鷗翼車門組合式優(yōu)化分析

2016-12-08 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

鷗翼車門組合式優(yōu)化分析

CombinedOptimizationofGull-WingsCarDoor

楊國富門永新曹侃朱貞英

(浙江吉利汽車研究院有限公司浙江杭州311228)

摘要:與其它類型車門相比,鷗翼門在結(jié)構(gòu)上具有本身的特殊性。在概念設(shè)計階段,運(yùn)用HyperMesh軟件建立車門的有限元模型,并考察該車門的模態(tài)和剛度性能;并用拓?fù)鋬?yōu)化中的變密度法,通過 HyperWorks對車門進(jìn)行了拓?fù)渑c形貌的組合優(yōu)化分析,最終優(yōu)化結(jié)果在車門質(zhì)量減少的情況下,使車門的模態(tài)和剛度性能均滿足設(shè)計要求,達(dá)到預(yù)期優(yōu)化效果。

關(guān)鍵詞:車門有限元OptiStruct 組合優(yōu)化

Abstract:Comparedwithothercardoors,gull-wingsdoorhasitsownspecialstructure.Duringthe conceptualdesignstage,carryingoutthefiniteelementmodelingforacardoorbyusingHyperMesh,and gettingthedoor'smodalandstiffnesscharacteristics.Basedonthevariabledensitymethodoftopology optimizationandthecombinationoftopologyandmorphology,thestiffnessandfirst-ordermodearesatisfied whilevehicledoorweightisalsoreduced.

Keywords:cardoor,fem,OptiStruct,combinatorialoptimization

1引言

車門是轎車車身設(shè)計中十分重要而又相對獨(dú)立的一個部件。它作為一個綜合的轉(zhuǎn)動部件,和白車身一起構(gòu)成乘員的生存空間,其結(jié)構(gòu)須滿足一定的性能指標(biāo)。這些指標(biāo)包括:車門在受到較大下垂力時,不能發(fā)生永久變形而導(dǎo)致車門無法關(guān)閉;車門在受到外力作用時不應(yīng)發(fā)生扭曲,影響車門的密封性能;開車時,車門不應(yīng)受到振動而抖動,發(fā)出噪聲。這就要求車門結(jié)構(gòu)應(yīng)具有足夠大的剛度和良好的振動性能。同時,車門輕量化又是實現(xiàn)車輛燃油經(jīng)濟(jì)性的重要措施,因此在保證車門較高剛度和低階固有頻率時,又應(yīng)盡量減少車門質(zhì)量[1]。

本文研究的對象為鷗翼門,跟其它類型車門相比具有不同的結(jié)構(gòu)。針對該車門的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),對其進(jìn)行了模態(tài)分析,求解了車門前5階自由模態(tài)的固有頻率及相應(yīng)振型,為分析車門振動響應(yīng)作了必要準(zhǔn)備。結(jié)構(gòu)的拓?fù)鋬?yōu)化由于其理論和計算上的復(fù)雜性而成為結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計中最富挑戰(zhàn)性的研究領(lǐng)域[2]。筆者利用HyperWorks軟件中的OptiStruct模塊可以比較容易的完成參數(shù)設(shè)置,從而實現(xiàn)轎車車門的拓撲與形貌的組合分析,得到了高剛度、輕質(zhì)量的設(shè)計方案。

2模型及工況

2 .1鷗翼車門結(jié)構(gòu)

與其它類型車門相比,鷗翼車門的結(jié)構(gòu)具有較大的差異性,具體表現(xiàn)如下:

1)鷗翼門上部與車身頂蓋連接,開啟方式為上開啟式,且尺寸比其它類型車門大,在車門開啟狀態(tài)時,需要車門與頂蓋連接處的結(jié)構(gòu)能夠承受較大的剛度和強(qiáng)度,普通的結(jié)構(gòu)難以滿足要求;

2)與其他類型車門相比,鷗翼門鉸鏈與車鎖對車門的約束較弱,如果結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理導(dǎo)致模態(tài)較低,容易產(chǎn)生抖動噪聲。

2.2分析工況設(shè)定

1.模態(tài)分析:無約束,自由狀態(tài);

2.扭轉(zhuǎn)剛度分析

約束:鉸鏈位置的全部自由度,鎖扣中心的3個平動自由度;載荷:分別在門內(nèi)部的左下角和右下角施加100N的Y向節(jié)點(diǎn)力。

3.側(cè)向剛度分析

約束:鉸鏈位置的全部自由度,鎖扣中心的Y、Z向的平動自由度; 載荷:在鎖扣中心分別施加100N和-100N的Y向節(jié)點(diǎn)力。

4.腰線剛度分析

約束:鉸鏈位置的全部自由度,鎖扣中心的Y、Z向的平動和轉(zhuǎn)動自由度; 載荷:分別在內(nèi)外板的腰線位置施加100N的Y向節(jié)點(diǎn)力。

3分析結(jié)果

3.1模態(tài)分析結(jié)果

汽車在行駛過程中,發(fā)動機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)、路面不平及高速行駛時的風(fēng)力等都會引起車門的振動,當(dāng)這些振源的激勵頻率接近車門的固有頻率,便會發(fā)生共振現(xiàn)象,產(chǎn)生劇烈的振動和噪聲,所以固有頻率是車門重要的評價指標(biāo)之一,其模態(tài)特征如表2所示。

鷗翼車門組合式優(yōu)化分析hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片3

該車型搭載的是直列4缸發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)怠速時二階激振頻率在27Hz左右,而車門的第一階彎曲模態(tài)頻率為26.2Hz。因此,車門在發(fā)動機(jī)怠速激勵下有共振隱患,車門防撞梁局部振動模態(tài)頻率為
53.1Hz,低于設(shè)計目標(biāo)值,車門骨架結(jié)構(gòu)與車身及傳動系統(tǒng)之間存在共振的可能性。

3.2剛度分析結(jié)果

各工況下,車門的剛度分析結(jié)果如表3所示。

鷗翼車門組合式優(yōu)化分析hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片4

通過上述計算結(jié)果可看出,該車門的扭轉(zhuǎn)剛度、腰線剛度低于目標(biāo)值,側(cè)向剛度與目標(biāo)值持平,
車門整體剛度較低。從上面的分析及考慮到轎車車門強(qiáng)度的要求,不能通過修改尺寸來大幅度提高第
1階固有頻率,所以在不改變設(shè)計結(jié)構(gòu)的前提下,通過改變尺寸參數(shù)來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設(shè)計來提高固有頻率。

4車門的組合式優(yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化可在給定的設(shè)計空間內(nèi)找到最優(yōu)的材料分布;形貌優(yōu)化可在鈑金件上找出最佳的加強(qiáng)肋位置和形狀。這里運(yùn)用有限元軟件OptiStruct對轎車車門進(jìn)行了拓?fù)渑c形貌的組合分析[3]。

4.1問題描述

1) 設(shè)計目標(biāo):使轎車車門的剛度和模態(tài)滿足要求。

2)設(shè)計約束:第一階模態(tài)頻率的最低要求為30Hz。

3)設(shè)計變量:設(shè)計空間中單元密度和形狀變化。

4.2優(yōu)化過程

在OptiStruct中優(yōu)化分析的主要過程為:

1)設(shè)置有限元模型;

2)施加載荷和邊界條件;

3)設(shè)置優(yōu)化參數(shù);

4)提交作業(yè);

5)查看結(jié)果及分析。

由于該產(chǎn)品處于概念設(shè)計階段,在進(jìn)行優(yōu)化時有較大的空間。其中,拓?fù)鋬?yōu)化區(qū)域如圖3所示,藍(lán)色部分為設(shè)計空間,紅色部分為非設(shè)計空間(包括安裝孔,鎖扣區(qū)域,力加載點(diǎn),翻邊,鉸鏈)。形貌優(yōu)化如圖4所示,綠色部分為設(shè)計空間,紫色部分為非設(shè)計空間。

鷗翼車門組合式優(yōu)化分析hypermesh應(yīng)用技術(shù)圖片5

4.3優(yōu)化結(jié)果

1)拓?fù)鋬?yōu)化分析

拓?fù)鋬?yōu)化分析傳力路徑如圖5所示:

圖5拓?fù)鋬?yōu)化分析傳力路徑圖

2)形貌優(yōu)化分析

形貌優(yōu)化分析起筋位置如圖6所示:

4.4改進(jìn)方案

1)根據(jù)拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果,車門頂部內(nèi)板靠近玻璃區(qū)域無材料,刪掉車門上部的內(nèi)部骨架連接板和窗框加強(qiáng)板,如圖7所示;

圖7門框骨架結(jié)構(gòu)修改

2)車門上內(nèi)板中間區(qū)域增加交叉型加強(qiáng)結(jié)構(gòu),寬度為30mm,如圖8所示;

圖8車門上內(nèi)板結(jié)構(gòu)修改

3)根據(jù)形貌優(yōu)化結(jié)果,對車門內(nèi)板下部區(qū)域進(jìn)行起筋修改,如圖9所示

圖9車門下內(nèi)板結(jié)構(gòu)修改

4.5改進(jìn)結(jié)果

采用以上的改進(jìn)方案,對改進(jìn)后的車門進(jìn)行模態(tài)、剛度分析,分析結(jié)果如表4、表5所示:

從表4、表5可以看出,改進(jìn)后車門的模態(tài)及剛度結(jié)果有了一定的提升。模態(tài)分析中,車門彎曲模態(tài)由26.2Hz提升到35Hz,內(nèi)板局部振動模態(tài)由34.4Hz提升到44.6Hz,均滿足設(shè)計目標(biāo);剛度分析中,扭轉(zhuǎn)剛度分別由70N/mm、58.8N/mm提升到82.7N/mm和79.4N/mm,腰線剛度由100N/mm、100N/mm提升到120.6N/mm和103.9N/mm,均滿足設(shè)計目標(biāo)。

5結(jié)論

1)通過有限有方法,對處于概念設(shè)計階段的某款車的車門完成了網(wǎng)格的劃分和模型的創(chuàng)建,并進(jìn)行了模態(tài)和剛度分析,提前預(yù)測的車門的模態(tài)和剛度性能;

2)通過分析結(jié)果發(fā)現(xiàn),部分模態(tài)和剛度性能不滿足設(shè)計要求,運(yùn)用OptiStruct優(yōu)化模塊做了組合式優(yōu)化設(shè)計,得到了剛度高、質(zhì)量輕的優(yōu)化方案,使得車門的模態(tài)和剛度性能達(dá)到設(shè)計目標(biāo),提高了產(chǎn)品質(zhì)量并縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期。

6參考文獻(xiàn)

[1]馮楨,于濤,曾齊福.拓?fù)鋬?yōu)化方法在產(chǎn)品設(shè)計中的應(yīng)用探索[J].機(jī)械設(shè)計與制造,2007(3):138-139

[2]陳塑寰.結(jié)構(gòu)振動分析的數(shù)值方法[M].長春:吉林科學(xué)技術(shù)出版社,1996

[3]劉慶,侯獻(xiàn)軍.基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結(jié)構(gòu)拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計[J].裝備制造技術(shù),2008(10):42-44.