基于 OptiStruct 的車門焊點優化設計

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

1 前言

現代轎車承載式車身及四門兩蓋結構大多由薄板沖壓件通過焊點焊接而成,整車焊點約 4000~
5000 個。現階段焊點主要依據通用的焊接規范和工程經驗,參考已有成熟車型進行布置。如果結構 性能滿足設計目標要求,則很少對焊點進行優化研究[1]。今年來,隨著有限元分析技術、拓撲優化方 法在汽車設計過程中的廣泛應用,為焊點布置提供了新的方法。通過焊點結構的拓撲優化設計,可以 找到并減少冗余焊點,選擇合理的焊點布置優選方案,降低焊接時間和裝配成本[2]。

轎車車門是由具有復雜空間曲面形狀的內板、外板以及起局部加強作用的加強板通過沖壓和點焊 組合而成的空間薄壁板殼結構。車門作為汽車十分重要而又相對獨立的部件,具有隔絕車外噪聲,緩 沖來自外部的沖擊等舒適性和安全性功能,其剛度、強度性能直接影響整車的品質[3]。

本文以某轎車車門的焊點單元為設計變量,模態、整體剛度和局部剛度等為約束條件,焊點體積 最小為目標函數建立優化模型,應用 HyperWorks/OptiStruct 模塊對車門焊點進行拓撲優化,得到不 同密度區間的焊點分布情況,根據優化結果結合工程經驗調整車門焊點布置,并對優化前后車門的模 態、剛度、強度性能進行了對比分析。

2 拓撲優化理論簡介

拓撲優化技術是結構優化技術中有前景、創新性的技術,是指在給定的設計空間內找到最佳的材料分布,或者傳力路徑,從而在滿足各種性能的條件下得到重量最輕的設計。拓撲優化中常用的拓撲表達形式和材料插值模型方法有:均一化方法、密度法、變厚度法和拓撲函數描述方法。OptiStruct 拓撲優化的材料模型采用密度法(SIMP方法),即將有限元模型設計空間的每個單元的“單元密度(Density)”作為設計變量。該“單元密度”同結構的材料參數有關(單元密度與材料彈性模型 E 之間具有某種函數關系),0~1 之間連續取值,優化求解后單元密度為 1(或靠近 1)表示該單元位置處 的材料很重要,需要保留;單元密度為 0(或靠近 0)表示該單元處的材料不重要,可以去除,從而 達到材料的高效利用,實現輕量化設計[4]。拓撲優化的數學模型可以用下式表示:

3 車門焊點優化模型建立
3.1 車門有限元模型建立

根據企業內部的乘用車車門建模標準,建立車門有限元模型,其中鈑金件采用殼單元建模,車門 鉸鏈采用實體單元建模,內板和外板之間的包邊結構通過共節點模擬、粘膠采用六面體單元模擬,內 板和各加強板之間的焊點采用 CWLD 單元模擬。模型中用到的材料屬性如表 1 所示。

表 1 車門有限元模型中的材料屬性

3.2 車門焊點優化約束條件確定

完整的車門結構性能分析包括模態分析、整體剛度分析、局部剛度分析、強度分析等 20 多項分 析內容,若將所有的分析項目都作為焊點優化的約束條件,計算成本高且不易實現。最終結合工程經 驗確定了車門的自由模態(前三階模態頻率)、整體剛度(3 項)和局部剛度(1 項)作為焊點優化的 約束條件。在車門焊點優化模型建立之前,需要對上述分析項目進行預分析,以確定約束條件的具體 目標值。約束條件的設置如表 2 所示。

表 2 車門焊點優化模型約束條件

3.3 車門焊點優化模型建立

優化設計有三要素,即設計變量、目標函數和約束條件。設計變量是在優化過程中發生改變而提 高性能的一組參數;目標函數是指要求的最佳設計性能,是關于設計變量的函數;約束條件是對優化 設計的限制,是對設計變量和其它性能的要求。確定了優化模型的約束條件后,根據本文的優化目的, 將 CWELD 焊點單元的密度作為設計變量,焊點單元的體積最小作為目標函數。設置完拓撲優化相關 的控制參數后,車門焊點優化模型可以進行求解計算。如果在求解過程中出現不收斂的情況,則需要 對約束條件進行調整。

4 車門焊點優化結果
4.1 車門焊點優化迭代過程

OptiStruct 經過 29 次迭代后最終得到焊點空間的優化結果。相應的約束條件的變化歷程以及目標函數隨迭代次數的變化關系如圖 3 所示(圖中僅示例列出一階模態頻率約束條件隨迭代步數的變化歷 程)。由圖可知,整個迭代過程是向優化目標函數收斂的。焊點單元的體積隨著迭代步數的增加不斷 減少,約束條件也隨著迭代部署的增加逐漸向目標值收斂。

4.2 車門焊點優化結果

車門結構拓撲優化后焊點分布如表 3 所示,其中密度區間為 0~0.1 中的 16 個焊點為可優化的焊 點。由于在建立優化模型時未將所有的結構性能分析項目作為約束條件,且約束條件的目標值較原方 案有所放寬,因此需要對優化結果結合工程經驗進一步取舍。需注意的是,真實的一個三層焊點在模 型中表現為兩個 CWELD 單元,故三層焊點的去留需綜合考察兩個設計單元的優化結果。

表 3 焊點密度分布表

優化結果中密度區間為 0~0.1 中的 16 個焊點在車門結構中的分布如圖 4 所示,將 16 個焊點劃分為四個區域,每個區域中的焊點都需要經過進一步判斷進行取舍。區域一中的 1 個焊點與周圍焊點 間距較近,判斷為冗余焊點,可直接刪除。區域二中的 4 個焊點由于連接車門防撞桿與車門內板,且 靠近車門鉸鏈附近,對車門強度和開閉耐久性能影響較大,需要全部保留。區域三中的 5 個焊點通過 稀疏排布減少 2 個焊點。區域四中的 6 個焊點通過更改焊點位置將兩個焊點合并為一個焊點,可刪除3 個焊點。通過對上述四個區域中的焊點判斷取舍,共計可刪除 6 個焊點,約占焊點總數的 5%,需 要對焊點優化后的車門結構性能進行全面校核。

4.3 焊點優化前后車門性能分析驗證

對優化前后車門的模態、剛度、強度等性能進行對比分析,主要分析結果對比如表 4 所示。由表 中結果可知,焊點優化后,結構性能變化最大的是窗戶的橫向剛度,降低約 0.77% ,車門的主要結 構性能基本保持不變,焊點優化方案可行。

表 4 車門焊點優化前后結構性能對比

5 結束

(1)本文應用 HyperWorks/OptiStruct 對車門焊點進行拓撲優化設計,在車門結構性能基本保持 不變的情況下,發現冗余設計的焊點,單個車門減少了 6 個焊點,降低了生產制造成本。

(2)軟件優化結果要結合焊接工藝、工程經驗等因素進行判斷取舍,方可獲得切實可行的焊點 優化方案。

(3)本文僅針對已經布置完成的車門焊點進行拓撲優化設計,減少了焊點數量。若在設計初期 將焊點的數量,空間位置等參數化,通過優化工具實現焊點的合理分布,則可取得更為理想的效果。

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