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CAE软件——OptiStruct在转向系统关键性焊缝研究中的应用

2015/8/21        作者:赵志兰  张光宏      
关键字:CAE  OptiStruct  NVH  拓扑优化  
本文主要阐述利用OptiStruct焊缝拓扑优化功能对某车型的转向系统进行关键焊缝识别。通过该技术识,加强对关键焊缝的质量控制,保证焊接质量使得转向系统的模态达到设计目标。

1 概述

    目前汽车的NVH性能越来越受到汽车厂商的重视,而转向系的振动与噪声是驾驶员可以直接感知到的敏感因素,且近年来越来越受到消费者的关注,是影响整车NVH水平的重要部分。

    模态分析是确定设计结构或机械零部件的振动特性,得到结构固有频率和振型的过程。转向系统模态是否满足设计目标是决定转向系统振动舒适性的关键因素之一,通过目前已有车型的反馈数据发现,转向系统因焊接质量不合格和性能衰减的问题导致转向系统振动舒适性下降严重,本文通过Altair拓扑优化模块对转向系统进行焊缝优化,找出关键焊缝,在实际焊接过程中控制关键焊缝的焊接质量,以此达到控制转向系统性能衰减的因素。

2 有限元模型建立

    转向系统由多个子系统组成,其整体刚度是转向柱、安装支架和仪表板横梁集中体现的。转向系统各部件之间主要通过焊缝和螺栓连接,所以焊缝的焊接质量对转向系统性能的影响是至关重要的。为了缩减优化计算量,本文仅在单独转向系统中进行分析和优化,具体如图1所示。

图1 某车型转向系统模型

图1 某车型转向系统模型

2.1网格划分

    模型板壳件采用四边形单元模拟,实体采用六面体模拟,焊点由ACM单元模拟,焊缝采用CWELD单元,平均单元尺寸5cm╳5cm,模型单元总数71493个,节点总数104678个。

2.2边界条件

    约束转向系统和车身连接安装孔的六个方向自由度。

图2 转向系统边界条件

图2 转向系统边界条件

3 优化分析

    本次优化的目的在焊缝成本最低的前提下,保证转向系统的一阶垂向模态和一阶横向模态不低于初始设计值。

3.1拓扑优化原理

    结构拓扑优化的基本思想是将寻求结构的最优拓扑问题转化为在给定的设计区域内寻求最优材料分布问题。目前常用的结构拓扑优化方法有:变厚度法、变密度法及均匀化方法。变厚度法的数学模型简单,但优化对象受到很大的限制。变密度法是人为的建立一种材料密度与材料特性之间的关系,拓扑优化计算以后得到单元的密度值为0或1,拓扑优化结构比较清晰。均匀化方法是最为流行的方法,拓扑优化后单元的密度值是介于0~1之间的连续值,得到的是一种比较模糊的拓扑结构。

    变密度法用于一维单元的拓扑优化,目前可以采用的单位为杆单元、梁单元、弹簧单元和焊接单元。一般来说,优化的解会涉及到大量的中间密度的单元,这就需要用到罚函数来判断单元的密度。通常用到的是基于单元弹性特征的能量法则,公式如下:

公式1 基于单元弹性特征的能量法则

公式1 基于单元弹性特征的能量法则

责任编辑:吴星星
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