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摘 要：本文建立了以白车身结构性能为约束条件，焊点数量最少为目标的优化模型，应用 HyperWorks/OptiStruct模块对某白车身焊点进行拓扑优化，得到焊点贡献量分布情况，并依此调整焊点布置。经验证表明，应用OptiStruct工具进行白车身焊点优化是可行有效的。
关键词：白车身，焊点，OptiStruct，拓扑优化
承载式白车身结构性能是决定乘用车整车性能的重要参数，其主要的考察指标是白车身刚度及模态。白车身的结构性能不仅影响着振动噪声、整车耐撞及疲劳耐久等性能，同时对车辆操控性等驾驶体验也有重要的影响[1]。通常，白车身是通过焊点连接许多薄壁结构的钣金件组成。较多的焊点对结构刚度及强度有益，但增加了焊接能耗、时间等生产成本。故在保持整车性能的基础上，优化焊点位置、减少焊点数量对降低企业成本及提高生产效率有较大的意义。本文主要研究白车身焊点对其结构性能的影响，得到各个焊点的灵敏度，通过调整焊点分布，以达到满足白车身结构性能的基础上减少焊点数量的目的。
1 优化模型的建立
白车身主要分为前舱、中地板、后地板、侧围及顶盖等，其均为薄板冲压件，使用HyperMesh将板件进行网格划分为四边形及少量三角形壳单元，各板件之间采用Area Contact Method（ACM）焊点进行连接。两层焊接的ACM焊点由一个六面体单元和八个RBE3单元组成，如图1所示。以某白车身为例，划分网格、建立焊接后模型如图2所示，其中，壳单元共有465000个，焊点共有3874个，以三层焊包含两个六面体单元计算，六面体单元共有4970个。 （图片） 2 优化过程
通常对大型优化模型，Optistruct的拓扑优化过程采用变密度法。该方法假设材料的弹性模量与材料的密度为确定的数学关系，且每个设计单元的密度为一个优化变量[2]。当优化结果表示设计单元的密度接近0，表示该单元弹性模量接近0，即该单元对考察的优化工况没有贡献，该单元应剔除；若密度越接近1，表示该单元的贡献量越大，该单元需要优先保留。
2.1 优化空间
为了找到设计冗余或对性能影响小的焊点，应最大化地包含设计空间中所有可更改的焊点。本文将所有焊点的六面体单元作为设计单元。需注意的是，由于真实的一个三层焊点焊点在模型中表现为两个六面体单元，故三层焊点的去留需综合考察两个设计单元的优化结果。
2.2 优化工况
承载式白车身是整车综合性能的重要载体，优化中需要充分考虑结构刚度、疲劳、模态性能及结构耐撞性等因素的要求[1]。然而结构耐撞性指标属于结构非线性大变形工况，目前较难在拓扑优化中考察；疲劳分为钣金疲劳及焊点疲劳，两者不仅与应力水平有关，还与周边结构以及材料相关，故难以用单个指标描述。因此，本文在优化过程中只考察模态及刚度等指标，其他性能可做验证评估。
2.3 优化目标
拓扑优化结果是得到设计单元的密度分布，ACM焊点包含六面体单元，可以通过判断该六面体单元的密度情况决定焊点的取舍。本文优化是减少焊点的数量，即焊点的总重量最少，因而定义所有焊点六面体单元的总质量最小为优化目标[3]。
2.4 优化约束
优化约束是在优化过程中必须满足的条件。为了保持白车身的性能，及满足子系统在白车身的连接要求，故需要约束白车身的整车模态，以及和整体结构有关的刚度。权衡计算速度，本文选取白车身第一阶弯曲模态及第一阶扭转模态、白车身弯曲及扭转刚度、底盘和仪表板骨架连接点刚度作为优化约束，要求各优化约束指标均不低于原设计性能。
3 优化结果处理
采用OptiStruct进行拓扑优化，经过若干步迭代后，得到焊点优化结果。取优化迭代最后一步的结果，查看其优化的响应，均满足设定的优化约束。设计单元密度分布百分比如表1所示。（图片） 设计单元的密度是该焊点保留或删除的标志。密度越高，则说明该焊点对所考察的工况越重要，反之，密度越低，则该焊点所起的作用越小。使用HyperView查看密度小于0.1的设计单元，其所代表焊点的空间分布如图3所示。可观察到主要分布在顶盖、侧围等上车体区域。（图片） 考虑优化效率，优化过程只关注了整体结构性能不受影响，故在选择可删除焊点时，需工程判断部件安装等要求的局部刚度及焊接工艺，剔除不可去除或影响较大的焊点。最终剩下约40个可去焊点。其中部分分布情况如图4，5所示。（图片） 如图4所示横梁，该处焊点对整车性能影响较小，但对外观质量作用重大，故此处采用稀疏排布以减少焊点。图5所示的焊点属于多余焊点，可删除。经查看各个区域的焊点区域，最终删除26个焊点，其中去除多余焊点7个，通过稀疏排布减少19个。
4 优化验证
表2列出了白车身刚度及模态在焊点减少后相比于原设计状态的性能变化情况。可观察到，在焊点减少后，其各项指标都保持了原有水平，满足设定的目标。减少焊点区域的局部刚度无明显变化。（图片） 5 结论
本文利用拓扑优化方法获得了每个焊点对整车结构性能的贡献量，从贡献量较小的焊点中进行选择性删除，并对白车身优化前后进行了白车身刚度、模态的验证对比。结果表明，应用OptiStruct拓扑优化功能进行焊点选择的方法是有效和可行的，能够在保持白车身刚度、模态等结构性能不降低的情况下，发现冗余设计的焊点，达到减少焊点数量，降低制造成本的目的。
参考文献
[1] 羊拯民,汽车车身设计, 北京：机械工业出版社，2008.10
[2] 朱灯林，陈俊伟，俞洁等，结构拓扑优化设计的研究现状及其应用[J]，机械制造与自动化,2005 (6):7-11
[3] 王登峰，张斌，陈静等，商用车驾驶室白车身焊点缩减拓扑优化研究[J]，汽车工程，2009 31(4):326-33
7/8/2013
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