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OptiStruct 在优化白车身整体弯曲刚度中的应用

发布者:admin   发布时间: 2017-08-03 浏览次数:

 摘要:白车身整体弯曲刚度影响车身基础应力、及 NVH 性能,是车身结构的基本指标。本文应用 Altair 公司的有限元软件 OptiStruct,对某 MPV 的白车身进行了关于整体弯曲刚度的自由尺寸优化,找出了相对薄弱位置,据此对其结构进行了优化设计,白车身整体弯曲刚度得到显著提升。

关键词:整体弯曲刚度  OptiStruct 自由尺寸优化 形貌优化

Abstract: BIW bending stiffness influences basic stress and NVH performance and is the basic target of vehicle body. In this thesis, free-size optimization about BIW bending stiffness is performed using OptiStruct. According to the optimization results, relative weak spaces are found and optimization design is conducted. After optimization design, BIW bending stiffness is increased markedly.

Key word:BIW bending stiffness, OptiStruct, Freesize Optimization, Topography Optimization

 

1引言

 

    近年来,汽车市场竞争不断加剧,这要求开发周期越来越短,CAE在汽车开发中扮演着越来越重要的角色。白车身整体弯曲刚度影响车身的载物能力及舒适性等,通过CAE仿真对白车身结构设计提高刚度性能,进而确定白车身设计方案,可大大缩短白车身开发周期,提高企业在市场竞争力。本文利用OptiStruct 的成熟优化手段,在详细设计阶段有效的提高白车身整体弯曲刚度。

 

2 有限元模型的建立

 

    本次仿真中,通过HyperMesh划分CAD模型,点焊采用ACM缝焊、CO2、保护焊、铆接、螺栓连接以及铰接采用刚性连接,白车身总成则是按照实际材料特性、密度、质量等参数进行设置划分的单元个数为 502767个,三角形率为3.9%,网格大小为5~15mm,车身焊点共 5910 个。经离散化后得到的白车身的有限元分析模型见图 1,带前挡玻璃。

 

                      

图1   计算模型


3 整体弯曲刚度计算


    约束:参照试验情况, 边界条件是约束前后悬架固定座支撑点的所有自由度。

    加载:加在前排座椅和第二排座椅中心载荷大小为2000N,方向竖直向下。白车身整体的弯曲刚度 D 可用车身载荷 F与门槛梁最大弯曲挠度Zmax的比值来衡量, 此时弯曲刚度计算式为:D=F/Zmax。

    在后处理HyperView 软件提取整体弯曲工况处理所需数据门槛梁最大位移为0.558mm,经过处理得到整体弯曲刚度为14337N/mm。

 

4 白车身刚度试验

 

    约束:利用夹具将前后悬架固定座支撑点的所有自由度。

       加载:利用杠杆原理同时在前排座椅和第二排座椅中心分4次施加最大为8000N的载荷。

       测点布置:根据实际白车身情况和仿真结果,在左右纵梁和门槛梁最大位移处布置一个位移传感器,前悬架夹具和后悬架夹具各布置一个,其他地方尽可能均匀布置,共44个位移传感器。



                                     图2 门槛梁位移传感器布置

     试验结果处理:经过数据采集系统处理,得到如图数据。

             


                                     图3 试验数据拟合

    利用统计学的线性回归方程,得到,拟合度较好。刚度k为:K=8000/(0.000069 *8000-0.008828)=14728N/mm

    由于仿真整体弯曲工况为14337N/mm,试验整体弯曲工况为14728N/mm,误差为 2.7%,在合理范围之内。同时,刚度结果未能达到目标值 15000N/mm,为此须进行结构改进。

 

5 自由尺寸优化分析

 

5.1 优化设计的基本概念

 

    设计变量(x):一个结构设计的方案是由若干参数来描述的,根据具体情况,在最优化过程中变化的参数就是设计变量。

       目标函数 M(x):目标函数是设计变量的函数。在计算刚度的情况下,是将结构质量最轻或者刚度最大作为目标值。

       约束条件:在结构中应该遵循的条件都属于约束条件。优化设计问题可表达为下面数学规划问题的形式,即



    自由尺寸优化是在工程实践中广泛采用的优化设计方法,尤其适用于壳单元建模的系统。在白车身中,设计区域内每个单元的厚度都是一个独立的设计变量,其厚度可在某个范围之间连续变化,如图 4 所示。

                  



                               图4 自由尺寸优化的厚度变量

    在本文中,把所有可能进行加强位置的壳单元进行复制作为设计变量,并与原模型共节点,之后设定复制的壳单元的上限为2.0mm,下限为0,初始值为0.05mm。由于此白车身为对称性白车身,故使用补充参数Pattern grouping,使用 1-pln sym方式来控制材料对称变化。最大迭代次数为10次。

 

5.2 优化结果后处理

 

    用 HyperView 查看结果,单独显示作为变量的单元,显示最后一步迭代结果。厚度较大的部位即是我们要加强的位置。

    经过8次迭代结果如图 5 所示。可以看出,门槛梁对白车身弯曲刚度有着最为显著的影响,门槛梁外板由于造型面无法更改,而门槛梁加强板并未起筋条,故对门槛区域的零件结构进行改进。


        


                                 图5 自由尺寸优化迭代结果
          

6 形貌优化

 

6.1 变量设计

 

    因为车身为左右对称设计,以下对只对单边进行图示,另一侧同样处理。取门槛梁内板部分单元(如图6)用于创建设计变量,为减少横梁区域的改动,与横梁连接的单元不作为设计区域,其 变量材料属性与门槛梁内板一致。设置筋条属性,最小宽度25mm,角度60deg,高度9mm,筋条走向为整车坐标系X方向。以门槛梁最大位移的节点的 Z 向位移为约束,以质量最小为定义目标。


                                       

图6   变量设计区域

6.2形貌优化结果

 

    形貌优化结果如图7 所示,在红色的部位起9mm高的筋条,方向朝向车身内侧,从out 文档中可以看出,整体弯曲刚度提高了640N/mm,即弯曲刚度达到14987N/mm。


 

图7   形貌优化结果

 

    使用 HyperMesh自带的Autobead功能,可以快速实现形貌优化结果的网格重建,自动生成的网格具有较好的质量,可以很方便的进行提交计算。同时,使用 OSSmooth 功能可以方便的实现优化结果的几何生成及导出,从而大大提高CAE推动设计改进的效率。使用Autobead功能自动生成的筋条如图 8 所示。



                                图8 门槛梁内板筋条结果

 

    将形貌优化的结果重新提交计算后,计算得到的弯曲刚度值为14927 N/mm,提高了590 N/mm。为使刚度值有一定裕度,将门槛梁内板1.0mm 加厚到1.2mm。此时,质量增加了1.6Kg,整体弯曲刚度提升695N/mm,即弯曲刚度达到15622N/mm,超过了目标值15000N/mm。

 

7 结论

 

    本文对某MPV 白车身整体弯曲刚度进行了仿真分析,其仿真结果为14337N/mm,不满足目标要求。同时还对该数模相对应实车白车身进行整体弯曲刚度试验,试验结果为14728N/mm,仿真结果与试验结果相近,误差仅仅为2.7%。

    本文通过OptiStruct 的自由尺寸优化找出门槛梁是整体弯曲刚度影响最大的局部结构,为此对门槛梁内板进行了结构优化,整体弯曲刚度增加了1285N/mm 的刚度。

本文还表明,除了工作经验之外,利用OptiStruct的各种优化分析组合,可以更好更方便找出结构的薄弱位置,优化薄弱位置,从而以最小的成本达到最大的优化效果。

 

致谢:本文在写作过程中,得到了澳汰尔公司工程咨询部宋晓磊,俞永伟的支持,在此表示感谢。

 

8 参考文献

 

[1] 王望予.汽车设计[M].北京:机械工业出版社,2011 年

[2] Altair Engineering Inc. HyperWorks User’s Manual Version 11.0 [3] 黄金陵. 汽车车身设计[M].北京: 机械工业出版社, 2007.

[4] 李楚琳,张胜兰,冯樱.HyperWorks 分析应用实例.北京:机械工业出版社 2011 年

[5]  洪清泉,赵康,张攀.OptiStruct&HyperStudy  理论基础与工程运用[M].北京:  机械工业出版社,2011.

 

 

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