基于 OptiStruct 的車門焊點(diǎn)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2017-02-27  by:CAE仿真在線  來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

1 前言

現(xiàn)代轎車承載式車身及四門兩蓋結(jié)構(gòu)大多由薄板沖壓件通過(guò)焊點(diǎn)焊接而成,整車焊點(diǎn)約 4000~
5000 個(gè)?，F(xiàn)階段焊點(diǎn)主要依據(jù)通用的焊接規(guī)范和工程經(jīng)驗(yàn),參考已有成熟車型進(jìn)行布置。如果結(jié)構(gòu) 性能滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求,則很少對(duì)焊點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化研究[1]。今年來(lái),隨著有限元分析技術(shù)、拓?fù)鋬?yōu)化方 法在汽車設(shè)計(jì)過(guò)程中的廣泛應(yīng)用,為焊點(diǎn)布置提供了新的方法。通過(guò)焊點(diǎn)結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),可以 找到并減少冗余焊點(diǎn),選擇合理的焊點(diǎn)布置優(yōu)選方案,降低焊接時(shí)間和裝配成本[2]。

轎車車門是由具有復(fù)雜空間曲面形狀的內(nèi)板、外板以及起局部加強(qiáng)作用的加強(qiáng)板通過(guò)沖壓和點(diǎn)焊 組合而成的空間薄壁板殼結(jié)構(gòu)。車門作為汽車十分重要而又相對(duì)獨(dú)立的部件,具有隔絕車外噪聲,緩 沖來(lái)自外部的沖擊等舒適性和安全性功能,其剛度、強(qiáng)度性能直接影響整車的品質(zhì)[3]。

本文以某轎車車門的焊點(diǎn)單元為設(shè)計(jì)變量,模態(tài)、整體剛度和局部剛度等為約束條件,焊點(diǎn)體積 最小為目標(biāo)函數(shù)建立優(yōu)化模型,應(yīng)用 HyperWorks/OptiStruct 模塊對(duì)車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化,得到不 同密度區(qū)間的焊點(diǎn)分布情況,根據(jù)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)調(diào)整車門焊點(diǎn)布置,并對(duì)優(yōu)化前后車門的模 態(tài)、剛度、強(qiáng)度性能進(jìn)行了對(duì)比分析。

2 拓?fù)鋬?yōu)化理論簡(jiǎn)介

拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)是結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)中有前景、創(chuàng)新性的技術(shù),是指在給定的設(shè)計(jì)空間內(nèi)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(shè)計(jì)。拓?fù)鋬?yōu)化中常用的拓?fù)浔磉_(dá)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?fù)浜瘮?shù)描述方法。OptiStruct 拓?fù)鋬?yōu)化的材料模型采用密度法(SIMP方法),即將有限元模型設(shè)計(jì)空間的每個(gè)單元的“單元密度(Density)”作為設(shè)計(jì)變量。該“單元密度”同結(jié)構(gòu)的材料參數(shù)有關(guān)(單元密度與材料彈性模型 E 之間具有某種函數(shù)關(guān)系),0~1 之間連續(xù)取值,優(yōu)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(dá)到材料的高效利用,實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)[4]。拓?fù)鋬?yōu)化的數(shù)學(xué)模型可以用下式表示:

3 車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立
3.1 車門有限元模型建立

根據(jù)企業(yè)內(nèi)部的乘用車車門建模標(biāo)準(zhǔn),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(shí)體單元建模,內(nèi)板和外板之間的包邊結(jié)構(gòu)通過(guò)共節(jié)點(diǎn)模擬、粘膠采用六面體單元模擬,內(nèi) 板和各加強(qiáng)板之間的焊點(diǎn)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(diǎn)優(yōu)化約束條件確定

完整的車門結(jié)構(gòu)性能分析包括模態(tài)分析、整體剛度分析、局部剛度分析、強(qiáng)度分析等 20 多項(xiàng)分 析內(nèi)容,若將所有的分析項(xiàng)目都作為焊點(diǎn)優(yōu)化的約束條件,計(jì)算成本高且不易實(shí)現(xiàn)。最終結(jié)合工程經(jīng) 驗(yàn)確定了車門的自由模態(tài)(前三階模態(tài)頻率)、整體剛度(3 項(xiàng))和局部剛度(1 項(xiàng))作為焊點(diǎn)優(yōu)化的 約束條件。在車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立之前,需要對(duì)上述分析項(xiàng)目進(jìn)行預(yù)分析,以確定約束條件的具體 目標(biāo)值。約束條件的設(shè)置如表 2 所示。

表 2 車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型約束條件

3.3 車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型建立

優(yōu)化設(shè)計(jì)有三要素,即設(shè)計(jì)變量、目標(biāo)函數(shù)和約束條件。設(shè)計(jì)變量是在優(yōu)化過(guò)程中發(fā)生改變而提 高性能的一組參數(shù);目標(biāo)函數(shù)是指要求的最佳設(shè)計(jì)性能,是關(guān)于設(shè)計(jì)變量的函數(shù);約束條件是對(duì)優(yōu)化 設(shè)計(jì)的限制,是對(duì)設(shè)計(jì)變量和其它性能的要求。確定了優(yōu)化模型的約束條件后,根據(jù)本文的優(yōu)化目的, 將 CWELD 焊點(diǎn)單元的密度作為設(shè)計(jì)變量,焊點(diǎn)單元的體積最小作為目標(biāo)函數(shù)。設(shè)置完拓?fù)鋬?yōu)化相關(guān) 的控制參數(shù)后,車門焊點(diǎn)優(yōu)化模型可以進(jìn)行求解計(jì)算。如果在求解過(guò)程中出現(xiàn)不收斂的情況,則需要 對(duì)約束條件進(jìn)行調(diào)整。

4 車門焊點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果
4.1 車門焊點(diǎn)優(yōu)化迭代過(guò)程

OptiStruct 經(jīng)過(guò) 29 次迭代后最終得到焊點(diǎn)空間的優(yōu)化結(jié)果。相應(yīng)的約束條件的變化歷程以及目標(biāo)函數(shù)隨迭代次數(shù)的變化關(guān)系如圖 3 所示(圖中僅示例列出一階模態(tài)頻率約束條件隨迭代步數(shù)的變化歷 程)。由圖可知,整個(gè)迭代過(guò)程是向優(yōu)化目標(biāo)函數(shù)收斂的。焊點(diǎn)單元的體積隨著迭代步數(shù)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(biāo)值收斂。

4.2 車門焊點(diǎn)優(yōu)化結(jié)果

車門結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化后焊點(diǎn)分布如表 3 所示,其中密度區(qū)間為 0~0.1 中的 16 個(gè)焊點(diǎn)為可優(yōu)化的焊 點(diǎn)。由于在建立優(yōu)化模型時(shí)未將所有的結(jié)構(gòu)性能分析項(xiàng)目作為約束條件,且約束條件的目標(biāo)值較原方 案有所放寬,因此需要對(duì)優(yōu)化結(jié)果結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)一步取舍。需注意的是,真實(shí)的一個(gè)三層焊點(diǎn)在模 型中表現(xiàn)為兩個(gè) CWELD 單元,故三層焊點(diǎn)的去留需綜合考察兩個(gè)設(shè)計(jì)單元的優(yōu)化結(jié)果。

表 3 焊點(diǎn)密度分布表

優(yōu)化結(jié)果中密度區(qū)間為 0~0.1 中的 16 個(gè)焊點(diǎn)在車門結(jié)構(gòu)中的分布如圖 4 所示,將 16 個(gè)焊點(diǎn)劃分為四個(gè)區(qū)域,每個(gè)區(qū)域中的焊點(diǎn)都需要經(jīng)過(guò)進(jìn)一步判斷進(jìn)行取舍。區(qū)域一中的 1 個(gè)焊點(diǎn)與周圍焊點(diǎn) 間距較近,判斷為冗余焊點(diǎn),可直接刪除。區(qū)域二中的 4 個(gè)焊點(diǎn)由于連接車門防撞桿與車門內(nèi)板,且 靠近車門鉸鏈附近,對(duì)車門強(qiáng)度和開(kāi)閉耐久性能影響較大,需要全部保留。區(qū)域三中的 5 個(gè)焊點(diǎn)通過(guò) 稀疏排布減少 2 個(gè)焊點(diǎn)。區(qū)域四中的 6 個(gè)焊點(diǎn)通過(guò)更改焊點(diǎn)位置將兩個(gè)焊點(diǎn)合并為一個(gè)焊點(diǎn),可刪除3 個(gè)焊點(diǎn)。通過(guò)對(duì)上述四個(gè)區(qū)域中的焊點(diǎn)判斷取舍,共計(jì)可刪除 6 個(gè)焊點(diǎn),約占焊點(diǎn)總數(shù)的 5%,需 要對(duì)焊點(diǎn)優(yōu)化后的車門結(jié)構(gòu)性能進(jìn)行全面校核。

4.3 焊點(diǎn)優(yōu)化前后車門性能分析驗(yàn)證

對(duì)優(yōu)化前后車門的模態(tài)、剛度、強(qiáng)度等性能進(jìn)行對(duì)比分析,主要分析結(jié)果對(duì)比如表 4 所示。由表 中結(jié)果可知,焊點(diǎn)優(yōu)化后,結(jié)構(gòu)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(jié) 構(gòu)性能基本保持不變,焊點(diǎn)優(yōu)化方案可行。

表 4 車門焊點(diǎn)優(yōu)化前后結(jié)構(gòu)性能對(duì)比

5 結(jié)束

(1)本文應(yīng)用 HyperWorks/OptiStruct 對(duì)車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),在車門結(jié)構(gòu)性能基本保持 不變的情況下,發(fā)現(xiàn)冗余設(shè)計(jì)的焊點(diǎn),單個(gè)車門減少了 6 個(gè)焊點(diǎn),降低了生產(chǎn)制造成本。

(2)軟件優(yōu)化結(jié)果要結(jié)合焊接工藝、工程經(jīng)驗(yàn)等因素進(jìn)行判斷取舍,方可獲得切實(shí)可行的焊點(diǎn) 優(yōu)化方案。

(3)本文僅針對(duì)已經(jīng)布置完成的車門焊點(diǎn)進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),減少了焊點(diǎn)數(shù)量。若在設(shè)計(jì)初期 將焊點(diǎn)的數(shù)量,空間位置等參數(shù)化,通過(guò)優(yōu)化工具實(shí)現(xiàn)焊點(diǎn)的合理分布,則可取得更為理想的效果。

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