基于結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化的輕量化汽車尾門設(shè)計(jì)

謝新生 劉震鵬 陳邦棟

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西柳州市 545007

1 引言

隨著汽車工業(yè)的快速發(fā)展，能源問題和排放問題也日益凸顯。汽車輕量化技術(shù)是解決該問題最有效的措施之一，有關(guān)試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明：汽車質(zhì)量每降低10%，燃油效率將提高6-8 %；汽車質(zhì)量每降低100kg，每公里的CO2 排放量將減少8.5g。實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的途徑通常有三種，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)優(yōu)化、使用塑料等輕量化材料以及運(yùn)用先進(jìn)的制造工藝。其中結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在著過度依賴工程師經(jīng)驗(yàn)、耗費(fèi)人力資源較多等問題，運(yùn)用結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論及CAE 仿真分析可以有效地解決該問題，能夠在較短的時(shí)間內(nèi)得出最優(yōu)的結(jié)構(gòu)方案并且不依賴工程師經(jīng)驗(yàn)。本文運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化方法設(shè)計(jì)了一種輕量化的汽車尾門，在提升性能的基礎(chǔ)上同時(shí)實(shí)現(xiàn)最大的輕量化效果，并且有效地提高了工程師的工作效率，為整車開發(fā)節(jié)省了時(shí)間和成本。

2 結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論

結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化理論最早由Maxwell 于1854年提出，其中心思想是將尋求結(jié)構(gòu)的最優(yōu)拓?fù)鋯栴}轉(zhuǎn)化為在給定的設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)尋求材料的最優(yōu)分布問題。根據(jù)給定的負(fù)載情況、約束條件和性能指標(biāo)，以材料分布為優(yōu)化對(duì)象，通過優(yōu)化算法自動(dòng)給出最佳傳力路徑。在給出的傳力路徑上設(shè)計(jì)筋條等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)，在非傳力路徑上根據(jù)實(shí)際情況做減重孔，從而節(jié)省最多的材料。拓?fù)鋬?yōu)化的一般流程如圖1 所示。

圖1 拓?fù)鋬?yōu)化流程

目前最常用的一種拓?fù)鋬?yōu)化方法是變密度法，其數(shù)學(xué)模型為：

其中：為結(jié)構(gòu)柔度；ν為單元體積；ρ為單元材料密度，也是設(shè)計(jì)變量；為結(jié)構(gòu)體積。

在變密度法中，ρ不是指材料的真實(shí)密度，而是一個(gè)關(guān)聯(lián)質(zhì)量與材料彈性模量的變量。根據(jù)材料插值函數(shù)的差異，分為有均質(zhì)各向同性材料微結(jié)構(gòu)懲罰模型（solid isotropic micro-structure with Penalization，SIMP）和材料屬性有理近似模型（rational approximation of material properties，RAMP）。SIMP 和RAMP 通過引入懲罰因子對(duì)中間密度值進(jìn)行懲罰，使中間密度值向0/1 兩端聚集，使連續(xù)變量的拓?fù)鋬?yōu)化模型能很好地逼近0-1 離散變量的優(yōu)化模型，將中間密度單元的影響降到最低，結(jié)合形狀優(yōu)化、尺寸優(yōu)化等方法，就能夠得到輕量化效果最好的具有可行性的結(jié)構(gòu)方案。此方法目前已經(jīng)成功應(yīng)用于三維連續(xù)體結(jié)構(gòu)、汽車車架等結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)及優(yōu)化。

3 拓?fù)鋬?yōu)化鈑金尾門設(shè)計(jì)

鈑金尾門一般由尾門外板、尾門內(nèi)板及多個(gè)加強(qiáng)板通過焊接、涂膠及包邊工藝組合而成。其主要性能指標(biāo)有模態(tài)、扭轉(zhuǎn)剛度、橫向剛度、下拉剛度等13 項(xiàng)，其中扭轉(zhuǎn)剛度是所有性能指標(biāo)的基礎(chǔ)，其他性能指標(biāo)均是在滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求的結(jié)構(gòu)上改進(jìn)優(yōu)化，因此在設(shè)計(jì)尾門結(jié)構(gòu)時(shí)必須先滿足扭轉(zhuǎn)剛度要求。

在尾門結(jié)構(gòu)中，尾門外板隨造型而定，一般不會(huì)對(duì)尾門的性能產(chǎn)生決定性影響。而尾門內(nèi)板、尾門鉸鏈加強(qiáng)板及尾門窗框加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度指標(biāo)影響最為顯著，在實(shí)際設(shè)計(jì)過程中的改動(dòng)量也往往最大，利用拓?fù)鋬?yōu)化方法來輔助設(shè)計(jì)可在獲得最佳性能的同時(shí)減少重復(fù)方案設(shè)計(jì)、減少方案建模及CAE 分析的次數(shù)，可節(jié)約大量的人力成本。

3.1 尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

尾門內(nèi)板與尾門外板自上而下形成的腔體，產(chǎn)生數(shù)倍于自身單件的剛度性能，其整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)對(duì)扭轉(zhuǎn)性能影響最大。

后擋風(fēng)玻璃以下區(qū)域作為尾門內(nèi)板的主要設(shè)計(jì)區(qū)域，常見的結(jié)構(gòu)如圖1 所示，包含“A”字型、倒“A”字型等。為了滿足性能、裝配等要求，關(guān)鍵區(qū)域的腔體大小必須滿足一定的限制條件。

以某車型尾門為例，在滿足造型要求、后部?jī)?chǔ)物空間要求、尾門密封面及功能件（尾門鉸鏈、緩沖膠塞、后雨刮、尾門扣手及尾門鎖）安裝要求后，尾門內(nèi)板的大體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。在此基礎(chǔ)上，運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化原理，以扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)，以體積為約束，使用OptiStruct 軟件，快速找出對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度最優(yōu)的的尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)。

圖3 初始尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果如圖4，其中紅色代表高應(yīng)力區(qū)域，需要做強(qiáng)化處理，可視為筋條等加強(qiáng)結(jié)構(gòu)的最佳布置走向；藍(lán)色區(qū)域代表低應(yīng)力區(qū)域，對(duì)尾門性能的影響極小，可做減重孔以提高輕量化效果。

圖4 尾門內(nèi)板應(yīng)力云圖

根據(jù)應(yīng)力云圖可知，尾門內(nèi)板應(yīng)力集中區(qū)域主要位于后雨刮安裝區(qū)域下方及尾門內(nèi)板左下角、右下角區(qū)域。因此，在窗框下部采用“V”型結(jié)構(gòu)主筋設(shè)計(jì)，并按云圖所示兩側(cè)布置對(duì)稱輔筋，做Y 向貫通內(nèi)板兩側(cè)的凸起筋條，同時(shí)加深左下角、右下角及減重工藝孔臺(tái)階深度，使集中的應(yīng)力得以分散，同時(shí)內(nèi)板可獲得更強(qiáng)的剛性。選擇料厚為0.7 mm 的鋼板為材料，內(nèi)板結(jié)構(gòu)如圖5 所示，整體呈現(xiàn)“M”字型，并做了多個(gè)減重孔，最大化輕量化效果。

圖5 拓?fù)鋬?yōu)化后的鈑金尾門內(nèi)板結(jié)構(gòu)

3.2 尾門鉸鏈加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

根據(jù)尾門應(yīng)力云圖可知，尾門鉸鏈安裝區(qū)域外側(cè)也屬于應(yīng)力集中區(qū)域，選擇板厚為1.5 mm 的BLC 鋼板作為鉸鏈加強(qiáng)板板的材料，以扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)，體積最小為約束，進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后得到鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)如圖6。

圖6 優(yōu)化后的鈑金尾門鉸鏈加強(qiáng)板

優(yōu)化后的加強(qiáng)板除與內(nèi)板焊接區(qū)域，整體朝向外板，零件深度達(dá)185 mm，可得到充分拉延，尾門內(nèi)板密封面區(qū)域加強(qiáng)板凸起筋條貫穿，鉸鏈安裝區(qū)域設(shè)置3 根凸起筋條與上述筋條相接，可以用最小的體積發(fā)揮最大的加強(qiáng)作用。

3.3 尾門窗框加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化

根據(jù)尾門應(yīng)力云圖可知，相較于尾門鉸鏈，尾門窗框區(qū)域應(yīng)力較分散，可減小加強(qiáng)板料厚增大面積，選擇板厚為1.2 mm 的BLC 鋼板作為鉸鏈加強(qiáng)板板的材料，以扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)，體積最小為約束，再次進(jìn)行局部拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后得到鉸鏈加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)如圖7。

圖7 優(yōu)化后的尾門窗框加強(qiáng)板

優(yōu)化后的窗框加強(qiáng)板外側(cè)自上而下與尾門密封面形成8 mm 間隙的凹槽，邊界做整條翻邊，窗框下部?jī)?nèi)側(cè)做豎直的凸起筋條，整體剛度大大增強(qiáng)。

4 拓?fù)鋬?yōu)化塑料尾門設(shè)計(jì)

“以塑代鋼”是汽車行業(yè)常用的輕量化方法，塑料的密度一般為1100 kg/m左右，而鋼鐵的密度為7830 kg/m，前者僅為后者的1/7，若能大規(guī)模地將鋼材替換為塑料，將產(chǎn)生顯著的輕量化效果。除了在輕量化方面的顯著效果之外，塑料尾門在技術(shù)方面也存在巨大優(yōu)勢(shì)。在造型方面，塑料尾門具有較高的自由度，復(fù)雜的造型曲線，時(shí)尚靚麗的外觀；在零件集成方面，塑料尾門大大減少零件數(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，塑料尾門外觀質(zhì)量好，裝配間隙小，具有更高的尺寸精度；在制造方面也有較大提升，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。

塑料尾門由尾門外板、尾門內(nèi)板及關(guān)鍵加強(qiáng)板組合而成，其中尾門外板一般采用PP加滑石粉填充料，尾門內(nèi)板一般采用PP 加長(zhǎng)玻纖材料,內(nèi)外板之間采用聚氨酯膠壓合，關(guān)鍵加強(qiáng)板（鉸鏈加強(qiáng)板、窗框加強(qiáng)板）采用鋼材，沖壓成型后嵌在內(nèi)板中一體注塑成型。

在前文拓?fù)鋬?yōu)化鈑金尾門的基礎(chǔ)上，采用“以塑代鋼”的方式進(jìn)行材料輕量化，將尾門的外板、內(nèi)板分別替換為PP 加30%滑石粉填充料和PP 加40%長(zhǎng)玻纖料，加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)及內(nèi)外板料厚保持不變，經(jīng)CAE 分析，該塑料尾門的扭轉(zhuǎn)剛度與鈑金尾門相差較大，為保證其性能，以原鈑金尾門扭轉(zhuǎn)剛度為目標(biāo)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)如圖8 所示，且尾門外板和內(nèi)板的厚度分別增加到2.5 mm和2.8 mm。

圖8 優(yōu)化后的塑料尾門

將原鈑金尾門、拓?fù)鋬?yōu)化鈑金尾門、拓化塑料尾門以及某在產(chǎn)塑料尾門的性能進(jìn)行對(duì)比，結(jié)果如圖9 所示。由圖9（a）中可知，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化后的鈑金尾門比原鈑金尾門的重量減少了0.15kg，拓?fù)鋬?yōu)化塑料尾門比原鈑金尾門的減重比例達(dá)40%，由此可見“以塑代鋼”在輕量化方面的巨大潛力。由圖9（b）中可知，經(jīng)過拓?fù)鋬?yōu)化的鈑金尾門扭轉(zhuǎn)剛度比原鈑金尾門提升了3%，拓?fù)鋬?yōu)化塑料尾門的扭轉(zhuǎn)剛度幾乎與原鈑金尾門相當(dāng)，且遠(yuǎn)優(yōu)于對(duì)標(biāo)車塑料尾門，在減重40%的前提下，該性能是可接受的。由圖9（c）可知，使用拓?fù)鋬?yōu)化方法后，設(shè)計(jì)時(shí)間由160h 減少到60h，效率提升了167%，其主要原因是使用拓?fù)鋬?yōu)化方法后一次設(shè)計(jì)就能達(dá)到所要求的性能，減少了反復(fù)模擬分析以及反復(fù)修改的時(shí)間。

圖9 不同尾門性能對(duì)比

5 結(jié)語

本文在某量產(chǎn)小型電動(dòng)汽車鈑金尾門的基礎(chǔ)上，基于拓?fù)鋬?yōu)化方法使用OptiStruct求解器進(jìn)行結(jié)構(gòu)輕量化設(shè)計(jì)，在不降低扭轉(zhuǎn)剛度的前提下減重0.15 kg。進(jìn)一步以“以塑代鋼”的方式進(jìn)行材料輕量化，并再次利用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)塑料尾門進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)，得到了一種后門內(nèi)板封板區(qū)域?yàn)椤癡”形、后門肋板為“W”形的塑料尾門，其扭轉(zhuǎn)剛度與原鈑金尾門相當(dāng)，重量相較于原鈑金尾門降低了40%，設(shè)計(jì)時(shí)間減少100h，效率提高167%。