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基于OptiStruct的车门焊点优化设计

2016/8/25    来源:Altair    作者:屈新田  史建鹏  王希诚  张卫  侯瑾      
关键字:车门  有限元模型  车门结构  
本文建立了以某轿车车门模态、刚度性能为约束条件,焊点体积最小为目标的优化模型,应用HyperWorks/OptiStruct模块对车门焊点进行拓扑优化,得到不同密度区间焊点分布情况,根据优化结果结合工程经验调整焊点布置。对比分析优化前后的车门结构,结果表明在车门性能基本保持不变的前提下,减少了焊点数量,降低了焊接装配成本。关键词:车门拓扑优化焊点OptiStruct

1 前言

    现代轿车承载式车身及四门两盖结构大多由薄板冲压件通过焊点焊接而成,整车焊点约4000~5000个。现阶段焊点主要依据通用的焊接规范和工程经验,参考已有成熟车型进行布置。如果结构性能满足设计目标要求,则很少对焊点进行优化研究。今年来,随着有限元分析技术、拓扑优化方法在汽车设计过程中的广泛应用,为焊点布置提供了新的方法。通过焊点结构的拓扑优化设计,可以找到并减少冗余焊点,选择合理的焊点布置优选方案,降低焊接时间和装配成本。

    轿车车门是由具有复杂空间曲面形状的内板、外板以及起局部加强作用的加强板通过冲压和点焊组合而成的空间薄壁板壳结构。车门作为汽车十分重要而又相对独立的部件,具有隔绝车外噪声,缓冲来自外部的冲击等舒适性和安全性功能,其刚度、强度性能直接影响整车的品质。

    本文以某轿车车门的焊点单元为设计变量,模态、整体刚度和局部刚度等为约束条件,焊点体积最小为目标函数建立优化模型,应用HyperWorks/OptiStruct模块对车门焊点进行拓扑优化,得到不同密度区间的焊点分布情况,根据优化结果结合工程经验调整车门焊点布置,并对优化前后车门的模态、刚度、强度性能进行了对比分析。

2 拓扑优化理论简介

    拓扑优化技术是结构优化技术中有前景、创新性的技术,是指在给定的设计空间内找到最佳的材料分布,或者传力路径,从而在满足各种性能的条件下得到重量最轻的设计。拓扑优化中常用的拓扑表达形式和材料插值模型方法有:均一化方法、密度法、变厚度法和拓扑函数描述方法。OptiStruct拓扑优化的材料模型采用密度法(SIMP方法),即将有限元模型设计空间的每个单元的“单元密度(Density)”作为设计变量。该“单元密度”同结构的材料参数有关(单元密度与材料弹性模型E之间具有某种函数关系),0~1之间连续取值,优化求解后单元密度为1(或靠近1)表示该单元位置处的材料很重要,需要保留;单元密度为0(或靠近0)表示该单元处的材料不重要,可以去除,从而达到材料的高效利用,实现轻量化设计。拓扑优化的数学模型可以用下式表示:

数学模型

3 车门焊点优化模型建立

3.1 车门有限元模型建立

    根据企业内部的乘用车车门建模标准,建立车门有限元模型,其中钣金件采用壳单元建模,车门铰链采用实体单元建模,内板和外板之间的包边结构通过共节点模拟、粘胶采用六面体单元模拟,内板和各加强板之间的焊点采用CWLD单元模拟。模型中用到的材料属性如表1所示。

表1 车门有限元模型中的材料属性

表1 车门有限元模型中的材料属性

    完成的车门有限元模型包含44967个节点,40970个单元,119个焊点,如图1所示。为了验证有限元模型的准确性,分别对车门结构的自由模态进行仿真分析和试验验证,仿真与试验值统计如图2所示,仿真与试验值的最大误差为3.0%,模型建模较为准确,可以以此模型为基础进行优化分析。

图1 车门有限元模型

图1 车门有限元模型

图2 车门自由模态仿真与试验值统计

图2 车门自由模态仿真与试验值统计

责任编辑:屈婷婷
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