轎車車門的模態計算和組合式優化分析

肖成林，周德義，王志明 ，楊翔宇

(1.吉林大學 生物與農業工程學院，吉林 長 春 130022;2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 1300222;3.吉林大學汽車工程學院，吉林長春 130022)

轎車車門的模態計算和組合式優化分析

肖成林1，周德義1，王志明2，楊翔宇3

(1.吉林大學 生物與農業工程學院，吉林 長 春 130022;2.吉林大學機械科學與工程學院，吉林長春 1300222;3.吉林大學汽車工程學院，吉林長春 130022)

以模態分析理論為基礎，通過有限元軟件HyperWorks對車門進行了模態分析，考察了該車門的剛度特性;并用拓撲優化中的變密度法，通過HyperWorks對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析，得到了高剛度、輕質量的設計方案。

轎車車門;有限元;Opstruct;模態分析;組合優化

轎車車門骨架的質量和結構形式直接影響車身總成的壽命和性能。汽車結構設計中，在滿足車輛運營中對車身的剛度、強度、舒適性及工藝改造等因素要求的同時，應當盡可能減輕車身的質量和降低制造成本。車門結構設計的主要目的在于在確保車門強度、剛度和舒適性的前提下，減輕車門骨架的質量，縮短新產品開發周期。

筆者針對某轎車車門的結構特點，首先對其進行了自由模態分析，求解了車門前7階約束模態的固有頻率及相應振型，為分析車門振動響應作了必要準備，為改進車門的結構設計提供了一定的理論依據。結構的拓撲優化由于其理論和計算上的復雜性而成為結構優化設計中最富挑戰性的研究領域［1］。筆者又對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析，得到了高剛度、輕質量的設計方案。

1 轎車車門幾何模型的簡化和建立

經過對非承載構件、裝飾件、非主要受力結構中孔以及連接關系的簡化，用CATIA軟件建立了用于有限元模擬仿真分析的車門幾何模型，如圖1。

圖1 轎車車門結構簡化的幾何模型Fig.1 The structure simplified geometric model of car door

2 轎車車門有限元模型的建立

2.1 幾何模型的前處理

在車身的詳細設計階段，建立基于幾何模型的詳細有限元模型，根據載荷工況和車門的響應特性，用板殼單元模擬計算。

車門構件的模型與參數如表1、圖2。

表1 車門構件名稱及參數Tab.1 The component name and parameter list of door

圖2 車門構件爆炸Fig.2 The exploded view drawings of door components

車門構件的材料為08Al，08A1是冷扎鋼板，其材料特性:彈性模量E=206.8 GPa，泊松比μ=0.3，密度ρ=7.9 ×103kg/m3，屈服極限σs=275 MPa，強度極限 σb=410 MPa。

2.2 轎車車門有限元模型的確定

對初步建立的模型進行了調整。模型修正的基本原則是充分體現實際結構的主要關鍵力學特性，即盡可能詳細模擬對整體抗彎和抗扭剛度貢獻大的筋等結構。首先，進行單元網格規整化，并減少三角形單元比例;其次，修正門口翻邊的厚度;最后，對初步試算應力較大區域的模型網格進行細化。

根據該車門結構，利用HyperMesh對幾何模型進行了以下處理:

1)焊點主要采用REB 2的方式模擬，部分采用REB 3的方式模擬;

2)車門所有零件都用板單元進行離散，盡量采用四邊形單元。

建立的有限元模型如圖3，模型節點總數為23 287，單元總數為21 329，自由度數為132 792。

轎車車門結構材料參數如表2。

表2 轎車車門材料參數Tab.2 The material parameters of car door

圖3 車門有限元模型Fig.3 Finite element model of the door

3 轎車車門的模態分析［2］

3.1 設計目標與要求

根據轎車車門的功能要求，其主要部件需要滿足如下的設計要求:

1)轎車車門外側的部件設計要平整、光滑且易加工，使其與車身完美結合，看上去更美觀;

2)與車門門框接觸的部件設計要精確易加工，使其與門框接觸良好，且不產生噪聲;

3)轎車車門內側較大的部件設計要質量最輕，使其最大限度地減少車門整體的質量;

4)轎車車門殼單元的厚度要小于5 mm，使其更符合實際加工情況。

3.2 車門的模態分析

采用Lanczos算法［3-4］提取了該車門骨架的低階非剛體模態，對整個車門骨架在計算時不施加任何約束，即對有限元模型進行自由狀態下的模態提取，應用Opstruct模塊計算得到前7階的自由模態結果如表3。

表3 轎車車門的前7階固有頻率Tab.3 The first seven bands natural frequency of car door

與表3對應的前7階振型見圖4～圖10。

由表3的模態結果看出，車門的第1階彎曲振型頻率是31.91 Hz，其值略高于國內同類車的車門骨架的1階扭轉頻率(27.8 Hz)，這一頻率值已經大大減小了車門骨架結構與車身及傳動系統之間共振的可能性［5］。由圖4的振型結果可以知道，門上框和門后框的變形較大，門外把手加強板和門內加強板的變形較小，其它部件基本沒有變形，振動多集中在車門的上半部位，對整體結構的影響不大，可以視研究的具體情況給與結構的改進優化，以便得到該車門骨架較為合理的剛度分布情況和模態參數值。

從上面的分析及考慮到轎車車門強度的要求，不能通過修改尺寸來大幅度提高第1階固有頻率，所以在不改變設計結構的前提下，通過改變尺寸參數來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設計來提高固有頻率。

4 轎車車門的組合式優化分析

拓撲優化可在給定的設計空間內找到最優的材料分布;形貌優化可在鈑金件上找出最佳的加強肋位置和形狀。筆者采用變密度法，運用有限元軟件Opstruct對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析［6］。

4.1 問題描述

1)設計目標:

使轎車車門獲得最大的剛度。

2)設計約束:

第1階模態的頻率的最低要求為28 Hz。

3)設計變量:

設計空間中單元密度和形狀變化。

4.2 優化過程

在OpiStruct中優化分析的主要過程［7］:

1)設置有限元模型;

2)施加載荷和邊界條件;

3)設置優化參數;

4)提交作業;

5)查看結果及分析。

由于轎車車門實際工況的限制以及某些必須滿足的設計參數，使得車門的可優化區域受到了嚴格的制約，綜合考慮本論文只對其內側的3個大的主要部件(部件1:車門內板;部件7:側面防撞橫梁;部件8:門外加強板)進行優化(圖2)，得優化區域如圖11。

圖11 優化部件Fig.11 The diagram of Optimized parts

4.3 組合優化結果

圖12為HyperGraph［8］模擬出的目標函數迭代次數的曲線，共迭代6次。

圖12 目標函數隨迭代次數的曲線Fig.12 The curve of objective function with the number of iterations

圖13(a)～圖13(f)為6次迭代的結果。

圖14(a)～14(c)為第6次迭代的不同密度下的等值面圖。

本文采用的拓撲優化方法為變密度法。由6次迭代的密度分布圖和第6次迭代的密度結果等值面云圖知:密度小的部位越來越少，最后集中在門內板上方中部和后下角、門外加強板的前半段，所以設計時適當減小其厚度;密度大的部位集中在車門內板前半部分和側面防撞橫梁上，設計時應添加不同形式的加強板。這3個部件的密度分布圖與模態分析的結果相對應:密度分布圖中密度大的部位對應模態分析圖中振動大的部位，密度小的部位對應振動小的部位。圖中密度大的部位優化后厚度適當增加或通過加強板增加了其強度，密度小的部位優化后厚度減小，可見得到滿意的結果。

5 結論

1)使用大型CAD軟件CATIA建立簡化的幾何模型，同時利用大型有限元HyperWorks中的HyperMesh模塊對幾何模型做相應的前處理得到有限元模型。

2)應用Opstruct模塊計算得到前7階的自由模態結果，分析及考慮到轎車車門強度的要求，可知不能通過修改尺寸來大幅度提高第1階固有頻率，所以在不改變設計結構的前提下，通過改變尺寸參數來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設計來提高固有頻率。

3)運用Optistruct模塊做了組合式優化設計，得到剛度強、質量輕的設計方案，能加速企業開發產品過程，縮短產品開發周期，提高產品質量。

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Mode Calculation and Combined Optimization of Car Door

XIAO Cheng-lin1，ZHOU De-yi1，WANG Zhi-ming2，YANG Xiang-yu3
(1.Biological and Agricultural Engineering College，Jilin University，Changchun 130022，China;
2.Mechanical Science and Engineering College，Jilin University，Changchun 130022，China;
3.College of Automotive Engineering，Jilin University，Changchun 130022，China)

Based on the modal analysis theory and FEM software HyperWorks，analysed low-order modes on founded fem model，so as to preferably investigates the door's stiffness characteristics.Based on the variable density method of topology optimization.Based on analysis of the combination of topology and morphology，it can be obtained a design scheme of high rigidity and light mass.

car door;fem;Opstruct;modal analysis;combinatorial optimization

U463.834

A

1674-0696(2011)03-0465-05

2011-01-29;

2011-03-16

科學技術部科技人員服務企業項目(2009GJB10036)

肖成林(1984-)，男，河南商丘人，碩士，主要從事農業機械部件強度分析與優化的研究工作。E-mail:xiaochenglin163@sohu.com。