基于仿真ODS法的某車型后門鎖扣動剛度優化設計

曾維和 張德彬 吳強 茍黎剛 管迪

摘 要：文章基于NASTRAN對某SUV車型后門鎖扣動剛度進行仿真分析，根據動剛度仿真結果對原有方案提出了兩種輕量化構思方案，然后對輕量化方案的動剛度進行驗證比較，優選出綜合性能更優越的輕量化方案;最后對優選的輕量化方案進行ODS仿真分析，根據ODS分析結果對鎖扣安裝結構優化設計，既提升了動剛度性能又實現減重降本的目標。研究結果表明：與初始方案比，優化后的鎖扣安裝結構能實現單側減重0.65kg，輕量化比例高達33.2%，輕量化降本效果顯著。優化方案后門鎖扣X/Y/Z向動剛度均有不同程度增加，動剛度水平提升至與初始方案基本相當。

關鍵詞：后門鎖扣;動剛度;ODS法仿真;結構優化

中圖分類號：U463 ?文獻標識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）10-54-04

Dynamic Stiffness Optimization of Rear Door Latch Striker?Basedon Simulation of ODS

Zeng Weihe， Zhang Debin， Wu Qiang， Gou Ligang， Guan Di

（?Geely Automobile Research Institute Ningbo Co. Ltd，?Zhejiang Ningbo 315336?）

Abstract：?Rear door latch striker dynamic stiffness of one vehicle was simulated by NASTRAN. Based on dynamic stiffness result of base design， two lightweight design was proposed. And then chosen lightweight design proposal with better overall performance by verifying and comparing dynamic stiffness result of two lightweight design solutions. Lastly ODS simulation of chosen lightweight design proposal was applied. And rear door latch striker mounting structure design was optimized according to ODS analysis result. Optimized design improved latch striker dynamic stiffness performance and also achieved the goal of reducing weight and cost. Investigation result indicate that： Optimized latch striker mounting structure can achieve 0.65kg weight loss on one side， it reaches 30% weight loss and has significant effect on lightweight cost reduction. Latch striker dynamic stiffness in X/Y/Z direction of optimized mounting structure increased in varying degrees， and its dynamic stiffness level was promoted to be comparable to the initial design.

Keywords： Rear door latch striker;?dynamic stiffness; ODS method simulation;?Structure optimization

CLC NO.： U463 ?Document Code： A ?Article ID：?1671-7988（2020）10-54-04

引言

汽車關門聲品質（Door Closing Sound Quality，簡稱DCSQ）是評價整車NVH性能的一項重要指標^[1-2]，關門聲品質直接影響客戶對整車品質的感受。隨著消費者對汽車品質的日益增高，國內外汽車廠商的工程師們和研究學者在汽車關門聲品質的主要影響因素^[1]、評價方法^[2-3]及如何提升關門聲品質^[4-6]等方面做了大量研究。

福特汽車的A. Petniunas^[7]等人研究表明對關門聲尖銳度貢獻最大的因素是門鎖/鎖扣之間相互作用，車門鎖扣安裝區域若剛度不足，在用力關門時門鎖與鎖扣撞擊接觸激勵結構非線性振動會放大關門聲尖銳度的峰值水平，造成關門聲品質衰減，影響客戶選車時對整車品質的第一印象。藺磊等人通過實車測試和主客觀評價方法研究發現，提升后門鎖扣和后側圍區域動剛度能提高后車門關門聲品質水平^[8]。因此開展鎖扣動剛度仿真優化工作具有一定的工程實際意義。

本文中以某SUV車型為研究對象，根據基礎方案的動剛度仿真結果，提出輕量化構思方案，并結合ODS仿真技術，對輕量化方案進行虛擬驗證和優化，將后門鎖扣動剛度提升到更高的水平，并達到輕量化降本設計的目標。

1 仿真模型與方法介紹

1.1?動剛度仿真建模

基于ANSA建立白車身模型，鎖扣動剛度仿真計算模型選用某SUV車型白車身模型，車身模型如圖1（a）。車身建模網格尺寸5.4mm，車身零件間焊點，焊縫，膠粘，螺栓等連接信息應包含在仿真模型中。為計算鎖扣局部動剛度，在鎖扣處建立局部坐標系，局部坐標系Z向沿鎖扣撞針軸向，Y向與全局Y向一致，建立的鎖扣局部坐標系如圖1（b）。

使用NASTRAN SOL111求解器進行模態響應分析，求解頻率范圍設置為10～500Hz，頻率步長1Hz，結構阻尼常數設置為0.08。求解時白車身模型處于自由態，不施加任何約束。

輸出后門鎖扣響應點位移隨頻率響應曲線，求解完成后在META中進行后處理，得到左右側后門鎖扣動剛度隨頻率的響應曲線。

1.2?ODS仿真

工作變形分析（Operational Deflection Shape，簡稱ODS）可求解到結構處于工作狀態下的總變形響應，ODS法仿真能得到特定工作頻率下結構振型，這種振型形狀是結構激起來的各階模態振型線性疊加的結果^[9-10]。根據1.1中求得的后門鎖扣剛度隨頻率響應曲線，找到剛度在求解頻率范圍內最小值所在的頻率，然后基于NASTRAN SOL111進行ODS仿真，求解得到指定頻率下的車身結構振型和應變能分布，幫助快速識別結構薄弱位置，指導有的放矢地進行后門鎖扣安裝結構優化，提升其動剛度性能。

2 結果分析與討論

2.1 動剛度仿真分析及結果比較

某SUV車型后門鎖扣區域初始設計方案如圖2（a）所示，鎖扣安裝結構由鎖扣加強板、C柱外加強板、加強板支撐腿組成，鎖扣加強板一側支撐于C柱內板，另一側由C柱加強板支撐，加強板左下角設計有加強板支撐腿與輪包連接，鎖扣安裝結構重量共1.96kg。對初始方案進行動剛度仿真得到后門鎖扣動剛度響應曲線（如圖3所示），根據動剛度曲線可得到固定頻率范圍內動剛度最低值（統計結果見表1）。動剛度結果顯示：初始鎖扣固定結構剛度性能較好，左側鎖扣X，Y，Z向最低動剛度分別為7.37kN/mm，1.21kN/mm，3.90kN/?mm;右側鎖扣動剛度與左側基本相當，分別為7.91kN/mm，1.13kN/mm，2.68kN/mm;與X，Z動剛度比，Y向動剛度值相對較低，研發早期應特別關注Y向剛度。這種設計方案雖剛度較好，但重量較大，形狀復雜，模具成本高，安裝操作性差，經濟性不佳。

為達到輕量化降本的目的，對鎖扣安裝區域結構進行簡化設計，提出兩種輕量化思路，輕量化設計后的結構示意見圖2（b）（c）。方案一：將C柱外加強板取消，鎖扣加強板分4個支腿，一側支撐于輪包，另3個支腿與C柱焊接，單獨設計L型支架連接鎖扣加強板與C柱;設計完成的安裝結構見圖2（b），重量1.20kg，可減重0.76kg。方案二：在方案一基礎上進一步簡化結構，為減少結構件數量，節省開模成本，將L型支架與鎖扣加強板合并，結構如圖2（c）所示，重量1.15kg，重量減輕0.81kg。分析輕量化設計后結構的動剛度曲線（圖2）可清晰看到：減重后鎖扣X/Y/Z向動剛度均出現不同程度降低。比較方案一，方案二的動剛度最低值（表1）可知：L型加強件與鎖扣加強板合并設計后，各方向剛度值均有所降低，方案二在方案一基礎上取消L型支撐件，僅減重0.05kg，但Y向鎖扣最小動剛度由0.94kN/mm下降至0.78kN/mm，下降幅度達17%，可見L型加強板在增強鎖扣Y向剛度作用特別關鍵。

2.2 ODS仿真及結構優化

比較2.1中的輕量化方案一和方案二的動剛度結果容易發現，方案一X/Y/Z向動剛度均優于方案二，兩種輕量化結構的重量基本相當，因此優選出方案一作為優化對象，在方案一基礎上對結構進一步優化，將其結構動剛度提升至更高的水平。

用力關車門時一部分未被車門密封條和緩沖塊吸收的能量將引起結構產生非線性振動，鎖扣剛度不足未吸收的能量不能在關閉瞬間全部耗散，剩余的高頻能量脈沖會激勵車門結構振蕩，若車門剛體運動振蕩速率與車門柔性模態同步，會放大關門聲尖銳度和響度，導致關門聲品質降級;工程實踐中一般將后門鎖扣動剛度控制在1.0kN/mm以上。表1中統計結果顯示，在頻率為175Hz時，方案一Y向動剛度最小值僅0.94kN/mm，剛度水平較低，為獲得更優秀的的關門聲品質表現，需提高此工作頻率下的Y向動剛度值。ODS法仿真得到該頻率下的振型，可快速找準優化方向，更高效地提出解決方案;頻率175Hz時鎖扣安裝區域結構的振型動畫和應變能分布如圖4所示，由圖清晰看到，該頻率下結構振型呈Y向彎曲，這與Y向剛度水平較低相對應;應變能分布情況顯示應變能水平較高的位置集中在L型加強支架折彎處（圖中紅色區域），采取優化措施調整應變能集中區域分布情況，降低該區域應變能水平可有效提高Y向動剛度。

按照初始設計結構，“L”型加強件沿鎖扣安裝面方向長度125mm，為增加Y向振動時加強件的Y向支撐作用，對加強件進行結構優化設計：一方面增加支撐面積，把加強件沿著安裝面方向向兩端分別延伸25mm，延伸后L型加強件長度達175mm;另一方面在折彎處增加豎向加強筋，進一步增加抗Y向彎折變形能力。優化后的設計方案如圖5所示。

對優化后的鎖扣安裝結構重新進行動剛度分析驗證，仿真得到的100～400Hz頻率范圍內左右側后門鎖扣X/Y/Z向動剛度曲線見圖6。根據動剛度響應曲線可得到剛度最小值及其所處的頻率，統計結果見表2。統計結果顯示，左后門鎖扣X，Y，Z向動剛度分別由優化前的6.36，0.94，2.39kN/mm提高至6.69，1.22，2.42kN/mm。右側鎖扣X/Y/Z向動剛度由優化前的6.75/1.07/1.32kN/mm提升至7.06/1.33/1.42kN/ mm;其中Y向動剛度提升幅度最大，左側動剛度提升比例高達29.9%，右側動剛度提升百分比為24.3%。由此可見，根據ODS法仿真結果提出的解決方案能有效提高Y向動剛度性能。

優化后的鎖扣安裝結構由2個件（L型加強件和鎖扣加強板）組成，結構重量1.31kg，與初始設計的鎖扣安裝結構（如圖2（a）所示）相比，重量減輕0.65kg，減重百分比高達33.2%，結構件數量減少1個，其左右側Y向最低動剛度1.22/?1.33kN/mm略高于輕量化前方案的1.21/1.13kN/mm?？梢妰灮O計的鎖扣安裝結構在保持良好的剛度性能的同時兼具輕量化效應，有利于節能減排;減少結構件數量能節省開模成本，經濟性效果更佳。

3 結束語

本文基于ODS法仿真技術，對某SUV車型后門鎖扣動剛度進行優化，優化設計后的鎖扣安裝結構在提升動剛度性能的同時達到了輕量化降本的目的。本文研究思路和成果可為今后車型開發過程中鎖扣安裝區域結構設計提供借鑒依據。本文主要結論有：

（1）與X向，Z向動剛度比，后門鎖扣Y向動剛度值水平最低，研發實踐中特別注意Y向動剛度并適當控制;鎖扣安裝結構件中L型加強板在增強Y向剛度起到極為關鍵的作用。

（2）與初始方案比，優化設計后的鎖扣安裝結構方案能實現減重0.65kg，減重比例33.2%，輕量化、降本效果顯著，具有良好的經濟性。

（3）優化方案后門鎖扣Y向最小動剛度值達到了1.22kN/mm，提升幅度高達29.9%，與初始方案動剛度基本相當，動剛度性能提升有利于關門聲品質提高。

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