基于形貌優化的某承載式轎車地板結構設計

張彩婷，王曉花，王國斌，劉志軍

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基于形貌優化的某承載式轎車地板結構設計

張彩婷，王曉花，王國斌，劉志軍

（銀川能源學院機械與汽車工程學院，寧夏回族自治區 銀川 750000）

形貌優化是在不增加結構重量的前提下，尋找最優加強筋分布的方法，以提高鈑金件結構的剛度和模態頻率等。由于地板主要承受運動中產生的振動和沖擊等，易產生振動和噪聲，對舒適性有重要的影響，本文以某承載式轎車為研究對象，對白車身和地板進行模態分析，利用兩種形貌優化方法自由起筋優化和約束起筋優化對地板進行結構優化設計，以提高后地板的模態頻率值，并對優化前后的模態頻率值進行了對比，其優化提高了整車的第一階固有頻率，避免整車發生共振現象。

形貌優化；模態；后地板；加強筋

1 引言

在結構設計里組成白車身的大鈑金件，比如頂棚、地板等，需要在強度和剛度上達到一定的要求，以此確保汽車具有很好的承載能力以及NVH性能。低模態存在的同時也存在著低剛度，故要防止低模態頻率在地板結構上呈現。常利用增添支撐結構、增大材料的厚度、對沖壓成型過程進行優化以及使用性能高的材料的方法來提高板件的剛度與強度，而在實際工程中，首要選用鈑金的形貌優化方法[1]。

傳統中對鈑金件的加強筋設計是依照設計者的經驗進行的，這就使得最初的設計不能快速達到要求或使結果取得最優，進行每一次的改進都需根據前一輪的設計分析，這種傳統的鈑金件設計方法不僅耗時多而且最終的設計模型也不一定是最優模型，而鈑金件的形貌優化法改善結構的效果顯著，并且在成本耗費上也低。

為了表述清楚，本文以某承載式轎車為對象，采用有限元方法，先對白車身進行模態分析[2,3,4]，在白車身的自由模態分析中，后地板在整車模態振型中存在顯著的局部模態，并且整車第一階模態頻率低于21 Hz，易發生共振，并且在聲壓貢獻度分析中，后地板對聲壓的貢獻度最大，故本節選用該車身中的后地板為研究對象，采用HyperWorks中的Optistruct模塊對后地板進行形貌優化[5,6]，尋找最優加強肋的布置。

2 白車身結構模態分析

在HyperMesh中EIGRL設定模態分析中要獲取多少階的模態參數，control card設定模態分析的求解類型，即SOL103。白車身自由模態分析下，前10階固有頻率和振型結果見表1。

表1 白車身有限元模型前十階自由模態固有頻率和振型

該承載式白車身在低階下模態振型大部分屬于整車模態振型，如整車彎曲和扭轉等，而局部共振振型大多在高階模態振型中出現，如地板、頂棚等振型。特殊情況下，可能因為車身局部剛度偏低，在低頻范圍內也存在局部振型，有時與整車模態振型一起出現，該承載式車身的地板等結構是該車身結構的薄弱環節，需進行結構優化，避免發生共振。

3 后地板形貌優化

3.1 后地板模態計算

在白車身模態分析里地板中后地板處局部模態顯著，截取后地板，進行約束模態的分析，如圖1所示約束模型。

圖1 后地板約束模型

3.2 后地板優化設計

3.2.1 自由起筋優化

本文針對后地板大面積板件進行形貌優化[7,8]。進行優化的時候，需要考慮零件的布置空間和優化計算時間方面的要求，避免優化后布置的加強筋結果與周圍的裝配零件發生干涉問題，以及優化計算時間過于長的問題。

在自由起筋優化中，先將原始后地板模型的加強筋抹平，然后以板件的約束模態固有頻率為優化目標，使后地板的第一階固有頻率最大，起筋方向與沖壓方向保持一致，從而減小結構的振動[9,10]。從外觀和加工工藝方面考慮，對后地板進行加強筋的處理。

優化問題可以描述如下：

（1）設計目標：后地板的第一階固有頻率最大。

（2）設計約束：肋的分布以及尺寸大小。

（3）設計變量：節點相對在殼單元中性面法向上的擾動。

形貌優化設計參數如表2所示，優化區域如圖2所示。

表2 優化設計參數

本文選用Hyperworks軟件，優化后查看后地板的自由起筋優化最后一步迭代的形狀云圖信息，其加強筋布置結果云圖如圖3所示，圖中顯示的紅色區域表示加強筋的起筋高度為8 mm。

圖3 自由起筋優化結果

3.2.2 約束起筋優化

圖4 不同區域優化示意圖

根據自由起筋優化結果的起筋模式，又考慮到焊點位置以及工裝等要求，將后地板分為6個區域，如圖4所示，每個區域的起筋方式不同，設計變量及約束目標的定義與自由起筋優化一致。

利用OptiStruct對后地板進行約束起筋優化的計算，利用HyperView查看約束起筋優化結果，如圖5所示最后一步迭代的形狀云圖結果，由圖中可以看出，此時優化后的后地板上加強筋布置方式比較規則，備胎槽中加強筋以徑向分布，后地板前部凸包處和后部局部呈現線性分布。

圖5 約束起筋優化結果示意圖

3.2.3 后地板局部區域結構改進設計

通過形貌優化，獲取到的結構材料的布置方法，在結構設計上可供參照，但和實際工程還是有一定的差距，所以需依照結構在實際中的方式，對其進行適當地改正和改善。結合自由起筋和約束起筋兩種形貌優化方法的優化結果，對圖6(a)中優化區域進行改進設計，考慮到軟件計算得到的加強筋高度是非圓整參數，需對其進行圓整處理，所以位移小于2.667 mm的區域面積不作考慮，位移在2.667 mm~3.556 mm之間的區域起筋高度設計為3 mm，大于3.556 mm的區域加強筋高度設計為6 mm。其中，備胎槽以中心區域為中心點，周圍平面和側壁按一定間隔布置放射狀加強筋，最終優化結果模型如圖6(b)所示。

圖6 后地板模型

4 優化結果分析

采用最終加強筋布置的后地板模型，裝配到白車身模型，以驗證。依然選用Block Lanczons方法對白車身進行自由模態分析，如圖7所示后地板優化后白車身的第一階模態振型云圖。

由圖7可知，白車身第一階振動位移量幅值和前保險杠的位移幅值減小，降低了白車身的第一階振動幅度。白車身第一階模態頻率從20.12 Hz提高到21.9 Hz，提高了8.8 %，達到提高白車身結構的第一階固有模態頻率的目的，從而避免與路面產生的激勵發生共振，優化后的后地板模型比原始的后地板減重0.02 kg。通過對后地板形貌優化，提高了地板的剛度，增加了結構的穩定性，此方案既改善了車身的振動特性又滿足了輕量化的要求。

圖7 白車身第一階固有振型

5 結論

本文應用有限元分析方法，選用HyperMesh中OptiStruct模塊對車身后地板進行形貌優化分析。結果表明，在不增加結構重量的前提下，基于成本節約的基礎上，通過優化后地板的加強筋起筋方式和位置，可以有效增強后地板的模態性能，提高后地板的剛度，并提高白車身結構第一階模態頻率，錯開與路面激勵頻率，避免發生共振。

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Structural design of a certain type of car floor based on morphology optimization

Zhang Caiting, Wang Xiaohua, Wang Guobin, Liu Zhijun

( School of mechanical and automotive engineering, Yinchuan Energy Institute, Ningxia Yinchuan 750000 )

Morphology optimization is a method to find the optimal reinforcement distribution without increasing the weight of the structure, so as to improve the stiffness and modal frequency of the sheet metal structure. As the floor is mainly subjected to vibration and impact in motion, vibration and noise are easily produced, and it has an important influence on comfort. A bearing car is taken as the research object, carries out modal analysis to the body and floor of the white body and floor, and makes use of two kinds of morphology optimization methods to optimize the reinforcement and restrain the reinforcement to the floor. In order to improve the modal frequency value of the rear floor and compare the modal frequency values before and after the optimization, the optimization improves the first natural frequency of the whole vehicle and avoids the resonance phenomenon of the whole vehicle.

shape optimization; modal; rear floor; stiffener

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

A

1671-7988(2018)22-154-03

U463.82+1

張彩婷（1991-），女，寧夏回族自治區吳忠市人，碩士研究生，助教，主要研究方向為車身CAD/CAE/CAM。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2018.22.055