虛擬分析主導(dǎo)汽車門蓋鎖扣力測量方法設(shè)計

李亭 王得天

摘 要：為了采集汽車門蓋系統(tǒng)關(guān)閉過程中鎖鉤接觸到鎖扣傳遞的力，本文利用CAE虛擬分析方法，進(jìn)行采集鎖扣力試驗(yàn)工裝設(shè)計。通過DOE方法對試驗(yàn)工裝相關(guān)參數(shù)進(jìn)行選擇，利用虛擬分析方法對這些參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，找到各參數(shù)之間的最佳組合，設(shè)計出滿足需求的結(jié)構(gòu)，并優(yōu)化布置應(yīng)變片的位置，進(jìn)行鎖扣力測量。CAE方法的應(yīng)用大大提高了鎖扣力測量方法設(shè)計的效率和精確性。

關(guān)鍵詞：汽車門蓋;鎖扣力測量方法;DOE虛擬分析

1 前言

汽車發(fā)動機(jī)蓋、行李箱蓋及側(cè)門都屬于車身覆蓋件，是白車身的重要組成部分，起著保護(hù)駕駛員和乘員安全，防盜及隔離噪聲等作用[1]。汽車門蓋系統(tǒng)最重要的性能是開關(guān)過程中的過關(guān)量和疲勞耐久。過關(guān)量是指門蓋關(guān)閉過程中超過其正常關(guān)閉時所在位置的位移量。疲勞耐久性能要求門蓋系統(tǒng)在各種使用速度下，重復(fù)關(guān)閉多次，不要出現(xiàn)鈑金開裂和焊點(diǎn)脫落等問題。

鎖扣傳遞的力能夠真實(shí)反映整個系統(tǒng)的受載情況。一般來說，門蓋關(guān)閉過程中鎖扣傳遞的力過大，會出現(xiàn)疲勞耐久問題，同時過關(guān)量也會偏大。高精度測量得到鎖扣力值，就可以對門蓋開關(guān)耐久試驗(yàn)中出現(xiàn)的問題進(jìn)行追蹤，有的放矢地高效解決問題。

本文采用實(shí)驗(yàn)設(shè)計和智能優(yōu)化算法相結(jié)合，設(shè)計出采集鎖鉤力的試驗(yàn)工裝，并優(yōu)化應(yīng)變片的布置，采集鎖扣力。設(shè)計的工裝結(jié)構(gòu)精巧，非常方便數(shù)據(jù)采集，同時能保證數(shù)據(jù)采集的精度，還可重復(fù)應(yīng)用，節(jié)省成本。

2 門蓋鎖扣力測量的原理

本文所設(shè)計的測量方法是通過應(yīng)變來標(biāo)定出鎖扣力，結(jié)構(gòu)簡單，不需要破壞鈑金結(jié)構(gòu)。

2.1 應(yīng)變片布置方法

2.2 其他要求

為了確保測量結(jié)果的精度和穩(wěn)健，設(shè)計的測量方法還需要滿足如下要求：

1）垂向力和側(cè)向力的相互影響要小于10%;

2）應(yīng)變對受力位置+/-3mm不敏感（制造容差之內(nèi)）;

3）試驗(yàn)后結(jié)構(gòu)沒有明顯的永久變形，以便工裝能重復(fù)利用。

3 CAE模型的建立及仿真分析

為了節(jié)約成本，加快開發(fā)效率，此次設(shè)計運(yùn)用了虛擬分析方法來主導(dǎo)汽車門蓋鎖扣力測量方法設(shè)計。

3.1 用仿真分析方法確定應(yīng)變片位置

約束鎖扣工裝螺栓處6個方向自由度，在鎖扣工裝鎖鉤撞擊處沿撞擊方向施加極限載荷1500N，進(jìn)行CAE分析。

試驗(yàn)工裝的材料采用調(diào)質(zhì)后的45號鋼，屈服強(qiáng)度為350MPa（數(shù)據(jù)來自機(jī)械設(shè)計手冊）。CAE模型見圖3。

根據(jù)應(yīng)變片布置的原則：

1）貼片處應(yīng)力對載荷較敏感;

2）貼片處應(yīng)力變化梯度較小。

確定應(yīng)變片的具體位置，如圖3所示。

3.2 工裝的結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

設(shè)計狀態(tài)垂向力作用下的應(yīng)力分析結(jié)果，如圖4所示，紅色表示應(yīng)力超過屈服極限的位置。試驗(yàn)工裝整體結(jié)構(gòu)剛度偏弱，需要對試驗(yàn)工裝進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

3.2.1 設(shè)計變量確定

根據(jù)應(yīng)力云圖，選取三個設(shè)計變量，如表1及圖5所示。

3.2.2 確定優(yōu)化目標(biāo)、約束

為了確保測量結(jié)果的精度，要求貼應(yīng)變片處應(yīng)力對載荷比較敏感，即在滿足屈服極限的情況下，應(yīng)力和遵循望大特性。優(yōu)化目標(biāo)見公式3-1所示：

1）垂向力在設(shè)計位置的工況下，圖2中應(yīng)變片1、2、3、4位置沿著應(yīng)變片貼片方向的應(yīng)力和，這里用參數(shù)s_vertical表示;

2）側(cè)向力在設(shè)計位置的工況下，圖2中應(yīng)變片5、6、7、8位置沿著應(yīng)變片貼片方向的應(yīng)力和，這里用參數(shù)s_lateral表示：

式中：w1和w2為權(quán)重系數(shù)，均取0.5。

目標(biāo)函數(shù)：Max s_goal，即貼片處應(yīng)力和最大。

為了減少采集垂向力和側(cè)向力的相互影響及試驗(yàn)工裝的可重復(fù)利用，約束設(shè)定為：

1）貼應(yīng)變片處應(yīng)力小于材料的屈服應(yīng)力;

2）試驗(yàn)工裝的永久變形小于0.1mm。

本文中的優(yōu)化設(shè)計采用的是Hyperwork軟件包中的Hyperstudy，調(diào)用的求解器為ABAQUS。因?yàn)榭紤]的是多目標(biāo)、多約束、多參數(shù)和多工況的優(yōu)化，優(yōu)化求解過程相對比較復(fù)雜。

3.3 近似模型的建立

3.3.1 試驗(yàn)設(shè)計

試驗(yàn)設(shè)計（design of experiment，DOE）是利用數(shù)理統(tǒng)計學(xué)與正交性原理[2]。從大量的試驗(yàn)點(diǎn)中選取合適的有代表性的點(diǎn)，應(yīng)用正交表來合理安排試驗(yàn)的一種設(shè)計方法。

選取的優(yōu)化設(shè)計變量共3個，每個設(shè)計變量設(shè)置7個水平，擬進(jìn)行49次abaqus模擬計算。得到49組響應(yīng)值，以便構(gòu)建近似模型。試驗(yàn)設(shè)計表見表2。

3.3.2 近似模型建立

文中采用Kriging模型用于構(gòu)建近似面。利用上述設(shè)計樣本來構(gòu)建Kriging近似模型，同時，另選樣本點(diǎn)及響應(yīng)值用于驗(yàn)證，驗(yàn)證點(diǎn)的ABAQUS值與近似模型值相差均在1%以內(nèi)，可信度較高。

3.3.3 優(yōu)化分析

選擇遺傳算法對近似模型進(jìn)行尋優(yōu)，初始種群個數(shù)為由軟件自動選取，最大迭代代數(shù)設(shè)定為25次，最終得出模型最優(yōu)解集。通過迭代尋找到最優(yōu)值，優(yōu)化后shape_T.S=6.2mm，輸出的目標(biāo)值為410MPa。

為了驗(yàn)證優(yōu)化結(jié)果的正確性，將優(yōu)化后的模型代入ABAQUS重新計算提取后的結(jié)果為409MPa，誤差為0.2%，這說明近似模型的結(jié)果準(zhǔn)確性非常高?；诔杀究紤]，試驗(yàn)工裝可重復(fù)應(yīng)用，最終的設(shè)計方案為，工裝底座厚度采用6.5mm。

4 結(jié)論

將實(shí)驗(yàn)設(shè)計和智能優(yōu)化相結(jié)合的方法引入到汽車門蓋鎖扣力研究中去，給出了一種新的門蓋鎖扣力優(yōu)化設(shè)計思想。

該方法為今后更多車型門蓋鎖扣力的測量提供了方便、穩(wěn)健的方法，幫助工程師盡快找到門蓋過關(guān)試驗(yàn)中出現(xiàn)的疲勞問題和碰漆問題的根本原因。并且該方法可以提高了項目開發(fā)的效率，節(jié)省了反復(fù)工裝制作和試驗(yàn)帶來的人力、資金和時間成本。

參考文獻(xiàn)：

[1]程超，王得天，邱榮英，洪光輝.汽車行李箱蓋扭桿彈簧簡化分析與優(yōu)化設(shè)計[J].制造業(yè)自動化，2013.

[2]張崎，李興斯.基于Kriging模型的結(jié)構(gòu)可靠性分析[J].計算力學(xué)學(xué)報，2006.

作者簡介：李亭（1983-），女，河北樂亭人，碩士，中級工程師，研究方向：整車試驗(yàn)認(rèn)證。