基于料厚靈敏度的轎車車身剛度優(yōu)化

2017-02-16  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

摘要:轎車車身一般是承載式車身,是汽車的主要受力總成,車身剛度是考察車身性能的非常重要的指標(biāo)。本文在汽車開發(fā)設(shè)計(jì)階段通過優(yōu)化軟件OptiStruct進(jìn)行車身剛度分析,并對(duì)車身鈑金進(jìn)行料厚靈敏度分析,找到車身的薄弱環(huán)節(jié),最后通過對(duì)車身剛度進(jìn)行優(yōu)化,使其滿足目標(biāo)值要求。

1 前言

轎車一般都采用承載式車身結(jié)構(gòu),是汽車的主要受力總成,白車身剛度是考察車身性能的非常重要的指標(biāo),直接影響整車NVH性能和可靠性性能。因此在轎車開發(fā)階段把控好轎車車身剛度,對(duì)于提高轎車設(shè)計(jì)效率和降低開發(fā)成本,實(shí)現(xiàn)汽車輕量化設(shè)計(jì),提高整車性能等都是十分重要的。目前CAE技術(shù)廣泛應(yīng)用于汽車行業(yè),是轎車前期開發(fā)把控剛度性能的最重要的手段。汽車車身是一個(gè)有幾百個(gè)到上千個(gè)零部件組成復(fù)雜結(jié)構(gòu),在設(shè)計(jì)階段需要反復(fù)修改和優(yōu)化,采用靈敏度分析可以找到車身結(jié)構(gòu)的薄弱環(huán)節(jié),有針對(duì)性的進(jìn)行車身結(jié)構(gòu)修改,從而避免車身設(shè)計(jì)修改的盲目性,同時(shí)它也是車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化的基礎(chǔ)。

某轎車白車身為研究對(duì)象,使用HyperMesh軟件建立白車身有限元模型,用OptiStruct軟件對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行剛度分析,并通過車身剛度料厚靈敏度分析,找到車身的薄弱環(huán)節(jié),通過對(duì)車身薄弱環(huán)節(jié)的優(yōu)化,提高了車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度,通過優(yōu)化,車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo),很好的完成了白車身剛度管控。提高了整車的性能。

2 白車身有限元模型

HyperMesh軟件對(duì)導(dǎo)入其中的白車身幾何模型進(jìn)行分組,抽中面,幾何清理(修補(bǔ)缺失面、壓縮邊、去倒角倒圓、建立washer孔等),選擇合適的單元類型和材料類型,對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行網(wǎng)格劃分,其中車身鈑金結(jié)構(gòu)、風(fēng)擋玻璃等部件采用四邊形單元為主,三角形單元為輔的shell單元模擬,焊點(diǎn)采用ACM單元類型進(jìn)行模擬,焊縫采用剛性單元模擬,粘膠用實(shí)體單元模擬,共541851個(gè)單元,按照網(wǎng)格質(zhì)量要求進(jìn)行質(zhì)量檢查,對(duì)不滿足質(zhì)量要求的單元進(jìn)行修改,使其滿足網(wǎng)格質(zhì)量管控要求,并檢查單元自由邊和單元法向,材料采用統(tǒng)一各項(xiàng)同性本構(gòu)材料。最后按照BOM表,賦予車身結(jié)構(gòu)正確的材料屬性及正確無誤的厚度信息。白車身有限元分析模型見圖1。

圖1轎車車身有限元模型

3 車身剛度料厚靈敏度分析

3.1 車身結(jié)構(gòu)料厚剛度靈敏度理論的理論簡介

目前,車身結(jié)構(gòu)彎扭剛度靈敏度廣泛的應(yīng)用于概念轎車車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度分析、設(shè)計(jì)階段車身剛度優(yōu)化以及車身的減重分析過程中,靈敏度主要指剛度及模態(tài)對(duì)零部件料厚的靈敏度,包括車身剛度對(duì)料厚和材料的靈敏度,模態(tài)頻率對(duì)料厚的靈敏度,以及車身重量對(duì)料厚的靈敏度。其中車身結(jié)構(gòu)的剛度可以表示為:

從式子(3)可以看出,厚度靈敏度與初始厚度相關(guān)。OptiStruct使用Dresp2卡片可以直接通過位移定義彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度,從而直接求解車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度。

3.2 車身剛度靈敏度分析的三要素

設(shè)計(jì)目標(biāo):以白車身的整體質(zhì)量最小為優(yōu)化目標(biāo),需要定義總質(zhì)量響應(yīng)Dresp1卡片,標(biāo)識(shí)為mass,即把重量響應(yīng)定義為靈敏度分析的目標(biāo)。設(shè)計(jì)變量:以車身零件的厚度為設(shè)計(jì)變量,需要用desvar定義尺寸變量的初始值,上限值和下限值,并使用dvprel卡片與shell單元厚度關(guān)聯(lián)起來。其中初始值通常設(shè)置為shell單元的厚度值。因?yàn)殪`敏度和shell單元厚度的初始值相關(guān),因此需要正確定義。厚度t與變量var的關(guān)系為

。通常設(shè)置C0=0,C1=1,其余Ci為0。對(duì)于車身的對(duì)稱部件,建議采用同一個(gè)變量。這樣可以確保車身對(duì)稱件厚度相同。并且減少設(shè)計(jì)變量,從而減少計(jì)算時(shí)間,提高計(jì)算的效率。

約束條件:彎曲剛度≥設(shè)計(jì)目標(biāo)值,扭轉(zhuǎn)剛度≥設(shè)計(jì)目標(biāo)值,對(duì)于靈敏度分析,目標(biāo)值的大小沒有意義,做優(yōu)化時(shí),設(shè)計(jì)目標(biāo)值才是有意義的,約束的定義需要使用dconstr卡片,并與定義剛度的dresp2關(guān)聯(lián)。

3.3 車身剛度的靈敏度分析

通過式(2)計(jì)算節(jié)點(diǎn)位移相對(duì)于零件的料厚參數(shù)變化的靈敏度,再通過節(jié)點(diǎn)位移和車身剛度之間的聯(lián)系,進(jìn)而得到車身彎曲扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度。彎曲和扭轉(zhuǎn)靈敏度計(jì)算分析結(jié)果如圖2、3所示。圖2中分別用顏色和柱狀圖表示車身部件的彎曲剛度靈敏度,根據(jù)圖2可以清楚看出,彎曲剛度靈敏度大的部件為門檻梁、門檻梁加強(qiáng)板,后縱梁、B柱、后縱梁加強(qiáng)板等,即改變這些部件的厚度,會(huì)導(dǎo)致車身結(jié)構(gòu)彎曲剛度的顯著改變。根據(jù)圖3可以清楚看出,扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度大的部件為背門框、后縱梁、B柱、后縱梁加強(qiáng)板、備胎、后地板加強(qiáng)板等,即改變這些部件的厚度,會(huì)顯著改變車身結(jié)構(gòu)彎曲剛度。

4 車身剛度優(yōu)化

根據(jù)車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度的單位質(zhì)量的靈敏度結(jié)果,很容易找到車身結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)弱點(diǎn),并且通過單位質(zhì)量的靈敏度,可以有效的提高材料利用率。

車身彎曲、扭轉(zhuǎn)剛度優(yōu)化的過程大致如下:首先找到車身結(jié)構(gòu)的弱點(diǎn),車身彎扭剛度靈敏度大的部件,查看此部件結(jié)構(gòu)的應(yīng)變能比較集中的位置。其次對(duì)這些位置進(jìn)行局部加強(qiáng),結(jié)構(gòu)局部加強(qiáng)可以從增大局部的空腔面積、增加焊點(diǎn)、焊縫、結(jié)構(gòu)膠;增加結(jié)構(gòu)搭接,外部增加加強(qiáng)件,空腔內(nèi)部加強(qiáng)件,優(yōu)化結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)筋布置;增加零部件的料厚等。下面是列舉一些優(yōu)化方案。

方案1:門檻梁下移10mm,彎曲剛度提高8%,,扭轉(zhuǎn)剛度提高3%,如圖4所示。

方案2:將后地板橫梁變形,橫梁中部向尾部拉,使其形狀由“一”變成拱型,扭轉(zhuǎn)剛度提高5%,彎 曲剛度提高2%;如圖5所示。

方案3:背門框加厚,扭轉(zhuǎn)剛度提高10%,彎曲剛度提高1%,如圖6所示。

方案4:輪轂包延長,并建立搭接關(guān)系,扭轉(zhuǎn)剛度提高5%,彎曲剛度提高1%,如圖7所示。

圖5后地板橫梁形狀改變

通過優(yōu)化方案的疊加,并且和設(shè)計(jì)部分進(jìn)行對(duì)接方案,根據(jù)設(shè)計(jì)和工藝部門的建議以及優(yōu)化方案本身的工藝成本可行性和方案的有效性,最終確定可實(shí)施的優(yōu)化方案,使得車身彎扭剛度滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

5 結(jié)論

本文基于白車身料厚靈敏度分析理論,應(yīng)用Altair公司的HyperWorks的優(yōu)化軟件OptiStruct對(duì)車身的料厚進(jìn)行了靈敏度分析,找到了車身結(jié)構(gòu)的薄弱點(diǎn),并進(jìn)行了結(jié)構(gòu)優(yōu)化,使得車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度得到車身剛度設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。

(1)本文通過車身零部件的料厚靈敏度分析,找到了車身彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度高的部件,對(duì)這些部件進(jìn)行加厚可以有效的提高車身剛度。

(2)本文使用多種方法來提高車身的彎曲和扭轉(zhuǎn)剛度,有效的提高車身材料的利用率。

(3)對(duì)稱件使用同一個(gè)變量,提高了優(yōu)化效率,并且保證對(duì)稱件的厚度相同。

(4)本文所采用的車身彎扭剛度優(yōu)化方法和優(yōu)化思路在車身剛度優(yōu)化實(shí)踐中進(jìn)行了成功的應(yīng)用,充分證明其方法具有實(shí)用價(jià)值和工程價(jià)值。

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