基于扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析的某車型輕量化設(shè)計(jì)

2017-02-27 by:CAE仿真在線來源:互聯(lián)網(wǎng)

1 引言
據(jù)統(tǒng)計(jì),汽車每減輕其總質(zhì)量的10%, 燃油消耗量可降低6% ~ 8% ,降低排放5% ~ 6% [ 1]。車身是汽車的重要組成部分,其重量約占整車重量的50% , 對(duì)車身結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)能夠有效降低汽車自重。作為輕量化的重要手段和工具,文獻(xiàn)[ 2-7]以靈敏度為手段,車身厚度為設(shè)計(jì)變量,以車身重量最小為優(yōu)化目標(biāo),以車身剛度、模態(tài)頻率為約束條件,進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),實(shí)現(xiàn)有效減重。

本文以某車型白車身為例,應(yīng)用Altair公司的優(yōu)化設(shè)計(jì)軟件OptiStruct,以扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析為基礎(chǔ)并應(yīng)用優(yōu)化算法,在重點(diǎn)保證白車身扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)性能的前提下,以車身質(zhì)量的最小化為目標(biāo),通過優(yōu)化各車身零件的厚度,實(shí)現(xiàn)減重31 Kg,同時(shí)扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率均有一定程度的提高,最后應(yīng)用輕量化系數(shù)進(jìn)行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評(píng)價(jià)。

2 仿真理論

2.1 靈敏度基本原理

車身結(jié)構(gòu)分析中的靈敏度分析是分析車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)uj(即設(shè)計(jì)目標(biāo))的變化對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

參數(shù)xi變化的敏感性,其敏感性定義為[ 8]
Sen(uj/xi)=euj/exi………………………………………………………………………………(1)

OptiStruct軟件中的靈敏度分析是利用其設(shè)計(jì)優(yōu)化模塊提供的優(yōu)化方法中的梯度評(píng)估工具進(jìn) 行的,利用此工具可以計(jì)算目標(biāo)函數(shù)對(duì)設(shè)計(jì)變量在某一參考點(diǎn)處的梯度并利用計(jì)算差商來代替的,即可求得靈敏度[2]:
Sen(uj/xi)=euj/exi= {uj(X+?xi*e)- uj(X)}/ ?xi…………………………………………(2)
式中,uj 是車身結(jié)構(gòu)性能參數(shù)(目標(biāo)函數(shù)),X是由參考點(diǎn)的所有車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)組成的向量, xi是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù),?xi是車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)的變化值,e為與X同維數(shù)的向量,且與xi對(duì)應(yīng)的元素為1,其余元素為0。
2.2 優(yōu)化數(shù)學(xué)模型
基于車身結(jié)構(gòu)剛度和固有頻率的優(yōu)化問題數(shù)學(xué)模型為[ 9]:

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變量的下限值與上限值;G ( x, u( x ) ) 為車身輕量化目標(biāo);Gi ( x, u ( x) ) 為剛度、固有頻率的不等式
約束;N為基于剛度和固有頻率設(shè)計(jì)優(yōu)化過程中子系統(tǒng)數(shù)目;S( x, u( x ) ) 為系統(tǒng)分析方程;u ( x ) 為系統(tǒng)分析方程確定的狀態(tài)方程。在車身輕量化設(shè)計(jì)中,根據(jù)N個(gè)子系統(tǒng)確定剛度與固有頻率之間的關(guān) 系,分析計(jì)算目標(biāo)函數(shù)、狀態(tài)變量、約束條件等,實(shí)現(xiàn)車身的輕量化設(shè)計(jì)。

3 有限元仿真建模

利用HyperMesh 前處理建立某車型白車身有限元模型,采用acm單元模擬車身實(shí)體焊點(diǎn),采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分,車身有限元模型如圖1所示,其中單元總數(shù)為680257個(gè),四邊形單元591092,三角形單元1747個(gè),三角形比例為2.87%,焊點(diǎn)總數(shù)為6557個(gè)。鈑金材料屬性: 鋼(Steel),彈性模量(E)=210000MPa,泊松比=0.3,密度=7.9g/mm3。

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4 扭轉(zhuǎn)剛度及靈敏度計(jì)算

白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度作為白車身性能評(píng)價(jià)指標(biāo)中比較重要的一種,用于反映白車身結(jié)構(gòu)最基本的靜態(tài)特性。因?yàn)槠囆旭傔^程中受到車輪作用而產(chǎn)生整車扭轉(zhuǎn)的情況非常普遍,因而白車身抗扭能力大小,直接影響到白車身疲勞壽命及白車身的舒適性。扭轉(zhuǎn)剛度評(píng)價(jià)指標(biāo)一般包括扭轉(zhuǎn)角、前風(fēng)窗翹曲度、前中、尾門門框?qū)蔷€變化量等。

4.1 扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算及結(jié)果
1)邊界條件
分別約束白車身左右后懸架彈簧支座位置13、123 平動(dòng)自由度,并約束前防撞梁中心Z向平動(dòng)自由度;載荷條件為在左右前懸架彈簧支座位置施加大小相等、方向相反的垂力7350N,施加扭矩為前軸許用軸荷,扭轉(zhuǎn)剛度計(jì)算計(jì)算公式如下:

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2)計(jì)算結(jié)果

通過公式(2)得到前懸相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為0.726 deg,通過公式(1)得到扭轉(zhuǎn)剛度為11472N·m/deg, 其左前縱梁扭轉(zhuǎn)位移曲線圖見下圖:

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4.2 靈敏度計(jì)算及結(jié)果
結(jié)構(gòu)靈敏度是指所關(guān)注的結(jié)構(gòu)性能指標(biāo)對(duì)某些結(jié)構(gòu)參數(shù)的變化梯度[10],白車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析是車身扭轉(zhuǎn)剛度的變化對(duì)車身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)參數(shù)變化的敏感性。除了扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度外,為了更加有效地反映車身鈑金單位厚度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的靈敏度,進(jìn)行了歸一化處理,得到扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度,即扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度與質(zhì)量靈敏度的比值,它主要體現(xiàn)了厚度對(duì)扭轉(zhuǎn)剛度的貢獻(xiàn)效率。扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度有正負(fù)號(hào)之分,由于質(zhì)量靈敏度為正,所以其符號(hào)與扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度一致。扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度正值表示結(jié)構(gòu)響應(yīng)位移的變化與板件厚度變化具有相同的趨勢(shì),負(fù)值表示相反的趨勢(shì)。
靈敏度計(jì)算的設(shè)計(jì)變量為車身板料厚度屬性,本文進(jìn)行了對(duì)稱處理,即左右對(duì)稱件放入一個(gè)部件中,減少變量數(shù)量,提高計(jì)算效率,便于排序處理。計(jì)算中共選取了73個(gè)零件,以車身的初始設(shè)計(jì)厚度為初值,設(shè)置變量變化范圍 ± 50%。響應(yīng)函數(shù)為左右前懸架中心點(diǎn)對(duì)應(yīng)的大梁上中心測(cè)點(diǎn)的Z向位移絕對(duì)值平均值d和白車身全局質(zhì)量。約束函數(shù)為將約束d定義在一定范圍內(nèi)。目標(biāo)函數(shù)設(shè)為白車身重量最小。

由于篇幅所限,僅列舉了某車型扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度前5位和后5位的零件及數(shù)值:

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5 輕量化設(shè)計(jì)
5.1 輕量化評(píng)價(jià)和技術(shù)手段

車身結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)是應(yīng)用優(yōu)化設(shè)計(jì)的方法。在保證車身結(jié)構(gòu)性能要求的前提下, 提高材料的利用率,減少冗余的材料,從而達(dá)到車身結(jié)構(gòu)輕量化的目的[9]。寶馬汽車公司的Bruno Ludke提出了車身輕量化系數(shù)的概念,該系數(shù)可用下式表示[10]:
L=m/(Ct*A) …………………………………………………………………………………(9)
式中m為白車身的結(jié)構(gòu)質(zhì)量(不包括車門和玻璃),單位為kg;Ct為白車身靜態(tài)扭轉(zhuǎn)剛度(包括前擋玻璃),N·m/deg;A為左右輪邊寬度與軸距的乘積所得的面積,單位為m2;L為車身輕量化系數(shù)。

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從該公式可以看出,該系數(shù)為評(píng)價(jià)基于扭轉(zhuǎn)剛度的車身輕量化水平,主要用于車身結(jié)構(gòu)類似的車型扭轉(zhuǎn)剛度對(duì)標(biāo)。從該式還可延伸到基于彎曲剛度、一階模態(tài)評(píng)價(jià)等,本文基于此進(jìn)行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評(píng)價(jià)。

概念階段的輕量化設(shè)計(jì),一般運(yùn)用拓?fù)鋬?yōu)化、形貌優(yōu)化、自由尺寸優(yōu)化、形狀優(yōu)化等一種手段或多種手段相結(jié)合指導(dǎo)來改進(jìn)車身結(jié)構(gòu)。在詳細(xì)設(shè)計(jì)階段,由于車身結(jié)構(gòu)框架基本成型,在不大幅修改模具的前提下很難進(jìn)行大的結(jié)構(gòu)更改,因而此階段進(jìn)行厚度靈敏度優(yōu)化是一種有效的、成本較小的輕量化手段。在保證車身結(jié)構(gòu)性能的前提下,通過對(duì)車身板件厚度的重新合理調(diào)整分配,實(shí)現(xiàn)車身輕量化。

本文就是基于扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析,進(jìn)行了厚度優(yōu)化,從而實(shí)現(xiàn)減重設(shè)計(jì)。

5.2 輕量化方案
對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度大的板件,進(jìn)行增厚處理;對(duì)于扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度小的板件,進(jìn)行減薄處理。厚度靈敏度優(yōu)化一般還需要綜合考慮扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度和扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度。對(duì)于某些質(zhì)量靈敏度貢獻(xiàn)較大,扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度小的板件在保證性能的前提下進(jìn)行減薄,質(zhì)量減重較多,不過考慮到這類板件一般比較大,需要特別注意校核板件上的局部剛度或強(qiáng)度問題。厚度靈敏度優(yōu)化直接得到的結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一些零件的板厚含有多位小數(shù),一般取小數(shù)點(diǎn)后一位有效數(shù)字進(jìn)行修正。不過由于各汽車企業(yè)沖壓薄板鋼規(guī)格有一定差異,并且考慮到一些車型車身鈑金的共用問題,還需企業(yè)根據(jù)現(xiàn) 有的板材規(guī)格進(jìn)行有選擇的應(yīng)用。

本文基于扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度對(duì)73個(gè)零件進(jìn)行了厚度優(yōu)化,對(duì)于靈敏度排名靠前的零件一般進(jìn)行加厚處理,而對(duì)于排名靠后的零件一般進(jìn)行減薄處理,篇幅所限,僅列舉了前5位和后5位的零件厚度原始值和優(yōu)化值:

表3 扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度前10位的零件厚度及優(yōu)化值

編號(hào)

零件名稱

原始厚度

優(yōu)化厚度

1	前護(hù)板	0.8	1.2
2	D 柱下角板	1.5	1.8
3	后護(hù)板(左)	1	1.2
4	后門框上邊梁內(nèi)板	0.8	1
5	尾端橫梁后板	1	1.2

表4 扭轉(zhuǎn)剛度相對(duì)靈敏度后10位的零件厚度及優(yōu)化值

編號(hào)	零件名稱	原始厚度	優(yōu)化厚度
69	油底殼護(hù)板	1.8	1.5
70	頂蓋前橫梁	0.8	0.7
71	上彎梁外件	1.2	1
72	頂蓋橫梁 1	0.8	0.7
73	上彎梁內(nèi)件	1.2	1

5.3 輕量化結(jié)果

該車型輕量化設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)減重31 Kg,質(zhì)量減輕6.94%。優(yōu)化后白車身扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形變形模態(tài)頻率分別提高4.4%和15.7%?；谂まD(zhuǎn)剛度的輕量化系數(shù)從8.4降低到7.5,基于一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài) 的輕量化系數(shù)從4.8降低到3.8。優(yōu)化后還分別進(jìn)行彎曲剛度、強(qiáng)度、安全校核。車身前彎、后彎剛度分別下降2.42%和7.95%,這是由于厚度優(yōu)化主要基于扭轉(zhuǎn)剛度的,扭轉(zhuǎn)剛度和門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率的提升是在犧牲彎曲剛度的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的。不過對(duì)于本文車身承載結(jié)構(gòu)而言,更關(guān)注扭轉(zhuǎn)剛度性能, 優(yōu)化后的彎曲剛度仍然滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。強(qiáng)度方面,輕量化對(duì)整體的應(yīng)力狀態(tài)影響不大,并且對(duì)部分高應(yīng)力區(qū)還有一定改善。

該車型輕量化后經(jīng)過軟工裝可靠性試驗(yàn)、安全碰撞試驗(yàn)等驗(yàn)證,滿足設(shè)計(jì)要求,說明減重是有效的。

6 結(jié)語
(1) 本文以某車身扭轉(zhuǎn)剛度靈敏度分析為基礎(chǔ),應(yīng)用車身結(jié)構(gòu)優(yōu)化算法,通過對(duì)車身部分零件的厚度進(jìn)行優(yōu)化, 實(shí)現(xiàn)車身輕量化優(yōu)化設(shè)計(jì),并通過試驗(yàn)驗(yàn)證。
(2) 該車型輕量化設(shè)計(jì)減重31 Kg,輕量化后扭轉(zhuǎn)剛度和尾門框菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率分別提高4.4%
和15.7%,車身前彎、后彎剛度分別下降2.42%和7.95%,均滿足設(shè)計(jì)目標(biāo)要求。
(3) 根據(jù)寶馬公司輕量化系數(shù)概念進(jìn)行了擴(kuò)展,并進(jìn)行了基于扭轉(zhuǎn)剛度和一階菱形扭轉(zhuǎn)模態(tài)的輕量化評(píng)價(jià)。采用OptiStruct軟件對(duì)白車身進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì),可以在滿足性能的同時(shí)實(shí)現(xiàn)減重, 該方法簡便有效,可廣泛應(yīng)用于同類結(jié)構(gòu)的輕量化設(shè)計(jì)。
致謝:本文在寫作過程中,得到了澳汰爾公司工程咨詢部盧大平,李穎琎的支持,在此表示感謝。

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