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基于OptiStruct&HyperStudy的白车身结构胶优化

2020/1/19    来源:Altair论文集    作者:于万元  梁名佳  王超  邓喜波      
关键字:白车身  结构胶优化  OptiStruct  
本文通过OptiStruct基于扭转刚度进行拓扑优化,获得结构胶的布置位置,然后利用HyperStudy分析结构胶弹性模量对车身扭转刚度的影响趋势。基于布置和参数,完成白车身结构胶的应用方案。

1 概述

    目前,各大轿车生产厂为了提高自身的综合竞争实力,都在全面提升产品质量和降低生产成本。鉴于轿车安全性能(尤其是轿车的碰撞保护性能)已经成为消费者的关注点之一,主机厂开始在车身制造过程中使用车身结构胶,目的是提高车体的结构强度、抗碰撞性能和对驾乘人员的保护能力。

    近年来,国内外主机厂扩大了结构胶的应用,与之对应的国内外的学者对结构胶进行了深入的研究。赵雪梅等通过分析车身应变能分布形式决定结构胶分布的方法,得到了优化的结构胶布置方案。王宇飞利用OptiStruct的拓扑优化技术针对刚度工况对结构胶的位置进行优化,根据优化结果确定最优应用位置。华晨汽车在某车型的主要承载件涂布结构胶,在增加52m涂胶线的情况下,扭转刚度提高10%,弯曲刚度提高了4%。

    本文基于扭转刚度,利用OptiStruct对结构胶进行布置优化,然后利用hyperStudy进行结构胶弹性模量分析,根据分析结果结合成本要求选择结构胶剂的种类。

2 车身结构胶创建

    HyperWorks中利用seam功能创建结构胶,结构胶弹性模量设置为1800Mpa,结构胶长宽设置为6mm,其中宽度与实车中的结构胶宽度基本一致。

seam菜单

图1 seam菜单

    车身所有涉及到连接的位置均布置结构胶,尽量增加拓扑优化空间,总长约180米。

初始结构胶布置

图2 初始结构胶布置

    表中给出了带有结构胶的刚度结果与未加结构胶的刚度结果的比较。由表中可见,在车身翻边处采用结构胶连接后,其扭转刚度提升约1800N·m/°。

表1 带有结构胶的刚度结果与未加结构胶的刚度结果的比较

带有结构胶的刚度结果与未加结构胶的刚度结果的比较

3 车身结构胶优化

    3.1 拓扑优化理论

    结构拓扑优化设计的主要研究对象是连续体结构,由于拓扑优化设计结果需要描述连续体结构中各处的材料特征,有无限多个设计变量。将该问题转化为有限个单元是否存在的问题,此时可利用数学规划法和准则法,依据给定的准则和约束条件删除部分区域内的单元而形成带孔连续体,以实现连续体的拓扑优化设计。目前常用的连续体结构拓扑优化方法有变厚度法、变密度法及均匀化法。变密度法是一种常用的拓扑优化方法,它以材料密度为拓扑设计变量,结构拓扑优化问题此时被转换为材料的最有分布问题。

    3.2 结构胶布置拓扑优化

    在拓扑优化的密度法中,设计变量为设计空间内每个单元的密度,目标函数和约束函数是从有限元分析中获得的结构响应。

    变量:结构胶单元,设置车身XZ平面对称约束

    响应:应变能、体积分数

    约束:体积分数<0.3

    目标:应变能最小

    设置完毕后,可提交计算,为提高优化效率,可根据硬件条件设置求解配置,此处设为-len20000-nt10。

求解设置

图3 求解设置

    经过7个迭代步的计算,优化模型收敛结束优化迭代,通过HyperView查看结构胶位置。可以发现结构胶主要位置侧围、前后轮罩位置。

结构胶优化结果

图4 结构胶优化结果

    由于车身车间工艺所限以及主机厂设计成本的约束,需要对结构胶的施工位置进行优化,以采用最少的结构胶达到最佳的效果。此方案中,所有结构胶线长度总和约为50m,相对总长度180m,减少了约72%的胶线长度,而刚度值下降幅度并不明显,说明拓扑优化结果非常有效。同时结构胶布置优化可以作为焊点密度优化的参考,在结构胶的位置增加焊点数量。

表2 结构胶布置优化

结构胶布置优化

    3.3 车身结构胶参数选择

    将结构胶的弹性模量设置为20个取值,通过HyperStudy集成,自动分析提取不同结构胶弹性模量下的扭转刚度:

    0.1/10/20/35/50/80/110/200/300/500/700/900/1200/1500/1800/2200/2600/3000/3500/4000,单位Mpa。

    计算完毕后,对结果进行分析,可以根据当前性能状态,对结构胶参数进行选择。结构胶弹性模量在超过1000Mpa后提升不再明显,而且1000Mpa等级结构胶相对于1800Mpa结构胶成本低,因此可以选择1000Mpa的结构胶。

参数分析结果

图5 参数分析结果

4 结论

    1.结构胶的应用可在少量增加重量的前提下,取得明显的扭转刚度性能提升。

    2.利用OptiStruct及HyperStudy可有效的识别结构胶布置位置,识别结构胶参数,降低结构胶应用成本。

责任编辑:程玥
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