基于自由尺寸優(yōu)化的車身結(jié)構(gòu)嵌件優(yōu)化設(shè)計

周源 梁名佳 莫貴文

摘 要：為研究車身結(jié)構(gòu)嵌件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的影響，基于白車身扭轉(zhuǎn)剛度仿真分析模型，首先通過自由尺寸優(yōu)化方法找到結(jié)構(gòu)嵌件在車身關(guān)鍵接頭的嵌入位置，再用工程塑料內(nèi)外飾零件的建模方法設(shè)計嵌件骨架結(jié)構(gòu)，然后再次通過自由尺寸優(yōu)化方法對嵌件骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化，從而得到兼顧白車身扭轉(zhuǎn)剛度和重量的嵌件結(jié)構(gòu)。仿真分析結(jié)果表明：白車身在重量僅增加0.4%的情況下，扭轉(zhuǎn)剛度提升5.5%，整體一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率提升5.9%。

關(guān)鍵詞：自由尺寸優(yōu)化;白車身;結(jié)構(gòu)嵌件;扭轉(zhuǎn)剛度

中圖分類號：U463.82 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A ?文章編號：1671-7988（2020）16-96-03

Abstract： In order to study the effect of structural insert to BIW torsional rigidity， firstly， findout the structural insert location on the key joint of the BIW by freesize optimization based on the BIW torsional rigidity simulation analysis model， using the modeling method of engineering plastics interior and exterior parts to design the structural insert structure， then do the optimization and lightweight of the structural insert by freesize optimization again， an optimal structural insert which is considered both BIW torsional rigidity and weight is obtained. The simulation analysis result shows that， the weight of the BIW increases only 0.4%， the torsional rigidity of BIW increases 5.5%， the 1st torsional mode frequency of BIW increases 5.9%.

Keywords： Freesize optimization; Body In White; Structural insert; Torsional rigidity

CLC NO.： U463.82 ?Document Code： A ?Article ID： 1671-7988（2020）16-96-03

引言

隨著汽車輕量化技術(shù)的發(fā)展，復(fù)合材料在汽車上的應(yīng)用越來越廣泛，其應(yīng)用方向也正在由內(nèi)外飾件向結(jié)構(gòu)件和功能件延伸[1]。逐漸掌握碳纖維等纖維增強(qiáng)復(fù)合材料特性、零部件結(jié)構(gòu)設(shè)計方法、高效制造工藝、性能控制方法和連接技術(shù)，逐漸趕超汽車工業(yè)發(fā)達(dá)國家汽車輕量化技術(shù)水平，已經(jīng)作為我國汽車輕量化發(fā)展戰(zhàn)略和路徑中車身輕量化的長期發(fā)展目標(biāo)。纖維增強(qiáng)復(fù)合材料中就包括長纖維增強(qiáng)熱塑性復(fù)合材料（LFT），LFT是一個廣義的塑料專用詞匯，在汽車復(fù)合材料工業(yè)中有一個非正式但約定俗成的定義，即指長度超過10mm的增強(qiáng)纖維（一般是玻璃纖維）和熱塑性聚合物（一般是聚丙烯）進(jìn)行混合并生產(chǎn)而成的制品。LFT具有密度低、比強(qiáng)度高、比模量高和抗沖擊性強(qiáng)等特性。[2] LFT材料可以替代部分結(jié)構(gòu)件、金屬件材料用于汽車零部件，滿足零件各項性能指標(biāo)的同時，對整車減重降本有明顯的貢獻(xiàn)，因此在提倡輕量化的整車上具有廣泛應(yīng)用前景。[3]

根據(jù)歐洲車身會議材料的記錄，早在2003年，法國標(biāo)致就在其307 CC車型的A柱下接頭腔體內(nèi)應(yīng)用過PA6.6+環(huán)氧樹脂制成的車身結(jié)構(gòu)嵌件，如圖1所示。但至今這種復(fù)合材料結(jié)構(gòu)嵌件仍未在車身設(shè)計中大量應(yīng)用，國內(nèi)有應(yīng)用的案例則更少。當(dāng)前車身結(jié)構(gòu)嵌件一般是由長玻纖（或尼龍）+PP（聚丙烯）通過注塑成型，通過熱膨脹結(jié)構(gòu)膠膠粘于鈑金表面，結(jié)構(gòu)如圖2所示。由于是注塑成型，因此可以通過更復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計來保證其自身的剛度。通常嵌于車身接頭位置或者傳力路徑的空腔內(nèi)，如A/B/C/D柱及其接頭、門檻梁、前后縱梁等。是很好的加強(qiáng)車身強(qiáng)度、剛度、疲勞耐久性能的解決方案，同時也有機(jī)會替代或者減薄鈑金從而實現(xiàn)車身的輕量化。

本文基于某SUV白車身扭轉(zhuǎn)剛度，首先采用自由尺寸優(yōu)化方法分析車身的薄弱接頭，作為結(jié)構(gòu)嵌件嵌入位置的參考，然后通過內(nèi)外飾零件的建模方法在該接頭鈑金腔體內(nèi)設(shè)計嵌件結(jié)構(gòu)，接著再次采用自由尺寸優(yōu)化方法，基于白車身扭轉(zhuǎn)剛度對嵌件骨架進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化，最后對優(yōu)化后的結(jié)構(gòu)進(jìn)行性能校核，并簡單探討復(fù)合材料嵌件在車身性能提升和輕量化上的應(yīng)用前景。

1 自由尺寸優(yōu)化確定嵌件嵌入位置

為了研究復(fù)合材料結(jié)構(gòu)嵌件對白車身扭轉(zhuǎn)剛度的提升效果，以某SUV的白車身為研究對象。傳統(tǒng)的零件開發(fā)流程為CAD建模后輸入到CAE分析及優(yōu)化，再將CAE的優(yōu)化方案更新到CAD數(shù)模中，這種開發(fā)流程早期的CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計主要依賴于工程師的經(jīng)驗或?qū)?biāo)車的逆向數(shù)據(jù)，具有一定的盲目性。近年來，CAE驅(qū)動設(shè)計越來越多地被應(yīng)用到車身正向開發(fā)中，如車身概念設(shè)計階段運用拓?fù)鋬?yōu)化技術(shù)找到車身結(jié)構(gòu)最有效的傳力路徑，結(jié)合參數(shù)化有限元模型，得到兼顧性能和重量的車身結(jié)構(gòu)，并縮短了車身正向開發(fā)的周期[4]。本文將這種思路引入到零部件結(jié)構(gòu)的正向設(shè)計中，首先利用優(yōu)化方法找到嵌件嵌入的最佳位置。

常用的優(yōu)化設(shè)計方法包括拓?fù)鋬?yōu)化、參數(shù)化優(yōu)化、形貌優(yōu)化、形狀優(yōu)化等。優(yōu)化問題是一種數(shù)學(xué)方法，其數(shù)學(xué)模型可以表達(dá)為：

設(shè)計目標(biāo)：最小化f（X）或最小化[f（X）的最大值]

設(shè)計變量：XiL≤Xi≤XiUi=1，2，3，…N

設(shè)計約束：gj（x）≤0 j=1，2，3，…，M

式中：

X——設(shè)計變量;

f（X）——設(shè)計目標(biāo);

g（X）——設(shè)計約束。

自由尺寸優(yōu)化是以2D單元的厚度為設(shè)計變量，優(yōu)化后可以生成不同厚度在2D結(jié)構(gòu)上的重新分布，這些厚度分布顯示了2D結(jié)構(gòu)上的傳力路徑，可以作為結(jié)構(gòu)優(yōu)化或輕量化的參考。自由尺寸優(yōu)化可以將有限元模型的現(xiàn)有部件直接定義為設(shè)計變量進(jìn)行優(yōu)化，而不像拓?fù)鋬?yōu)化那樣需要在設(shè)計空間內(nèi)另外構(gòu)建設(shè)計變量，是一種簡潔高效的優(yōu)化方法。

針對該SUV白車身的優(yōu)化設(shè)計定義如下：

設(shè)計目標(biāo)：白車身整體應(yīng)變能（compliance）最小;

設(shè)計變量：白車身所有鈑金部件的厚度;

設(shè)計約束：質(zhì)量分?jǐn)?shù)（massfrac）<30%。

其中應(yīng)變能可以理解為結(jié)構(gòu)剛度的倒數(shù)，在拓?fù)鋬?yōu)化和自由尺寸優(yōu)化中常將應(yīng)變能最小定義為設(shè)計目標(biāo)。質(zhì)量分?jǐn)?shù)表示當(dāng)前迭代步質(zhì)量與初始質(zhì)量的比值，常用<0.3作為設(shè)計約束[5]。

優(yōu)化分析迭代完成后車身厚度分布如圖3所示，可以看到，尾門框上、下圓角處聚集了大量的厚單元，說明對這些區(qū)域加厚可以有效地提升扭轉(zhuǎn)剛度，同樣，在相應(yīng)位置嵌入結(jié)構(gòu)嵌件提升局部剛度，也能間接提升扭轉(zhuǎn)剛度。因此考慮在尾門框上、下圓角腔體內(nèi)設(shè)計結(jié)構(gòu)嵌件。

2 CAD結(jié)構(gòu)設(shè)計及仿真分析

根據(jù)尾門框上、下圓角腔體空間，用工程塑料內(nèi)外飾零件的建模方法，設(shè)計出尺寸稍大、結(jié)構(gòu)較復(fù)雜、預(yù)留足夠的涂膠面、同時滿足注塑工藝的嵌件結(jié)構(gòu)，定義嵌件骨架肋板平均厚度為4mm，如圖4所示。

對結(jié)構(gòu)嵌件CAD數(shù)模進(jìn)行有限元建模，由于其幾何特征復(fù)雜，可采用更小的單元尺寸劃分網(wǎng)格，以便更好地反映零件結(jié)構(gòu)，本文采用3mm的平均網(wǎng)格尺寸。嵌件骨架及發(fā)泡涂膠材料參數(shù)如表1所示。將建好的嵌件連接到白車身模型中分析扭轉(zhuǎn)剛度，并校核白車身自由模態(tài)，結(jié)果如表2中初版CAD結(jié)構(gòu)方案所示，相比原狀態(tài)，在尾門框上、下圓角內(nèi)增加結(jié)構(gòu)嵌件后車身抗扭性能有顯著提升。

3 嵌件骨架結(jié)構(gòu)優(yōu)化及輕量化

可以看到增加的嵌件骨架重達(dá)3.5kg，根據(jù)經(jīng)驗換成同質(zhì)量的鈑金結(jié)構(gòu)也能達(dá)到相同的性能提升效果，并不能體現(xiàn)復(fù)合材料密度小的優(yōu)勢，因此需要對嵌件骨架進(jìn)行進(jìn)一步的結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化。嵌件骨架采用注塑工藝成型，各肋板的厚度可以任意控制，因此很適合采用自由尺寸優(yōu)化方法對其進(jìn)行優(yōu)化。優(yōu)化設(shè)計定義與前述對白車身的優(yōu)化有所區(qū)別，具體如下：

設(shè)計目標(biāo)：白車身整體應(yīng)變能（compliance）最小;

設(shè)計變量：嵌件骨架的厚度;

設(shè)計約束：嵌件骨架質(zhì)量分?jǐn)?shù)（massfrac）<30%。

優(yōu)化分析迭代完成后厚度分布如圖5所示，可見厚度主要分布在骨架與尾門框圓角的膠粘面附近，與白車身自由尺寸優(yōu)化厚度分布結(jié)果高度一致。將結(jié)果中厚度大于1.5mm的單元導(dǎo)出.stl文件，導(dǎo)入到白車身扭轉(zhuǎn)剛度分析模型中，參照優(yōu)化結(jié)果，對嵌件骨架結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪、拆分，分別賦予不同的厚度（本文主要采用2mm和3mm兩種厚度），在此基礎(chǔ)上再次對白車身扭轉(zhuǎn)剛度和模態(tài)進(jìn)行校核，結(jié)果如表2中仿真優(yōu)化方案所示。此時骨架結(jié)構(gòu)凈重降至1.46kg，相比初版數(shù)模方案減輕了2.04kg，且性能基本不變，從而實現(xiàn)了零件的輕量化設(shè)計。按仿真方案對CAD結(jié)構(gòu)進(jìn)行修改，嵌件骨架最終結(jié)構(gòu)如圖6所示，其中紅色部分肋板厚度為3mm，藍(lán)色部分均為2mm。

4 結(jié)論

（1）在白車身關(guān)鍵接頭內(nèi)通過膠粘的方式嵌入復(fù)合材料結(jié)構(gòu)嵌件，能在增重較少的情況下有很好的性能提升效果，零件成型工藝成熟，連接工藝簡單，可以作為鈑金的補(bǔ)強(qiáng)或替代件，為車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化和輕量化提供了新的思路。

（2）基于白車身剛度對白車身進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化能快速確定車身的薄弱環(huán)節(jié)，從而為確定嵌件位置提供參考。

（3）基于白車身剛度對嵌件骨架進(jìn)行自由尺寸優(yōu)化能準(zhǔn)確地對零件局部厚度進(jìn)行優(yōu)化，為零件尺寸及局部料厚設(shè)計提供參考，非常適合用于這類結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工程塑料或復(fù)合材料結(jié)構(gòu)件的優(yōu)化及輕量化設(shè)計。

（4）CAE驅(qū)動的零件正向開發(fā)，可以使結(jié)構(gòu)設(shè)計方向更明確，避免盲目設(shè)計，縮短開發(fā)周期。

參考文獻(xiàn)

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