駕駛室白車身頂蓋優(yōu)化設(shè)計和分析

毛洪海,張欽超,楊延功

（201114 上海市 濰柴動力上海研發(fā)中心）

0 引言

隨著商用車技術(shù)的不斷發(fā)展和人民生活水平的提高，對商用車的駕乘舒適性要求越來越高，對駕駛室白車身的性能和輕量化的研究也越來越多。馬迅等[1]、秦東晨等[2]對客車車身結(jié)構(gòu)模態(tài)進行有限元分析，通過研究主要零部件對低階模態(tài)的影響確定車身結(jié)構(gòu)設(shè)計中的主要影響因素，為客車車身設(shè)計提供了參考依據(jù)。李學(xué)修[3]建立了駕駛室白車身高有限元模型，以車身的長寬高、前圍、地板、頂蓋等的厚度為設(shè)計變量，以車身質(zhì)量為目標(biāo)函數(shù)，考慮了性能、頻率、位移等約束條件，對車身進行了優(yōu)化分析。孫志剛等[4]、王新宇等[5]、陳劍等[6]運用不同的方法對駕駛室進行了輕量化研究并發(fā)現(xiàn)駕駛室白車身頂蓋總成對整車性能貢獻中占比很大，因此駕駛室白車身頂蓋的優(yōu)化設(shè)計尤為重要。

本文采用拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化和DOE 分析相結(jié)合，對駕駛室頂蓋進行結(jié)構(gòu)設(shè)計和優(yōu)化。在保證整車1 階模態(tài)頻率基礎(chǔ)上，大幅降低一些材料的厚度、減小一些鈑金件的形貌尺寸等，為設(shè)計人員提供有效的數(shù)據(jù)支持，從而達到駕駛室輕量化目的，節(jié)約了材料成本。

1 頂蓋優(yōu)化設(shè)計

1.1 頂蓋模型建立

根據(jù)規(guī)劃和模塊化設(shè)計要求，此駕駛室白車身頂蓋有天窗模塊，因為天窗體積和質(zhì)量均較大，要求天窗的安裝基礎(chǔ)要有足夠的剛度。由于天窗位于頂蓋中間位置，若剛度不足，此布置方式易造成頂蓋的呼吸模態(tài)偏低，進而引起振動和噪聲問題，影響駕乘舒適性，因此需要對頂蓋總成進行優(yōu)化設(shè)計。

建立模型如圖1 所示，頂蓋外板部分設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，采用平板形式代替。優(yōu)化過程只進行約束模態(tài)計算，計算內(nèi)容如表1 所示。

表1 分析內(nèi)容Tab.1 Analysis content

圖1 頂蓋總成截斷有限元模型Fig.1 Finite element model of truncated top cover assembly

1.2 拓撲優(yōu)化

將頂蓋外板設(shè)置為優(yōu)化區(qū)域，外板板厚為優(yōu)化變量，提取第1 階模態(tài)和優(yōu)化區(qū)域的體積分?jǐn)?shù)為響應(yīng)，以第1 階模態(tài)的頻率為目標(biāo)函數(shù)，進行拓撲迭代，部分迭代步的材料密度云圖如圖2 所示，部分迭代結(jié)果如表2 所示。

表2 拓撲優(yōu)化部分迭代結(jié)果Tab.2 Iteration results of topology optimization part

圖2 頂蓋拓撲優(yōu)化材料密度云圖Fig.2 Top cover topology optimization material density cloud map

根據(jù)頂蓋拓撲優(yōu)化結(jié)果，進行頂蓋內(nèi)加強梁的結(jié)構(gòu)形式設(shè)計，如圖3 所示。

圖3 頂蓋內(nèi)加強梁設(shè)計結(jié)構(gòu)Fig.3 Design structure of reinforcing beams in the roof

1.3 形貌優(yōu)化

頂蓋外板要求不能有積水，因此外板需要設(shè)計流水槽。流水槽位置設(shè)計采用形貌優(yōu)化的方式，優(yōu)化區(qū)域和拓撲優(yōu)化區(qū)域相同，仍然以第1 階模態(tài)的頻率為目標(biāo)函數(shù)。頂蓋形貌優(yōu)化形狀云圖如圖4所示，迭代結(jié)果如表3 所示。

表3 形貌優(yōu)化迭代結(jié)果Tab.3 Iterative results of topography optimization part

圖4 頂蓋形貌優(yōu)化形狀云圖Fig.4 Top cover topography optimized shape cloud map

根據(jù)頂蓋形貌優(yōu)化結(jié)果，對頂蓋外板的流水槽進行設(shè)計，結(jié)構(gòu)形式如圖5 所示，由于制造等原因，外板由前、中和后3 塊板焊接而成。

圖5 頂蓋外板流水槽結(jié)構(gòu)Fig.5 Structure of flow tank on outer plate of top cover

經(jīng)過拓撲優(yōu)化和形貌優(yōu)化后，綜合設(shè)計帶流水槽的外板和內(nèi)加強梁后，形成初步的頂蓋總成設(shè)計模型。

2 板厚DOE 分析

根據(jù)頂蓋的局部模態(tài)進行板厚的選擇和優(yōu)化，本文采用全因子試驗的方法進行DOE 計算，分析各板件對頂蓋總成模態(tài)的影響。頂蓋板厚DOE 分析以外側(cè)前后板、外側(cè)中間板、內(nèi)側(cè)前后加強筋和內(nèi)側(cè)中間加強筋的厚度為自變量，頂蓋總成1 階約束模態(tài)頻率和頂蓋總成質(zhì)量為響應(yīng)。各變量和響應(yīng)的線性相關(guān)性矩陣圖如圖6 所示，頂蓋總成1 階模態(tài)和質(zhì)量與頂蓋各零件板厚變化曲面如圖7 和圖8 所示。

圖6 頂蓋內(nèi)外板厚度、1 階模態(tài)和總成質(zhì)量線性相關(guān)性矩陣圖Fig.6 Matrix of linear correlations between roof inner and outer plate thickness,first-order mode,and assembly mass

圖7 頂蓋總成1 階模態(tài)與各板厚變化曲面Fig.7 The first-order mode of top cover assembly and changing surface of each plate thickness

圖8 頂蓋總成質(zhì)量與各板厚變化曲面Fig.8 Mass of top cover assembly and changing surface of each plate thickness

由頂蓋總成DOE 分析結(jié)果可知，1 階模態(tài)和外板前后板的厚度相關(guān)性最大，而對內(nèi)側(cè)中間加強梁和外側(cè)中間板厚的關(guān)聯(lián)性較低，由圖9 所示模態(tài)和各零部件板厚線性關(guān)聯(lián)線可得，增加關(guān)聯(lián)性較高的板、梁厚度可有效提高頂蓋總成的模態(tài)。

圖9 頂蓋總成1 階模態(tài)和各零件板厚線性關(guān)聯(lián)線Fig.9 Linear correlation line of the first-order mode of top cover assembly and thickness of each part

3 結(jié)論

對駕駛室頂蓋模型進行拓撲優(yōu)化、形貌優(yōu)化和DOE 分析，結(jié)論如下：（1）在結(jié)構(gòu)設(shè)計過程中，拓撲優(yōu)化和板件的形貌優(yōu)化可以提供零件設(shè)計思路，指導(dǎo)原始設(shè)計和骨架布置，提高開發(fā)效率；（2）頂蓋輕量化采用DOE 分析方法，可以直觀得到各變量對響應(yīng)的關(guān)聯(lián)程度，根據(jù)不同需要進行取舍，滿足不同設(shè)計要求；（3）通過CAE 方法可有效實施部件的設(shè)計和輕量化。