基于OptiStruct的某車型背門的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉向征，薛廣新，張春雨

基于OptiStruct的某車型背門的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉向征，薛廣新，張春雨

（廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，廣東 廣州 511400）

某車型背門在開發(fā)過(guò)程中，側(cè)向剛度不能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)。通過(guò)對(duì)內(nèi)板結(jié)構(gòu)進(jìn)行整體分析，發(fā)現(xiàn)內(nèi)板結(jié)構(gòu)部分區(qū)域存在優(yōu)化空間。結(jié)合設(shè)計(jì)布置需要，確定初始設(shè)計(jì)域，綜合運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化和多目標(biāo)優(yōu)化確定內(nèi)板的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。通過(guò)典型剛度工況與模態(tài)分析校核背門內(nèi)板可行性，實(shí)現(xiàn)了滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的背門的正向設(shè)計(jì)。文章提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可為汽車背門內(nèi)板設(shè)計(jì)提供參考。

OptiStruct；背門；剛度

前言

近年來(lái)，隨著國(guó)家二胎政策的放開，消費(fèi)者對(duì)大型SUV、MPV等車型需求量日益攀升，大尺寸的汽車背門應(yīng)運(yùn)而生。在車輛的行駛過(guò)程中，背門在滿足普通的強(qiáng)度工況要求的同時(shí)，還要避開路面激勵(lì)及發(fā)動(dòng)機(jī)怠速頻率，避免發(fā)生共振；考慮轉(zhuǎn)彎、背門開啟等工況的存在以及商品性的需求，背門還要滿足一定的側(cè)向、扭轉(zhuǎn)剛度要求，同時(shí)，又要滿足輕量化設(shè)計(jì)的需要。綜上所述，針對(duì)汽車背門的結(jié)構(gòu)優(yōu)化成為解決問(wèn)題的關(guān)鍵所在。本文以某車型背門為研究對(duì)象，基于OptiStruct拓?fù)鋬?yōu)化與CATIA曲面建構(gòu)方法，開展背門優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)仿真分析驗(yàn)證設(shè)計(jì)方案的可行性，最終確定符合各項(xiàng)指標(biāo)性能和工藝要求的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案。

1 優(yōu)化模型的建立

由于涉及多目標(biāo)迭代優(yōu)化，為提高計(jì)算效率，對(duì)模型進(jìn)行合理簡(jiǎn)化。本分析模型剛化車身，即只考慮背門旋轉(zhuǎn)件模型，其中包括鉸鏈門蓋頁(yè)、內(nèi)板、外板、鉸鏈加強(qiáng)板、氣彈簧加強(qiáng)板、緩沖塊加強(qiáng)板、雨刮加強(qiáng)板、鎖加強(qiáng)板、玻璃等。背門旋轉(zhuǎn)件模型如圖1所示。

圖1 背門旋轉(zhuǎn)件模型

采用Hypermesh進(jìn)行有限元網(wǎng)格劃分，綜合考慮模型最小特征尺寸和計(jì)算效率，基本網(wǎng)格大小設(shè)為8mm。分析模型單元總數(shù)為79757個(gè)，節(jié)點(diǎn)總數(shù)為85120個(gè)。根據(jù)分析模型運(yùn)動(dòng)方式，約束鉸鏈門蓋頁(yè)銷軸除繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)以外所有自由度。側(cè)向工況，約束鎖扣Z向平動(dòng)，并在鎖扣處施加Y向150N力；扭轉(zhuǎn)工況，約束鎖扣3向平動(dòng)，并在加載點(diǎn)處施加沿開啟方向100N力，加載點(diǎn)選取背門外板下端角部?jī)蓚?cè)邊緣線的切線所形成的角平分線上，距離背門邊緣20mm的位置。

2 拓?fù)鋬?yōu)化

由于背門外板為造型面，屬于不可優(yōu)化空間，本例選取背門內(nèi)板中下部較為平順區(qū)域作為設(shè)計(jì)空間，預(yù)留內(nèi)外板間3處支撐扣料空間和背門鎖安裝空間，形成如下圖所示設(shè)計(jì)區(qū)域，筋的生長(zhǎng)方式關(guān)于Y軸對(duì)稱。

圖2 設(shè)計(jì)區(qū)域示意圖

該車型背門結(jié)構(gòu)優(yōu)化的目的是在滿足模態(tài)和剛度等性能的前提下，尋求質(zhì)量最小的結(jié)構(gòu)形式，因此選取該背門體積分?jǐn)?shù)Volumefrac作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)。

背門自由模態(tài)一階彎曲振動(dòng)頻率是衡量背門是否出現(xiàn)加速轟鳴的重要指標(biāo)。為保證背門模態(tài)性能，要求背門一階彎曲固有頻率不能低于設(shè)計(jì)值。本例選取背門第八階即一階彎曲固有頻率（前六階為剛體模態(tài)，第七階為一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)）作為約束條件，定義約束函數(shù)為：

式中，Freq為背門最小一階彎曲固有頻率；

[Freq]為背門一階彎曲固有頻率的設(shè)計(jì)值；本次優(yōu)化中[Freq]取40Hz。

背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度是衡量背門剛度強(qiáng)弱的重要指標(biāo)。為保證背門剛度性能，要求背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度均不能高于設(shè)計(jì)值。本例選取扭轉(zhuǎn)加載點(diǎn)（角部）背門開啟方向位移和側(cè)向加載點(diǎn)（鎖扣）Y向位移作為約束條件，定義約束函數(shù)如下：

式中，Disp_torsion和Disp_side分別背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的最大值，[Disp_torsion]和[Disp_side]分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的設(shè)計(jì)值，本次優(yōu)化中[Disp_torsion]和[Disp_ side]分別取0.9mm和1.6mm。

根據(jù)定義的優(yōu)化模型開展拓?fù)鋬?yōu)化問(wèn)題的求解，模型經(jīng)過(guò)36次迭代計(jì)算后收斂，取單元密度閥值為0.05，得到單元密度拓?fù)浞植荚茍D，如下圖所示。

圖3 背門內(nèi)板拓?fù)鋬?yōu)化單元密度云圖

3 尺寸、厚度多目標(biāo)優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)得到的基本拓?fù)錁?gòu)型，結(jié)合沖焊成型工藝要求，在CATIA中構(gòu)建貼合優(yōu)化方向的幾何模型，最終設(shè)計(jì)模型如下圖4所示。

該方案已經(jīng)初步滿足背門產(chǎn)品的性能、質(zhì)量目標(biāo)，但是在滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求的同時(shí)，設(shè)計(jì)區(qū)域內(nèi)的筋條寬度、高度及料厚仍存在一定的優(yōu)化空間，以達(dá)到以最輕的質(zhì)量達(dá)到最優(yōu)的性能。因此，需要基于剛度、模態(tài)性能對(duì)上述初步的拓?fù)鋬?yōu)化模型進(jìn)行尺寸、厚度作為優(yōu)化變量的多目標(biāo)優(yōu)化。

圖4 優(yōu)化后背門幾何模型及優(yōu)化變量示意圖

與拓?fù)鋬?yōu)化類似的，由于背門外板為造型面，屬于不可優(yōu)化空間。多目標(biāo)優(yōu)化選取本門內(nèi)板鈑金料厚作為厚度變量，選取拓?fù)鋬?yōu)化得到的筋條的寬度、高度、接頭尺寸作為尺寸優(yōu)化的變量，如圖4所示（形狀變量沿Y軸對(duì)稱）。

與拓?fù)鋬?yōu)化類似的，多目標(biāo)優(yōu)化的目的仍然是在滿足模態(tài)和剛度等性能的前提下，尋求質(zhì)量最小的結(jié)構(gòu)形式。因此將背門多目標(biāo)優(yōu)化概括為，以背門質(zhì)量Mass最小作為優(yōu)化的目標(biāo)函數(shù)，以背門一階彎曲固有頻率、背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度作為優(yōu)化的約束函數(shù)的優(yōu)化方案。優(yōu)化函數(shù)定義為：

目標(biāo)函數(shù)：Min[Mass]

約束函數(shù)：

式中，Freq為背門最小一階彎曲固有頻率；

Disp_torsion和Disp_side分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的最大值；[Disp_torsion]和[Disp_side]分別為背門扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度的設(shè)計(jì)值。

根據(jù)定義的優(yōu)化模型進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化分析，經(jīng)迭代尋優(yōu)后找到符合要求的最優(yōu)解。此最優(yōu)解所示結(jié)構(gòu)方案在滿足產(chǎn)品性能目標(biāo)的情況下達(dá)到了質(zhì)量最小值。

4 優(yōu)化方案校核

為了進(jìn)一步驗(yàn)證優(yōu)化方案的可行性，需要對(duì)優(yōu)化設(shè)計(jì)方案進(jìn)行剛度校核，相應(yīng)工況下位移云圖如圖5、6所示。由圖可知，結(jié)構(gòu)變形合理，扭轉(zhuǎn)、側(cè)向剛度均滿足設(shè)計(jì)要求。經(jīng)計(jì)算優(yōu)化設(shè)計(jì)方案對(duì)應(yīng)一階彎曲固有頻率為45.52Hz，有效地避開了設(shè)計(jì)共振區(qū)域，滿足模態(tài)設(shè)計(jì)要求。

圖5 扭轉(zhuǎn)工況位移云圖

圖6 側(cè)向工況位移云圖

表1 優(yōu)化前后相關(guān)參數(shù)對(duì)比

由上表可知，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案較原始方案內(nèi)板質(zhì)量只增加了0.09Kg的情況下，剛度模態(tài)性能都得到了一定幅度的提升，尤其是對(duì)于接近目標(biāo)值的側(cè)向剛度的提升，為后期減重和試驗(yàn)偏差預(yù)留了一定空間，也為設(shè)計(jì)工程師的后期優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了寶貴的借鑒意義。綜上所述，優(yōu)化設(shè)計(jì)方案各項(xiàng)性能優(yōu)異，方案合理、可行。

5 結(jié)論

本文以某車型背門為研究對(duì)象，運(yùn)用有限元分析技術(shù)與拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)方法，確定了背門內(nèi)板的優(yōu)化方向和詳細(xì)設(shè)計(jì)方案，并通過(guò)仿真校核驗(yàn)證了該方案的可行性。該方案一改傳統(tǒng)背門內(nèi)板筋的布局形式，以較為新穎的結(jié)構(gòu)提升了相關(guān)性能，實(shí)現(xiàn)了滿足各項(xiàng)性能指標(biāo)的背門的正向設(shè)計(jì)。本文提出的優(yōu)化設(shè)計(jì)方案可為汽車背門內(nèi)板設(shè)計(jì)提供參考。

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Optimization design of the back door of a certain model based on OptiStruct

Liu Xiangzheng, Xue Guangxin, Zhang Zhunyu

( Guangzhou Automobile Group Co., Ltd. Automobile Engineering Research Institute., Guangdong Guangzhou 511400 )

In the development process of a model tailgate, the lateral stiffness cannot meet the design goal. Through the overall analysis of the inner panel structure, it is found that there is room for optimization in some areas of the inner panel structure. Combined with the design layout needs, the initial design domain is determined, and the optimal design of the inner panel is determined by comprehensively using topology optimization and multi-objective optimization. Through the typical stiffness conditions and modal analysis to verify the feasibility of the tailgate inner panel, the forward design of the tailgate to meet various performance indicators is realized. The optimized design proposed in this paper can provide reference for the design of the inner door of the car.

OptiStruct;Tailgate;Stiffness

U463

A

1671-7988(2019)14-102-03

U463

A

1671-7988(2019)14-102-03

劉向征，碩士，中級(jí)工程師，就職于廣州汽車集團(tuán)股份有限公司汽車工程研究院，從事白車身及內(nèi)外飾結(jié)構(gòu)分析。

10.16638/j.cnki.1671-7988.2019.14.032