基于OptiStruct的某輕型貨車車門扭轉剛度分析及形貌優化

何 璇

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

基于OptiStruct的某輕型貨車車門扭轉剛度分析及形貌優化

何 璇

He Xuan

（合肥工業大學 機械與汽車工程學院，安徽 合肥 230009）

運用Hypermesh軟件建立某輕型貨車車門的有限元模型，并對該車門的扭轉剛度進行仿真，得到相應的位移云圖。同時對該車門進行扭轉剛度試驗，得到各測點的變形數據。通過將仿真數據和試驗數據進行對比，證明建立的有限元模型是可靠的。在此基礎上運用OptiStruct對該車門進行形貌優化，提高車門的扭轉剛度。改進后的車門扭轉剛度有了明顯的提高，該方法在不增加結構和材料的前提下有效提高了車門扭轉剛度，為新車門的研發提供了一種新的思路。

Hypermesh；車門；扭轉剛度；形貌優化；OptiStruct

0 引 言

隨著經濟的快速發展，汽車作為人們日常生活中不可缺少的交通工具日益普及。與此同時，車輛的安全性和舒適性也引起了汽車生產廠家和消費者的廣泛關注。車門作為汽車上不可或缺的一部分，或多或少的影響著汽車的整體性能。

當前世界上生產的大多數鋼制車門都使用的是內外板結構形式。這種形式的車門由外門板、內門板、上加強板、下加強板、門鎖加強板和鉸鏈等組成，并通過焊接成為一個整體。車門扭轉剛度不足會導致車門無法可靠的開啟關閉。嚴重時會造成漏風、漏雨和振動噪聲等問題。因此，車門必須要有合適的剛度來滿足安全性和舒適性的要求。

文中運用Hypermesh 建立了某輕型貨車車門的有限元模型并分析了該模型的扭轉剛度，通過試驗驗證，得出了車門上變形較大的部位。以減小這些部位的變形為目標，對車門進行形貌優化，提高車門的扭轉剛度。

1 有限元模型的建立

1.1 車門模型簡化

車門主要承載部件是外門板、內門板、窗框加強板、內板加強板、鉸鏈加強板以及門鎖加強板，在模型中對這些部分進行有限元網格劃分。在進行網格劃分前，需要對幾何模型進行清理，幾何模型處理的好壞直接影響到網格質量。針對該模型，做了以下幾處簡化：

1）車門內、外飾部件對車門扭轉剛度影響較小，此處忽略，不予建立有限元模型；

2）車門大部分是沖壓板件，上面存在大量的過度圓角及孔洞。忽略半徑小于5mm的圓角、倒角和半徑小于10mm的孔洞；

3）對于一些安裝承載孔洞要予以保留。

1.2 單元選取與網格劃分

模型建立過程中，定義當車門安裝在車身上并保持關閉時，車門坐標系與汽車坐標系相同。劃分網格時采用四邊形單元和三角形單元混合建模的方法?？刂茊卧獏担簡卧N曲度（warpage）小于5°，雅克比（jacobian）大于0.7，四邊形單元的各個角控制在45°～135° ，殼單元共15 148個，四邊形單元13 724個，三角形單元598個占3.95%（<5%），rigid單元826個，同時用rigid單元來模擬螺栓連接和點焊。

網格劃分好以后需要賦予網格相應的材料和屬性，在材料卡片中設置車門材料性能參數，門板的厚度在屬性卡片中設置。整個車門使用同一種材料，相關的材料性能參數見表1，車門主要部件的厚度見表2。

表1 材料性能參數

表2 主要部件厚度

車門整體有限元模型如圖1所示。

1.3 約束及加載方式

考慮到現在大部分車門后端的剛度要小于前端剛度（前后相對于車身而言），模型約束及加載方式如表3所示。

表3 扭轉剛度分析工況及結果

工況1的有限元模型位移云圖如圖2所示。

工況2的有限元模型位移云圖如圖3所示。

2 扭轉剛度臺架試驗

將車門前端（鉸鏈位置）、后端（車鎖位置）用螺栓固定在試驗臺架上，連接位移傳感器及信號采集設備（如圖4）。選取車門后端內門板距門邊4 cm的位置作為工況1的加載點，同樣選取車門后端外門板距門邊4 cm的位置作為工況2的加載點逐級施加載荷至1 000 N左右再逐級卸載。通過信號采集設備得到試驗相關數據，根據試驗數據得到相應工況下剛度擬合曲線如圖5（a）、（b）所示。

由試驗數據擬合曲線可得：工況1（在車門內板加載）下的扭轉剛度為45.371 N/mm，有限元模型仿真得到的扭轉剛度為43.06 N/mm；工況2（在車門外板加載）下的扭轉剛度為43.147 N/mm，有限元模型仿真得到的扭轉剛度為41.34 N/mm。通過將試驗和有限元模型的扭轉剛度進行對比，兩者近似相等，驗證了有限元模型的正確可靠性。

3 車門的形貌優化

形貌優化是一種通過改變沖壓板件的形狀來提高其性能的方法，即在鈑金件上找出最佳的加強筋位置和形狀。相對于原來的改變截面形狀、增加加強板厚度等優化方法，它的特點是不需要增加任何結構或者材料，在原有模型的基礎上只需要改變其形狀即可。在節能減排的今天，更滿足車輛輕量化的設計要求。

形貌優化的基本原理是把設計空間中的節點擾動向量按照一定的模式進行組合以滿足設計約束，通過進行一次次的迭代計算，分析這些節點向量對板件性能的影響，最終生成優化后的最佳形貌。

通過上面的模型仿真和試驗數據可知，工況2下的車門扭轉剛度偏低，所以針對該工況，利用形貌優化的方法，對車門進行優化處理。車門外板為了滿足設計美觀的需要不適合進行形貌優化，而車門內板需要安裝各種車門內飾件，故其上有許多安裝孔洞，綜合考慮選擇車門內板作為優化對象。

在OptiStruct軟件中定義好設計空間、設計變量以及設計目標。設計空間為車門內板，設計變量為Y向最大位移，設計目標為使Y向最大位移減小。其中筋條寬度設置為單元平均寬度的1.5～2.5倍（該模型設置為30 mm），起筋角設置為60°，起筋最大高度設置為4 mm。優化后的車門加強筋云圖如圖6所示，工況2下的位移云圖如圖7所示。

對比圖3和圖7，優化前工況2下Y向最大位移為4.427 mm，優化后為3.640 mm，扭轉剛度由44.34 N/mm提高到50.24 N/mm。這一結果說明通過形貌優化的方法來提高車門扭轉剛度是行之有效的。

3 結 論

1）通過對有限元模型進行仿真，并將其結果與試驗所得數據進行對比，兩種方法得到的扭轉剛度很接近，可以認為有限元模型是正確可靠的，為以后車門的設計優化提供了方法。

2）采用一種異于常規優化的方法——形貌優化法，在不需要增加加強板、不需要改變截面形狀、不需要增加板件厚度的前提下對車門內板進行優化，明顯提高了車門的扭轉剛度。為汽車的輕量化設計提供了參考方向。

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U469.21：U463.83+4

A

10.14175/j.issn.1002-4581.2014.05.010

2014-05-05

1002-4581（2014）05-0039-04