì)量保持9.53kg不變，剛度保持不變，拔模x向約束，對稱約束，優(yōu)化目標(biāo)使應(yīng)變能最小。優(yōu)化設(shè)計結(jié)果如圖7所示，圖中紅色區(qū)域為重要區(qū)域，故在紅色區(qū)域做加強板，筋條設(shè)計采用W型筋條。

5 結(jié)論

本文在某量產(chǎn)小型電動汽車尾門的基礎(chǔ)上進行輕量化設(shè)計，將尾門原本的鋼板材料替換為復(fù)合材料，并利用OptiStruct對塑料尾門進行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計。在保證剛度要求的基礎(chǔ)上，將尾門內(nèi)板封板區(qū)域結(jié)構(gòu)設(shè)計成“V”型結(jié)構(gòu)，將尾門肋板設(shè)計為“W”型筋條。將尾門材料由鋼板替換為復(fù)合材料后，重量大大降低，并在此基礎(chǔ)上進一步優(yōu)化設(shè)計，最大限度輕量化，重量變化情況和扭轉(zhuǎn)剛度變化情況如表2所示。

塑料尾門的應(yīng)用，除了在輕量化方面能實現(xiàn)30%以上的減重以外，在技術(shù)方面也存在巨大優(yōu)勢。在造型方面，具有高的自由度，復(fù)雜的造型曲線，時尚靚麗的外觀;在零件集成方面，大大減少零件數(shù)量，減少模具等工裝數(shù)量，供應(yīng)商直接供貨尾門總成;在做工方面，外觀質(zhì)量好，裝配間隙小，具有更高的尺寸精度;在制造方面有大大提升，具體表現(xiàn)為沖壓車間無需沖壓，車身車間無需焊接，涂裝車間無需電泳、噴涂等。

柳州市科學(xué)研究與技術(shù)開發(fā)計劃（柳科計字2017第19號）資助項目。項目名稱：汽車?yán)w維增強塑料覆蓋件設(shè)計制造關(guān)鍵技術(shù)研究與產(chǎn)品開發(fā)（2017AA10104）。

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