摘要: 基于Altair HyperWorks软件的OptiStruct模块，应用拓扑优化分析进行车门铰链的优化，应用形貌优化进行车门内蒙皮的设计，应用尺寸优化确定板材的厚度。达到满足车门刚度性能，降低成本的目的。

1 概述

车门主要用于隔绝车外噪声，并对来自外部冲击进行缓冲，以保证乘客的安全性和舒适性，因此需要对车门的刚度和模态有一定的要求。

车门垂直刚度分析是模拟在车门打开一定角度状态下，由于人员上下以及人员利用车门支撑身体而产生的垂直载荷作用下，能够保持一定的抵抗变形的能力。车门的铰链是影响车门垂直刚度的主要部件，通过对铰链的优化可以提高车门的垂直刚度，满足汽车正常使用的需要。

汽车设计中各个部件的模态需要满足一定的设计要求，以避免各个零部件之间的共振。车门的内蒙皮是车门一阶模态的主要贡献部件，对车门内蒙皮的优化可以有效提高车门的一阶模态，满足乘客舒适性的要求。

随着原材料价格的上涨各公司成本压力越来越大，如何在满足设计目标的前提下减低成本成为各汽车企业关心的问题。通过尺寸优化确定板材的厚度，给设计部门提供一个优化设计的空间是CAE工程师的任务之一，通过对料厚的优化，可以在提高车门结构性能的同时降低成本。

2 基础分析

2.1 有限元模型的建立

利用HyperMesh根据设计部门提供的CAD模型对车门及铰链进行有限元模型的建立：车门采用shell单元进行网格划分、铰链采用体单元进行网格划分、铰链轴采用BAR单元进行模拟、焊点采用CWELD单元进行模拟、粘胶采用实体单元进行模拟。有限元模型如图1所示：

结点数和单元数、质量见表1。

2.2 材料与属性

计算中所使用的材料参数如下：

合金钢的材料参数：

弹性模量：210GPa

材料密度：7.85e+3kg/m3

泊松比：0.3

长度单位为：mm

2.3车门垂直刚度分析

2.3.1 边界条件

车门垂直刚度分析约束车门铰链车身连接螺栓123456自由度，约束车门锁销2自由度，在车门锁销处沿垂直方向施加1000N的载荷，如图2所示:

2.3.2 计算结果

测量加载点位移，如表2所示：

2.4 车门自由模态分析

2.4.1 边界条件

模态分析为自由模态，无约束载荷。

2.4.2 计算结果

3 优化分析

3.1车门铰链优化

3.1.1 建立模型

只考虑铰链部件的优化，为了增加计算速度，车门部分用刚性单元代替，建立简易模型如图5所示：

图5 车门垂直刚度分析简易模型

3.1.2分析计算

在1000N载荷下加载点沿加载方向位移为1.185mm，固定铰链质量为0.5762Kg。

3.1.3优化分析

将固定铰链厚度由5mm改为7mm，以固定铰链为拓扑优化组，优化固定铰链厚度，其中最小厚度值可以达到3.5mm。以加载点沿加载方向位移小于1.185mm为约束，以固定铰链体积最小为目标进行优化分析。

3.1.4优化设计

从优化结果我们可以看出红颜色区域对结构的刚度贡献较大，蓝颜色区域贡献较小，那么我们需要增加红颜色区域厚度，降低蓝颜色区域厚度，优化前后的铰链对比如图8：

*图中黄色表示厚度为5mm，红色表示厚度为3.5 mm，蓝色表示7mm

3.1.5结果对比

3.1.6实体模型

分析铰链采用实体单元建模，所以将优化方案在实体模型中进行修改对比：

3.1.7校核

优化后实体建模铰链替换原设计铰链进行车门垂直刚度分析,计算结果如表6所示:

3.2内蒙皮优化

车门的内蒙皮是车门一阶模态的主要贡献部件，对车门内蒙皮的优化可以有效提高车门的一阶模态

3.2.1确定优化区间

车门内蒙皮的设计首先要满足安装附属件的需要，对安装附属件的空间确定后，对仍然平整区域进行加强筋设计，提高内蒙皮的刚度，满足舒适性要求。最初设计内蒙皮如图10：

去除原有加强筋，将可以进行冲筋区域平整，进行优化及加强筋布置区域如图11所示：

3.2.2优化分析

选取可以进行优化分析区域为设计变量，以20mm为最小起肋宽度、60度为起肋角、4mm为起肋高度进行冲筋参数设置。以车门的一阶模态大于45Hz为目标值进行优化。得到优化后的加强筋分布图：

3.2.3重新设计

按照优化得到的加强筋分布图重新对加强筋进行设计，如图13所示：