鷗翼車門組合式優化分析

2016-12-08 by:CAE仿真在線來源:互聯網

鷗翼車門組合式優化分析

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,鷗翼門在結構上具有本身的特殊性。在概念設計階段,運用HyperMesh軟件建立車門的有限元模型,并考察該車門的模態和剛度性能;并用拓撲優化中的變密度法,通過 HyperWorks對車門進行了拓撲與形貌的組合優化分析,最終優化結果在車門質量減少的情況下,使車門的模態和剛度性能均滿足設計要求,達到預期優化效果。

關鍵詞:車門有限元OptiStruct 組合優化

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

Keywords:cardoor,fem,OptiStruct,combinatorialoptimization

1引言

車門是轎車車身設計中十分重要而又相對獨立的一個部件。它作為一個綜合的轉動部件,和白車身一起構成乘員的生存空間,其結構須滿足一定的性能指標。這些指標包括:車門在受到較大下垂力時,不能發生永久變形而導致車門無法關閉;車門在受到外力作用時不應發生扭曲,影響車門的密封性能;開車時,車門不應受到振動而抖動,發出噪聲。這就要求車門結構應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車輛燃油經濟性的重要措施,因此在保證車門較高剛度和低階固有頻率時,又應盡量減少車門質量[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構。針對該車門的結構特點,對其進行了模態分析,求解了車門前5階自由模態的固有頻率及相應振型,為分析車門振動響應作了必要準備。結構的拓撲優化由于其理論和計算上的復雜性而成為結構優化設計中最富挑戰性的研究領域[2]。筆者利用HyperWorks軟件中的OptiStruct模塊可以比較容易的完成參數設置,從而實現轎車車門的拓撲與形貌的組合分析,得到了高剛度、輕質量的設計方案。

2模型及工況

2 .1鷗翼車門結構

與其它類型車門相比,鷗翼車門的結構具有較大的差異性,具體表現如下:

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,在車門開啟狀態時,需要車門與頂蓋連接處的結構能夠承受較大的剛度和強度,普通的結構難以滿足要求;

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,如果結構設計不合理導致模態較低,容易產生抖動噪聲。

2.2分析工況設定

1.模態分析:無約束,自由狀態;

2.扭轉剛度分析

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:分別在門內部的左下角和右下角施加100N的Y向節點力。

3.側向剛度分析

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向節點力。

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向的平動和轉動自由度; 載荷:分別在內外板的腰線位置施加100N的Y向節點力。

3分析結果

3.1模態分析結果

汽車在行駛過程中,發動機運轉、路面不平及高速行駛時的風力等都會引起車門的振動,當這些振源的激勵頻率接近車門的固有頻率,便會發生共振現象,產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之一,其模態特征如表2所示。

該車型搭載的是直列4缸發動機,發動機怠速時二階激振頻率在27Hz左右,而車門的第一階彎曲模態頻率為26.2Hz。因此,車門在發動機怠速激勵下有共振隱患,車門防撞梁局部振動模態頻率為
53.1Hz,低于設計目標值,車門骨架結構與車身及傳動系統之間存在共振的可能性。

3.2剛度分析結果

各工況下,車門的剛度分析結果如表3所示。

通過上述計算結果可看出,該車門的扭轉剛度、腰線剛度低于目標值,側向剛度與目標值持平,
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,所以在不改變設計結構的前提下,通過改變尺寸參數來提高固有頻率是行不通的;只能通過改變設計來提高固有頻率。

4車門的組合式優化分析

拓撲優化可在給定的設計空間內找到最優的材料分布;形貌優化可在鈑金件上找出最佳的加強肋位置和形狀。這里運用有限元軟件OptiStruct對轎車車門進行了拓撲與形貌的組合分析[3]。

4.1問題描述

1) 設計目標:使轎車車門的剛度和模態滿足要求。

2)設計約束:第一階模態頻率的最低要求為30Hz。

3)設計變量:設計空間中單元密度和形狀變化。

4.2優化過程

在OptiStruct中優化分析的主要過程為:

1)設置有限元模型;

2)施加載荷和邊界條件;

3)設置優化參數;

4)提交作業;

5)查看結果及分析。

由于該產品處于概念設計階段,在進行優化時有較大的空間。其中,拓撲優化區域如圖3所示,藍色部分為設計空間,紅色部分為非設計空間(包括安裝孔,鎖扣區域,力加載點,翻邊,鉸鏈)。形貌優化如圖4所示,綠色部分為設計空間,紫色部分為非設計空間。

4.3優化結果

1)拓撲優化分析

拓撲優化分析傳力路徑如圖5所示:

圖5拓撲優化分析傳力路徑圖

2)形貌優化分析

形貌優化分析起筋位置如圖6所示:

4.4改進方案

1)根據拓撲優化結果,車門頂部內板靠近玻璃區域無材料,刪掉車門上部的內部骨架連接板和窗框加強板,如圖7所示;

圖7門框骨架結構修改

2)車門上內板中間區域增加交叉型加強結構,寬度為30mm,如圖8所示;

圖8車門上內板結構修改

3)根據形貌優化結果,對車門內板下部區域進行起筋修改,如圖9所示

圖9車門下內板結構修改

4.5改進結果

采用以上的改進方案,對改進后的車門進行模態、剛度分析,分析結果如表4、表5所示:

從表4、表5可以看出,改進后車門的模態及剛度結果有了一定的提升。模態分析中,車門彎曲模態由26.2Hz提升到35Hz,內板局部振動模態由34.4Hz提升到44.6Hz,均滿足設計目標;剛度分析中,扭轉剛度分別由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,均滿足設計目標。

5結論

1)通過有限有方法,對處于概念設計階段的某款車的車門完成了網格的劃分和模型的創建,并進行了模態和剛度分析,提前預測的車門的模態和剛度性能;

2)通過分析結果發現,部分模態和剛度性能不滿足設計要求,運用OptiStruct優化模塊做了組合式優化設計,得到了剛度高、質量輕的優化方案,使得車門的模態和剛度性能達到設計目標,提高了產品質量并縮短了產品開發周期。

6參考文獻

[1]馮楨,于濤,曾齊福.拓撲優化方法在產品設計中的應用探索[J].機械設計與制造,2007(3):138-139

[2]陳塑寰.結構振動分析的數值方法[M].長春:吉林科學技術出版社,1996

[3]劉慶,侯獻軍.基于HyperMesh/OptiStruct的汽車零部件結構拓撲優化設計[J].裝備制造技術,2008(10):42-44.