OptiStruct在商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

毛洪海，楊延功，張欽超

OptiStruct在商用車駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化中的應(yīng)用

毛洪海，楊延功，張欽超

（濰柴動(dòng)力股份有限公司上海分公司，上海 200122）

文章通過(guò)優(yōu)化駕駛室白車身焊點(diǎn)分布，以達(dá)到滿足駕駛室白車身結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上減少焊點(diǎn)數(shù)量的目的，建立有限元分析模型。利用OptiStruct模塊對(duì)某駕駛室白車身焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，得到焊點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)性能貢獻(xiàn)量分布情況，并依此調(diào)整焊點(diǎn)布置。通過(guò)對(duì)比優(yōu)化前后的結(jié)構(gòu)性能表明，駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化前后模態(tài)、剛度前后變化率比較小，運(yùn)用Optistruct建立的駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化模型和分析方法是合理有效的，從而達(dá)到降低成本的目的。

商用車駕駛室；白車身；焊點(diǎn)；拓?fù)鋬?yōu)化；OptiStruct

商用車駕駛室作為非承載式車身，其結(jié)構(gòu)性能的考察指標(biāo)主要有白車身剛度和模態(tài)。白車身的結(jié)構(gòu)性能不僅影響著振動(dòng)噪聲、整車耐撞及疲勞耐久等性能，同時(shí)對(duì)乘員的乘坐舒適性、車輛操控性等駕駛體驗(yàn)有重要的影響[1]。通常，駕駛室由薄壁結(jié)構(gòu)的鈑金件組成，并采用點(diǎn)焊連接。駕駛室焊點(diǎn)對(duì)駕駛室結(jié)構(gòu)強(qiáng)度、剛度、汽車整車噪聲、振動(dòng)與聲振粗糙度（Noise, Vibration, Harshness, NVH）性能及汽車的被動(dòng)安全性均有很大的影響[2]，焊點(diǎn)數(shù)量和布置不僅影響駕駛室車身的力學(xué)性能，還影響焊接能耗、時(shí)間等生產(chǎn)成本。同時(shí)，傳統(tǒng)焊點(diǎn)布置方案采用通用焊接規(guī)范制定，可能在部分區(qū)域存在冗余焊點(diǎn)[3]。對(duì)于冗余的焊點(diǎn)，有時(shí)會(huì)導(dǎo)致局部區(qū)域結(jié)構(gòu)翹曲變形，反而影響焊點(diǎn)和結(jié)構(gòu)的力學(xué)性能。因此，在保持或者滿足整車性能的基礎(chǔ)上，優(yōu)化焊點(diǎn)位置、減少焊點(diǎn)數(shù)量對(duì)降低焊裝成本、提高生產(chǎn)效率、防止過(guò)設(shè)計(jì)以及在VA/VE車型的開(kāi)發(fā)中有重要的意義。本文主要研究駕駛室白車身焊點(diǎn)對(duì)其結(jié)構(gòu)整體性能的影響，得到各個(gè)焊點(diǎn)的貢獻(xiàn)量，通過(guò)調(diào)整焊點(diǎn)分布，以達(dá)到滿足駕駛室白車身結(jié)構(gòu)性能的基礎(chǔ)上減少焊點(diǎn)數(shù)量的目的。

1 優(yōu)化模型的建立

駕駛室白車身主要分為前圍、后圍、側(cè)圍、地板和頂蓋等，其均為薄壁鈑金件，各鈑金件之間通過(guò)點(diǎn)焊連接。將鈑金件采用四邊形和少量三角形殼單元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，各鈑金件間采用CWELD焊接單元來(lái)模擬焊點(diǎn)。兩層、三層和四層點(diǎn)焊分別由1個(gè)、2個(gè)和3個(gè)CWELD單元和1個(gè)CONNECTOR組成，CWELD焊點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)如圖1所示。鈑金件的螺栓連接采用RBE2模擬。以某商用車駕駛室白車身為例，劃分網(wǎng)格、建立焊接后模型如圖2 所示，其中殼單元共有448 111個(gè)，點(diǎn)焊的CONNECTOR共有3 121個(gè)，即焊點(diǎn)包括二層焊有2 450個(gè)、三層焊有671個(gè)、四層焊有12個(gè)和CWELD單元3 804個(gè)。

圖1 CWELD焊點(diǎn)單元結(jié)構(gòu)

圖2 組裝后駕駛室白車身模型

2 焊點(diǎn)拓?fù)鋬?yōu)化

在OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化變密度法中，假設(shè)焊點(diǎn)材料的彈性模量由密度決定，每個(gè)焊點(diǎn)單元密度為一個(gè)設(shè)計(jì)變量。若焊點(diǎn)單元相對(duì)密度接近0時(shí)，該焊點(diǎn)材料的彈性模量接近0，表示該焊點(diǎn)單元對(duì)考察的優(yōu)化工況貢獻(xiàn)量可忽略不計(jì)，代表可以刪除的焊點(diǎn)；若相對(duì)密度越接近1時(shí)，表示該焊點(diǎn)單元的貢獻(xiàn)量越大，該焊點(diǎn)單元需要優(yōu)先保留；若相對(duì)密度處于中間值，而實(shí)際中并不存在“軟焊點(diǎn)”對(duì)應(yīng)的材料，考慮將它們的相對(duì)密度都保留為1，這樣焊點(diǎn)單元的相對(duì)密度只有1和0。該優(yōu)化問(wèn)題的數(shù)學(xué)模型如下[4-5]：

最小化：

?()=min() （1）

約束條件：

g()≤0=1,…,（2）

h()=0=1,…,h（3）

式中，=1,2,…, x為設(shè)計(jì)變量；?()為目標(biāo)函數(shù)；()為不等式約束函數(shù)；()為等式約束函數(shù)；上角標(biāo)L指Lower Limit，即下限；上角標(biāo)U指Uper Limit，即上限。

1.優(yōu)化空間

為了找到設(shè)計(jì)冗余或?qū)Y(jié)構(gòu)性能影響較小的焊點(diǎn)，應(yīng)最大化地包含設(shè)計(jì)空間中所有可更改的焊點(diǎn)。本文選取駕駛室白車身所有焊點(diǎn)定義為設(shè)計(jì)空間。

2.優(yōu)化工況

駕駛室車身為非承載式結(jié)構(gòu)，其靜態(tài)線性結(jié)構(gòu)性能主要由剛度和模態(tài)來(lái)衡量。本文優(yōu)化過(guò)程中，將采用自由模態(tài)、彎曲剛度和前、后扭轉(zhuǎn)剛度指標(biāo)來(lái)考察白車身的性能。

3.優(yōu)化約束

優(yōu)化約束是在優(yōu)化過(guò)程中必須滿足的條件。為了保持駕駛室白車身的性能，需要約束白車身的一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)、彎曲剛度、前扭轉(zhuǎn)剛度和后扭轉(zhuǎn)剛度不低于優(yōu)化前。本文中彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度均以加載點(diǎn)的位移為約束條件，即約束加載點(diǎn)的位移絕對(duì)值小于優(yōu)化前的位移絕對(duì)值。

4.優(yōu)化目標(biāo)

拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果是得到焊點(diǎn)單元的密度分布，優(yōu)化目的是減少焊點(diǎn)的數(shù)量，因而定義所有焊點(diǎn)的體積最小為優(yōu)化目標(biāo)。

3 優(yōu)化結(jié)果處理

采用OptiStruct進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化，經(jīng)過(guò)若干步迭代并收斂后，得到焊點(diǎn)優(yōu)化的結(jié)果。根據(jù)最后一步的優(yōu)化迭代結(jié)果，查看其優(yōu)化的響應(yīng)，均滿足設(shè)定的優(yōu)化約束。使用HyperView查看焊點(diǎn)CWELD單元的密度，不同密度的CWELD單元，代表其焊點(diǎn)的空間分布，CWELD單元密度分布如表1所示。

表1 優(yōu)化后CWELD單元密度分布

項(xiàng)目參數(shù) 單元密度0～0.10.1～0.90.9～1.0 CWELD單元數(shù)4501 5311 823 所占百分比/%11.840.248.0

CWELD單元的密度表示該焊點(diǎn)的敏感程度，即靈敏度。CWELD單元的密度越高，則說(shuō)明該焊點(diǎn)對(duì)所考察的工況越敏感；反之，密度越低，則該焊點(diǎn)所起的作用越小。

考慮到一個(gè)三層焊有2個(gè)CWELD單元，四層焊有3個(gè)CWELD單元，可能分布在不同的單元密度組中，因不存在中間密度的單元和不考慮虛焊，故將焊點(diǎn)的CWELD單元僅分布在密度為0～0.1區(qū)間的焊點(diǎn)，認(rèn)為是可以優(yōu)化的焊點(diǎn)，優(yōu)化后焊點(diǎn)密度分布如表2所示，密度小于0.1焊點(diǎn)分布如圖3所示。同時(shí)，優(yōu)化過(guò)程僅考慮了駕駛室白車身的整體模態(tài)、剛度，而未關(guān)注關(guān)鍵區(qū)域的局部剛度、接頭剛度和焊接工藝等，不可優(yōu)化的接頭焊點(diǎn)如圖4所示，不滿足焊接工藝的焊點(diǎn)如圖5所示。因此，將焊點(diǎn)密度在0～0.1區(qū)間的焊點(diǎn)，剔除對(duì)局部性能影響較大的焊點(diǎn)以及考慮焊點(diǎn)區(qū)域的焊點(diǎn)間距（最小為20 mm）的疏密布置，最終剩下約82個(gè)可去焊點(diǎn)，并微調(diào)焊點(diǎn)位置，可優(yōu)化的焊點(diǎn)分布如圖6所示。

表2 優(yōu)化后焊點(diǎn)密度分布

項(xiàng)目參數(shù) 單元密度0～0.10.1～0.90.9～1.0 焊點(diǎn)層數(shù)2323～423 焊點(diǎn)個(gè)數(shù)327171 0863321 037310 所占百分比11%45.8%43.2%

圖3 密度小于0.1焊點(diǎn)分布

圖4 接頭焊點(diǎn)（不可優(yōu)化）

圖6 可優(yōu)化的焊點(diǎn)分布

4 優(yōu)化驗(yàn)證

駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化前后模態(tài)、剛度對(duì)比如表3、表4所示，可以看出，在焊點(diǎn)減少后，其各項(xiàng)性能指標(biāo)都未出現(xiàn)明顯差異，滿足設(shè)定的目標(biāo)。減少焊點(diǎn)區(qū)域的局部剛度、接頭剛度無(wú)明顯變化，模態(tài)位移云圖如圖7、圖8所示，彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的位移云圖如圖9－圖14所示。

表3 駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化前后模態(tài)對(duì)比

階數(shù)優(yōu)化前/Hz優(yōu)化后/Hz差異率振型 1#21.6821.680%一階扭轉(zhuǎn) 2#28.4929.430%頂蓋局部振動(dòng) 3#33.2433.190%后圍局部振動(dòng) 4#37.6837.640%中通道局部振動(dòng) 5#39.3039.270%中通道、側(cè)圍局部振動(dòng)

表4 駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化前后剛度對(duì)比

性能指標(biāo)優(yōu)化前優(yōu)化后差異值 彎曲剛度/(N/mm)17 03917 034-5 前扭轉(zhuǎn)剛度/[N?m/(?)]42 67042 637-33 后扭轉(zhuǎn)剛度/[N?m/(?)]31 20931 111-98

圖7 優(yōu)化前一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)位移云圖

圖8 優(yōu)化后一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)位移云圖

圖9 優(yōu)化前彎曲剛度位移云圖

圖11 優(yōu)化前前部扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

圖12 優(yōu)化后前部扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

圖13 優(yōu)化前后部扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

圖14 優(yōu)化后后部扭轉(zhuǎn)剛度位移云圖

5 結(jié)論

本文應(yīng)用OptiStruct軟件對(duì)駕駛室白車身焊點(diǎn)布置進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，獲得了每個(gè)焊點(diǎn)對(duì)結(jié)構(gòu)性能的貢獻(xiàn)量，并從低貢獻(xiàn)量的焊點(diǎn)中選擇對(duì)局部剛度、接頭剛度和焊接工藝等影響較小的焊點(diǎn)進(jìn)行刪除。通過(guò)驗(yàn)證對(duì)比優(yōu)化前后駕駛室白車身性能考察指標(biāo)，表明優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)性能基本未受影響，驗(yàn)證了駕駛室白車身焊點(diǎn)優(yōu)化布置的可行性，達(dá)到降低制造成本的目的。

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OptiStruct Application on Welding Spot Optimization for the BIW of a Commercial Vehicle Cab

MAO Honghai, YANG Yangong, ZHANG Qinchao

( Shanghai Branch of Weichai Power Company Limited, Shanghai 200122, China )

In this paper, a finite element analysis model is established by optimizing the distribution of welding spots on the cab BIW to meet the structural performance of the cab BIW and reduce the number of welding spots. Using the OptiStruct module, topology optimization is performed on the solder joints of a cab body in white, obtaining the distribution of the contribution of the solder joints to structural performance, and adjusting the solder joint layout accordingly. By comparing the structural performance before and after optimization, it is shown that the modal and stiffness change rates before and after the optimization of the cab BIW solder joints are relatively small. The optimization model and analysis method for the cab BIW solder joints established using Optistruct are reasonable and effective, thereby achieving the goal of reducing costs.

Commercial vehicle cab; BIW; Weld; Topology optimization; OptiStruct

TP391.7

A

1671-7988(2023)19-72-05

10.16638/j.cnki.1671-7988.2023.019.014

毛洪海（1982－），男，碩士，工程師，研究方向?yàn)檎嚻谀途?、碰撞和NVH仿真分析，E-mail:maohong hai@weichai.com。