基于料厚靈敏度的轎車車身剛度優化

2017-02-16 by:CAE仿真在線來源:互聯網

摘要:轎車車身一般是承載式車身,是汽車的主要受力總成,車身剛度是考察車身性能的非常重要的指標。本文在汽車開發設計階段通過優化軟件OptiStruct進行車身剛度分析,并對車身鈑金進行料厚靈敏度分析,找到車身的薄弱環節,最后通過對車身剛度進行優化,使其滿足目標值要求。

1 前言

轎車一般都采用承載式車身結構,是汽車的主要受力總成,白車身剛度是考察車身性能的非常重要的指標,直接影響整車NVH性能和可靠性性能。因此在轎車開發階段把控好轎車車身剛度,對于提高轎車設計效率和降低開發成本,實現汽車輕量化設計,提高整車性能等都是十分重要的。目前CAE技術廣泛應用于汽車行業,是轎車前期開發把控剛度性能的最重要的手段。汽車車身是一個有幾百個到上千個零部件組成復雜結構,在設計階段需要反復修改和優化,采用靈敏度分析可以找到車身結構的薄弱環節,有針對性的進行車身結構修改,從而避免車身設計修改的盲目性,同時它也是車身結構優化的基礎。

某轎車白車身為研究對象,使用HyperMesh軟件建立白車身有限元模型,用OptiStruct軟件對車身結構進行剛度分析,并通過車身剛度料厚靈敏度分析,找到車身的薄弱環節,通過對車身薄弱環節的優化,提高了車身的彎曲和扭轉剛度,通過優化,車身的彎曲和扭轉剛度滿足設計目標,很好的完成了白車身剛度管控。提高了整車的性能。

2 白車身有限元模型

HyperMesh軟件對導入其中的白車身幾何模型進行分組,抽中面,幾何清理(修補缺失面、壓縮邊、去倒角倒圓、建立washer孔等),選擇合適的單元類型和材料類型,對車身結構進行網格劃分,其中車身鈑金結構、風擋玻璃等部件采用四邊形單元為主,三角形單元為輔的shell單元模擬,焊點采用ACM單元類型進行模擬,焊縫采用剛性單元模擬,粘膠用實體單元模擬,共541851個單元,按照網格質量要求進行質量檢查,對不滿足質量要求的單元進行修改,使其滿足網格質量管控要求,并檢查單元自由邊和單元法向,材料采用統一各項同性本構材料。最后按照BOM表,賦予車身結構正確的材料屬性及正確無誤的厚度信息。白車身有限元分析模型見圖1。

圖1轎車車身有限元模型

3 車身剛度料厚靈敏度分析

3.1 車身結構料厚剛度靈敏度理論的理論簡介

目前,車身結構彎扭剛度靈敏度廣泛的應用于概念轎車車身彎曲、扭轉剛度分析、設計階段車身剛度優化以及車身的減重分析過程中,靈敏度主要指剛度及模態對零部件料厚的靈敏度,包括車身剛度對料厚和材料的靈敏度,模態頻率對料厚的靈敏度,以及車身重量對料厚的靈敏度。其中車身結構的剛度可以表示為:

從式子(3)可以看出,厚度靈敏度與初始厚度相關。OptiStruct使用Dresp2卡片可以直接通過位移定義彎曲和扭轉剛度,從而直接求解車身彎曲和扭轉剛度的靈敏度。

3.2 車身剛度靈敏度分析的三要素

設計目標:以白車身的整體質量最小為優化目標,需要定義總質量響應Dresp1卡片,標識為mass,即把重量響應定義為靈敏度分析的目標。設計變量:以車身零件的厚度為設計變量,需要用desvar定義尺寸變量的初始值,上限值和下限值,并使用dvprel卡片與shell單元厚度關聯起來。其中初始值通常設置為shell單元的厚度值。因為靈敏度和shell單元厚度的初始值相關,因此需要正確定義。厚度t與變量var的關系為

。通常設置C0=0,C1=1,其余Ci為0。對于車身的對稱部件,建議采用同一個變量。這樣可以確保車身對稱件厚度相同。并且減少設計變量,從而減少計算時間,提高計算的效率。

約束條件:彎曲剛度≥設計目標值,扭轉剛度≥設計目標值,對于靈敏度分析,目標值的大小沒有意義,做優化時,設計目標值才是有意義的,約束的定義需要使用dconstr卡片,并與定義剛度的dresp2關聯。

3.3 車身剛度的靈敏度分析

通過式(2)計算節點位移相對于零件的料厚參數變化的靈敏度,再通過節點位移和車身剛度之間的聯系,進而得到車身彎曲扭轉剛度的靈敏度。彎曲和扭轉靈敏度計算分析結果如圖2、3所示。圖2中分別用顏色和柱狀圖表示車身部件的彎曲剛度靈敏度,根據圖2可以清楚看出,彎曲剛度靈敏度大的部件為門檻梁、門檻梁加強板,后縱梁、B柱、后縱梁加強板等,即改變這些部件的厚度,會導致車身結構彎曲剛度的顯著改變。根據圖3可以清楚看出,扭轉剛度靈敏度大的部件為背門框、后縱梁、B柱、后縱梁加強板、備胎、后地板加強板等,即改變這些部件的厚度,會顯著改變車身結構彎曲剛度。

圖2單位質量的彎曲剛度靈敏度

圖3單位質量的扭轉剛度靈敏度

4 車身剛度優化

根據車身彎曲、扭轉剛度的單位質量的靈敏度結果,很容易找到車身結構的設計弱點,并且通過單位質量的靈敏度,可以有效的提高材料利用率。

車身彎曲、扭轉剛度優化的過程大致如下:首先找到車身結構的弱點,車身彎扭剛度靈敏度大的部件,查看此部件結構的應變能比較集中的位置。其次對這些位置進行局部加強,結構局部加強可以從增大局部的空腔面積、增加焊點、焊縫、結構膠;增加結構搭接,外部增加加強件,空腔內部加強件,優化結構的加強筋布置;增加零部件的料厚等。下面是列舉一些優化方案。

方案1:門檻梁下移10mm,彎曲剛度提高8%,,扭轉剛度提高3%,如圖4所示。

方案2:將后地板橫梁變形,橫梁中部向尾部拉,使其形狀由“一”變成拱型,扭轉剛度提高5%,彎曲剛度提高2%;如圖5所示。

方案3:背門框加厚,扭轉剛度提高10%,彎曲剛度提高1%,如圖6所示。

方案4:輪轂包延長,并建立搭接關系,扭轉剛度提高5%,彎曲剛度提高1%,如圖7所示。