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基于拓扑优化的某微型车车门轻量化研究
吴飞 曾霁 石少亮
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摘要:汽车轻量化技术已经成为汽车技术发展中一个非常重要的研究课题。在实现汽车轻量化的众多方法中优化汽车的结构是当今研究的重点,也是应用最普遍、效果最明显的方法。本文即从结构优化的角度实现了车门的轻量化。本文在已知车门初始性能的基础上借助OptiStruct对车门进行了拓扑优化和厚度优化,从而实现了车门的轻量化。最后将车门的新方案和原方案的仿真性能进行对比,结果显示在车门质量减少了7.57%的同时,车门各性能都有一定程度的提高。从而证明了此轻量化方案的可行性。
1. 引言
近年来,资源问题、环境问题日益突出,而汽车作为与这些问题息息相关的因素之一,节能微排就成了汽车工业义不容辞的责任。因此,汽车轻量化已经成为汽车技术发展中一个非常活跃的研究课题。目前实现汽车轻量化的主要途径有优化汽车结构、采用新工艺和使用轻质材料。其中优化汽车的结构是技术最成熟、应用最广泛、效果最明显的途径。本文在已知车门仿真性能的基础上对车门结构完成了拓扑优化,并对车门各零件进行厚度优化,从而得到了最终的轻量化方案。最后仿真对比分析了原车门和新车门的刚度性能和模态性能,结果证明了此轻量化方案的可行性。
2、车门的轻量化
2.1 刚度及模态目标的初步确定
表1列出了车门的七个初始刚度的性能均符合某公司的标准,但各刚度极度不平衡,可能会导致局部变形过大的问题。刚度目标的确定,就是要协调各刚度值,在保证车门性能基本不变的情况下,适当减弱刚度较好的刚度值,提高较差的刚度值,使得车门整体结构均匀、平衡。
相比其他车型的车门,下垂刚度处于中等水平,因此目标与初始状态保持一致。而上扭刚度明显较好,离标准有充裕的盈余,因此可以适当减弱;而下扭刚度则相对较差,需要提高。窗框中部刚度刚好满足要求,有待提高,而角部工况可以适当减弱;外板带线刚度也处于中等水平,目标与初始状态保持一致,而内板带线刚度则太好,有较大的减弱空间。
车门模态中最重要的是整体弯曲和整体扭转模态,这两阶模态代表了车门整体抗弯抗扭的能力。本文也只取这两阶模态作为约束。但考虑到减重可能会降低模态的频率值,因此目标定在初始值水平。表1列出了各刚度值和模态值的初步目标值。

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2.2 建立拓扑优化模型
在不改变车门原结构的基础上进行拓扑优化设计。原则是在保证刚度、模态基本不变的前提下,计算得出对车门性能贡献较小的零件。
一般情况下,车门的铰链是固定的,不考虑优化;车门外板厚度因需满足抗凹等要求,也不考虑优化;外板防撞板因侧碰要求也不考虑优化;车门功能件如玻璃导槽、升降器安装板及其连接件等也不参与优化。因此设定拓扑优化空间为图1和表2所示各零件。设定优化单元类型为壳单元。

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系统响应的设定。本模型的响应有10个,其中刚度7个工况对应7个静态位移的响应,2个模态对应的频率响应,最后为车门总质量响应。
优化约束的设定。本模型共设置了9个约束,其中7个刚度工况约束,2个模态频率约束。需注意的是:为保证比较明显的优化效果,约束值的设定应大于分析得出的最大位移量,各约束的值如表3所示。

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优化目标的设定。拓扑优化的目的是对车门进行轻量化设计,因此本模型的优化目标设定为车门总质量最小。
在HyperMesh里完成拓扑优化模型的前处理后,将模型递交Optistruct求解器进行优化计算。
2.3 拓扑优化结果
用HyperView察看拓扑优化的密度分布图。下列均隐藏了不参与优化的零件。
从图2可以看出,内板上密度分布相对较均匀,且密度分布基本在0.5以上,密度在0.2以下的区域不多,减重空间不大。

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从图3则可以看出,区域1和区域2的密度较低,两个区域的密度分布大多在0.25以下,是可以挖孔或者减薄的地方。其中内板中部内加强板整块板上的密度分布都较少,仅有少量区域密度分布较多(如图4所示),因此,此零件是轻量化重点零件,可以尝试取消此零件,或者进行大范围挖孔。

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铰链加强板的密度分布如图5所示,下铰链安装板密度分布如图6所示,根据云图,可以适当减小这两个零件的尺寸或者厚度。

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从拓扑优化结果来看,具有大的减重空间的零件为门把手加强板、外板加强板、内板中部内加强板、铰链加强板和下铰链安装板。实际上,门把手加强板是加强门把手处的局部刚度,不可取消,只可进行厚度优化。铰链加强办、外板加强板、下铰链安装板也不具备取消的条件,只可厚度优化。内板中部内加强板具备取消的条件,并且此零件无其他特殊功能,因此是整体取消的潜在零件。
2.4 轻量化的具体方案
从拓扑优化的结果来看,内板中部内加强板是重点减重零件。轻量化方案即是将内板中部内加强板取消,适当修改内板中部外加强板的结构,然后对剩余其它车门零件进行厚度优化,使得车门性能满足已定的目标值。
第一步即取消零件内板中部内加强板。此零件初始厚度为1.75mm,质量为2.142kg。
第二步修改内板中部外加强板结构,车门初始状态内板带线处结构外视图如图7所示,截面图如图8所示。从图中可以看出,内板中部内加强板上沿与内板上沿平齐,使得内板带线刚度加载位置处有两块板支撑。取消内板中部内加强板后,带线处加载位置就只有内板起支撑作用,如此必将导致变形迅速增大。为避免这种情况发生,必须将内板中部外加强板上沿升高,使得其上沿也与内板上沿平齐,如此加载位置处仍有两块零件支撑。

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修改结构之后内板带线处结构外视图(即从车门外板向车门内板方向看)如图9所示,内板带线处只剩两块钣金,即内板和内板中部外加强板图。截面图如图10所示。

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2.5 修改结构后的厚度优化
经过拓扑优化取消内板中部内加强板后,车门性能可能发生了变化,因此需要对车门系统剩下的零件进行厚度优化,保证车门性能不降低。厚度优化也采用Optistruct软件。
(1)设计变量
厚度优化的设计变量少了零件内板中部内加强板,表4中列出了参与厚度优化的零件名称和初始厚度。
厚度优化总共选取了12个零件作为设计变量,每个设计变量的初始值为各板件的初始厚度,各板件厚度下限均设为0.5mm,上限均设为3.5mm。

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(2)约束条件
为了保证车门性能达到已定的目标值,厚度优化的约束条件不能超过目标值。本次厚度优化中,7个刚度工况的约束条件设为位移不大于目标值,两个频率的约束条件设为不小于目标值,如表5所示。

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(3)目标函数
本次厚度优化的最终目的是对车门进行轻量化设计,因此目标函数设定为使车门质量最小。
(4)优化结果
经过Optistruct优化计算后可以得到参与厚度优化的零件的最优厚度。实际上零件厚度一般只能精确到小数点后两位,因此必须对软件厚度优化的输出结构进行工程修正,最终结果如表6。

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车门初始状态质量为24.17kg,优化后的最终结果车门质量为22.34kg。减重1.83 kg,或减重7.57%。
3. 轻量化方案的对比验证
3.1 刚度验证
将修正后的厚度赋予对应的零件,重新计算修正过后的模型的刚度。结果如表7:

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从表7中可以看出,除内板带线刚度降低外其余刚度均比初始状态有所提高。内板带线刚度性能虽有较大降低,但由于车门初始的内板带线刚度性能很高,有非常大的富余,且该方案的内板带线刚度未超过目标值,仍具有减重空间。优化后相对车门初始状态减重1.83kg,减重比达到7.57%,综合整体性能来看,减重效果比较明显。
3.2模态验证
将修正后的厚度赋予对应的零件,重新计算修正过后的模型的模态。结果如表8所示:

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从表8可以看出,整体弯曲模态频率比初始状态有所提高,整体扭转模态频率比初始状态稍有下降。
4.结论:
本文在已知某车门仿真性能的基础上(包括刚度性能和模态性能)借助OptiStruct对车门进行了拓扑优化,对拓扑优化的结果进行进一步的分析得到了轻量化的初始方案:取消内板中部内加强板,修改内板中部外加强板结构,很多零件的厚度可以减薄。然后对剩余零件用依然Optistruct进行厚度优化,从而得到了轻量化的最终方案。
为了评价轻量化方案是否可行,本文最后用有限元方法模拟分析了车门轻量化后的方案,并与初始性能进行对比,对比结果显示在质量减少了7.57%的情况下,刚度和模态性能均有不同程度的提高。从而可以得出结论:此轻量化方案可行。
5.参考文献
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