HyperWorks在車身結構膠優化中的應用

2016-09-27 by:CAE仿真在線來源:互聯網

HyperWorks 在車身結構膠優化中的應用

HyperWorks Application In Body Structural Adhesive Optimization

王宇飛
(陶氏化學(中國)投資有限公司汽車系統事業部上海 201203)

摘要:結構膠連接在汽車制造中可以起到輔助車身增強的作用,可有效提高車身剛度、碰撞安全性以及耐疲勞性。本文以結構膠對某白車身的靜態剛度提升為例,首先采用 HyperMesh 前處理器及 RADIOSS 求解器搭建了靜態剛度計算模型,并利用 OptiStruct 的拓撲優化技術針對剛度工況對結構膠的位置進行優化,根據優化結果確定最優應用位置,從而為主機廠客戶提供最優性價比的方案。關鍵詞:車身剛度結構膠拓撲優化 HyperWorks

Abstract: Structural adhesive, as a key joining technology in modern car body, can play a significant role in body enhancement including stiffness, crash safety, and fatigue resistance improvement. In this paper, structural adhesive is designed to improve the static body stiffness. HyperMesh pre-processor and RADIOSS solver are used to build a static stiffness finite element model and baseline result firstly. Then, OptiStruct is employed for topology optimization in order to find the most sensitive structural adhesive locations of stiffness improvement. Accordingly, the best cost-effective structural adhesive solution is provided to automotive OEMs.

Key words: body stiffness, structural adhesives, topology optimization, HyperWorks

1 概述

車身結構膠誕生于二十世紀九十年代,由 BMW,Daimler 公司與陶氏化學公司合作開發,首先用在 Daimler 車身上,用于提升車身剛度、防撞性和耐久性。與單純的點焊連接相比,結構膠連接或結構膠和點焊的混合連接可以提供更高的剪切和剝離強度。近年來,隨著輕量化要求的不斷提高, 陶氏化學 BETAMATE?結構膠系列產品更是用來實現鋁、鎂合金等輕金屬及復合材料與傳統車身連接的重要途徑[1-7]。

傳統的車身連接翻邊長度大約在 100 到 160 米之間,出于成本和性能之間的平衡,除部分高端車型采用全鋁車身或復合材料車身采用結構膠作為連接手段外,傳統的鋼制車身,根據設計需要, 其用膠量通常在 20 至 60 米之間,并且隨著各汽車廠對結構膠連接優勢及使用方法的理解和消化, 其用量有逐年提升的趨勢。本文以采用陶氏 BETAMATE?結構膠提升車身靜剛度為例,敘述了如何采用 HyperWorks 軟件[8]進行結構膠設計,以最少的材料成本達到最優的性能提升。

2 車身剛度的有限元模型及計算結果

在前處理中,采用 HyperMesh 建立車身的靜扭轉剛度及靜彎曲剛度的有限元模型。車身靜剛度的計算方法有很多,這里采用較為常見的一種方法。其中,扭轉剛度采用慣性釋放法計算,在前后減震器支架處各加載反對稱的力矩M,如圖 1(a)所示,其扭轉剛度值的計算公式如下:

結構膠在車身中的采用 3D 實體單元,利用 HyperMesh 中的 2D-Connector 面板可以行之有效的在車身翻邊中添加結構膠單元,結構膠單元在車身上的位置如圖 2 所示,此處針對所有適合加膠的位置均建立了結構膠的有限元模型,長度約為 132m。

所有的計算均采用 RADIOSS 求解器,后處理軟件為 HyperView,得出考察點的位移后依據上述公式得到靜扭轉剛度和靜彎曲剛度,并根據不同工況進行對比。表 1 給出了帶有結構膠的剛度結果與未加結構膠的剛度結果的比較。由表中可見,在車身翻邊處采用結構膠連接后,其扭轉剛度提升約 2.34 kN·m/deg,彎曲剛度也有 1.30 kN/mm 的提
升。

3 結構膠拓撲優化及結果

由于車身車間工藝所限以及主機廠設計成本的約束,我們需要對結構膠的施工位置進行優化, 以采用最少的結構膠達到最佳的效果。HyperWorks 的拓撲優化功能提供了很好的解決方案。優化分別針對扭轉剛度和彎曲剛度進行,可在一個輸入文件中設定不同的子分析步,并根據主機廠的設計要求對扭轉剛度和彎曲剛度設定相應的權重。優化計算后,輸入的 h3d 文件由 HyperView 后處理器讀取,選取最后的迭代步,查看結構膠單元的單元密度,如圖 3 所示。

對于該車身而言,在前艙、C 立柱下接頭及行李箱支架處涂結構膠對提升扭轉剛度有幫助,在門檻梁、B 立柱、后縱梁及前后地板交接處加結構膠對提升彎曲剛度有幫助,鉸鏈柱和后輪罩及后減震器支座處的結構膠對彎扭剛度都有貢獻。圖 4 給出了基于以上分析結果的涂膠建議圖。表 2 同時給出了圖 4 中的涂膠方案的車身剛度計算結果。此方案中,所有結構膠線長度總和約為 40m,相對總長度 132m,減少了約 70%的膠線長度,而剛度值下降幅度并不明顯,仍將扭轉剛度值控制在主機廠要求的 25 kN·m/deg 以上,達到了設計要求。

4 結論

(1) 陶氏結構膠產品可有效提高車身剛度,借此提升車輛的 NVH 性能及駕乘體驗。

(2) 借助 HyperWorks 的拓撲優化技術,可去除高達 70%的材料使用成本,以達到最佳的性價比,實現主機廠與供應商的之間的雙贏。(BETAMATE? 是陶氏化學公司的注冊商標)

5 參考文獻

[1] Lutz, A, Symietz, D. Innovative structural adhesive approach for car manufacturing. In: Auto
Technology 3 (2003), No. 5, pp. 42–46.

[2] Pfestorf M. Multi-material light weight design for the body in white of the new BMW7 series, International Conference “Innovative Developments for Lightweight Vehicle Structures”, Conference Proceedings, 26th-27th May, 2009, Wolfsburg, Germany.

[3] Mlekusch B, Elsasser H, Audi – the new A6, EuroCarBody 2011,13th Global Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.

[4] Cha S, Seo S, Chang I S, Hyundai – the new i40, EuroCarBody 2011,13th Global Car Body Benchmarking Conference, Conference Proceedings,18th-20th October, 2011, Bad Nauheim, Germany.

[5] Symietz D, Lutz A. Structural Bonding in Automobile manufacturing: Properties, applications and performance of a new bonding technique, SV corporate media GmbH, 2007.

[6] 王宇飛, 楊曉軍, Mansour M. 結構膠工程模型在車身輕量化上的實踐, 2011 中國汽車輕量化技
術研討會報告集,2011 年 9 月,重慶.

[7] 楊曉軍. 結構膠與汽車輕量化,2010 中國汽車輕量化技術研討會報告集,2010 年 9 月,蕪湖. [8] Altair HyperWorks 使用手冊.