OptiStruct在SUV背門結構優化中的應用

郭敬文

摘 要：背門是SUV車型的重要組成部件，其剛度直接影響著車輛的安全性、舒適性、密封性等。為提高某型SUV的背門剛度，使用OptiStruct對其進行了形貌優化，經驗證，背門的各項剛度性能均有效提升。

關鍵詞：OptiStruct; 背門;形貌優化

1 概述

車門是汽車車身設計中十分重要而又相對獨立的部件，主要用于緩沖來自外部的沖擊，隔絕車外噪聲等，以保證車輛的安全性、舒適性、密封性等。背門作為SUV車門系統中較大的開閉件，其剛度的大小對整車性能有較大影響。

由于背門剛度不足而導致的問題如下：

（1）背門在關閉狀態、按設計角度開啟最大狀態以及由于誤操作導致過開的情況下，如果彎曲剛度低會造成后背門變形較大，密封不嚴，影響車輛外觀品質和使用效果。

（2）由于背門尺寸及重量較大，因此需具備一定的下垂剛度，否則會導致背門出現下垂變形而無法正常關閉。

（3）由于背門安裝有門鎖等部件，如果安裝點的剛度較低，較易出現局部變形，從而會影響門鎖的安裝和使用，也會影響背門的整體剛度。

以上所述剛度，即關閉彎曲剛度、開啟彎曲剛度、下垂剛度、鎖安裝點剛度，與背門內板的結構息息相關，為使某型SUV背門剛度滿足要求，需對其背門內板進行結構優化。

2 形貌優化簡介

形貌優化是OptiStruct的主要結構優化功能，它廣泛應用于提高各種沖壓板件的性能，如減少變形、提高剛度、提高模態頻率等。在形貌設計中，設計空間由大量的節點波動向量組成，這些節點波動向量按照一定的模式進行組合以滿足設計約束，并最終生成優化后的最佳形貌。

在進行SUV背門內板的結構優化時，OptiStruct的形貌優化不刪除材料，而是在設計區域中根據節點的擾動生成強肋。形貌優化的變量不是單元密度，而是形狀參數，它的設計區域首先被劃分為大量獨立的變量，然后進行一系列的迭代優化，并計算這些變量對結構的影響，直至結果收斂。

3 背門優化實例

3.1 形貌優化流程

在HyperMesh中導入某型SUV的背門內板數模，按照圖1所示流程，進行有限元模型搭建、形貌優化參數設置、結果輸出和評價。

3.2 形貌優化設置

背門內板有限元模型如圖2所示，為找出影響背門剛度的關鍵因素和方法，對其進行形貌優化，各項主要參數設置有以下方面：

（1）約束：約束背門內板鉸鏈安裝點的所有自由度。

（2）加載：在背門內板鎖安裝點加載集中力。

（3）設計變量：除安裝面、密封面外的所有內板區域作為優化區域。

（4）響應：鎖安裝點的Z向位移作為響應輸出。

（5）目標函數：使鎖安裝點的Z向位移絕對值最小。

3.3 形貌優化結果對比

按照圖3形貌優化結果云圖所示區域，并考慮背門內板的結構布置、沖壓性能等因素，在如圖4所示背門內板下部，修改數模。通過在背門內板左下角和右下角起筋，如圖5所示，改善背門的性能。經再次分析驗證，背門的關閉彎曲剛度、開啟彎曲剛度、下垂剛度、鎖安裝點剛度，均得到了有效提升。

4 總結

OptiStruct的形貌優化功能可廣泛應用在汽車鋼板沖壓而成的結構件和覆蓋件上，如發動機罩內板、前后門內板、副車架上下板、各種支架等零件的結構優化。在進行形貌優化的參數設置時，需結合零件的性能要求、周邊件的布置要求、沖壓成形的技術要求等，以使形貌優化最大化地應用在實際的零件設計中，從而提高工程師的作業效率和零件的設計品質。

參考文獻：

[1]Altair HyperMesh Reference Guide.

[2]洪清泉，趙康，張攀，等.OptiStruct&HyperStudy理論基礎與工程應用[M].北京機械工業出版社，2012，106.