1 引言

    近年來(lái)，資源問(wèn)題、環(huán)境問(wèn)題日益突出，而汽車作為與這些問(wèn)題息息相關(guān)的因素之一，節(jié)能微排就成了汽車工業(yè)義不容辭的責(zé)任。因此，汽車輕量化已經(jīng)成為汽車技術(shù)發(fā)展中一個(gè)非�；钴S的研究課題。目前實(shí)現(xiàn)汽車輕量化的主要途徑有優(yōu)化汽車結(jié)構(gòu)、采用新工藝和使用輕質(zhì)材料。其中優(yōu)化汽車的結(jié)構(gòu)是技術(shù)最成熟、應(yīng)用最廣泛、效果最明顯的途徑。本文在已知車門(mén)仿真性能的基礎(chǔ)上對(duì)車門(mén)結(jié)構(gòu)完成了拓?fù)鋬?yōu)化，并對(duì)車門(mén)各零件進(jìn)行厚度優(yōu)化，從而得到了最終的輕量化方案。最后仿真對(duì)比分析了原車門(mén)和新車門(mén)的剛度性能和模態(tài)性能，結(jié)果證明了此輕量化方案的可行性。

2 車門(mén)的輕量化

    2.1 剛度及模態(tài)目標(biāo)的初步確定

    表1列出了車門(mén)的七個(gè)初始剛度的性能均符合某公司的標(biāo)準(zhǔn)，但各剛度極度不平衡，可能會(huì)導(dǎo)致局部變形過(guò)大的問(wèn)題。剛度目標(biāo)的確定，就是要協(xié)調(diào)各剛度值，在保證車門(mén)性能基本不變的情況下，適當(dāng)減弱剛度較好的剛度值，提高較差的剛度值，使得車門(mén)整體結(jié)構(gòu)均勻、平衡。

    相比其他車型的車門(mén)，下垂剛度處于中等水平，因此目標(biāo)與初始狀態(tài)保持一致。而上扭剛度明顯較好，離標(biāo)準(zhǔn)有充裕的盈余，因此可以適當(dāng)減弱；而下扭剛度則相對(duì)較差，需要提高。窗框中部剛度剛好滿足要求，有待提高，而角部工況可以適當(dāng)減弱；外板帶線剛度也處于中等水平，目標(biāo)與初始狀態(tài)保持一致，而內(nèi)板帶線剛度則太好，有較大的減弱空間。

    車門(mén)模態(tài)中最重要的是整體彎曲和整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)，這兩階模態(tài)代表了車門(mén)整體抗彎抗扭的能力。本文也只取這兩階模態(tài)作為約束。但考慮到減重可能會(huì)降低模態(tài)的頻率值，因此目標(biāo)定在初始值水平。表1 列出了各剛度值和模態(tài)值的初步目標(biāo)值。

表1 車門(mén)各性能及目標(biāo)值

    2.2 建立拓?fù)鋬?yōu)化模型

    在不改變車門(mén)原結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì)。原則是在保證剛度、模態(tài)基本不變的前提下，計(jì)算得出對(duì)車門(mén)性能貢獻(xiàn)較小的零件。

    一般情況下，車門(mén)的鉸鏈?zhǔn)枪潭ǖ�，不考慮優(yōu)化；車門(mén)外板厚度因需滿足抗凹等要求，也不考慮優(yōu)化；外板防撞板因側(cè)碰要求也不考慮優(yōu)化；車門(mén)功能件如玻璃導(dǎo)槽、升降器安裝板及其連接件等也不參與優(yōu)化。因此設(shè)定拓?fù)鋬?yōu)化空間為圖1和表2所示各零件。設(shè)定優(yōu)化單元類型為殼單元。

圖1 參與拓?fù)鋬?yōu)化的零件圖

表2 可以優(yōu)化的零件

    系統(tǒng)響應(yīng)的設(shè)定。本模型的響應(yīng)有10個(gè)，其中剛度7個(gè)工況對(duì)應(yīng)7個(gè)靜態(tài)位移的響應(yīng)，2個(gè)模態(tài)對(duì)應(yīng)的頻率響應(yīng)，最后為車門(mén)總質(zhì)量響應(yīng)。

    優(yōu)化約束的設(shè)定。本模型共設(shè)置了9個(gè)約束，其中7個(gè)剛度工況約束，2個(gè)模態(tài)頻率約束。需注意的是：為保證比較明顯的優(yōu)化效果，約束值的設(shè)定應(yīng)大于分析得出的最大位移量，各約束的值如表3所示。

表3 拓?fù)鋬?yōu)化約束值

    優(yōu)化目標(biāo)的設(shè)定。拓?fù)鋬?yōu)化的目的是對(duì)車門(mén)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因此本模型的優(yōu)化目標(biāo)設(shè)定為車門(mén)總質(zhì)量最小。

    在HyperMesh里完成拓?fù)鋬?yōu)化模型的前處理后，將模型遞交Optistruct求解器進(jìn)行優(yōu)化計(jì)算。

    2.3 拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果

    用HyperView察看拓?fù)鋬?yōu)化的密度分布圖。下列均隱藏了不參與優(yōu)化的零件。

    從圖2可以看出，內(nèi)板上密度分布相對(duì)較均勻，且密度分布基本在0.5以上，密度在0.2以下的區(qū)域不多，減重空間不大。

圖2 優(yōu)化后內(nèi)側(cè)圖

    從圖3則可以看出，區(qū)域1和區(qū)域2的密度較低，兩個(gè)區(qū)域的密度分布大多在0.25以下，是可以挖孔或者減薄的地方。其中內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板整塊板上的密度分布都較少，僅有少量區(qū)域密度分布較多(如圖4所示)，因此，此零件是輕量化重點(diǎn)零件，可以嘗試取消此零件，或者進(jìn)行大范圍挖孔。鉸鏈加強(qiáng)板的密度分布如圖5所示，下鉸鏈安裝板密度分布如圖6所示，根據(jù)云圖，可以適當(dāng)減小這兩個(gè)零件的尺寸或者厚度。

圖3 優(yōu)化后外側(cè)圖

圖4 內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

圖5 鉸鏈加強(qiáng)板拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

圖6 下鉸鏈安裝板拓?fù)鋬?yōu)化密度云圖

    從拓?fù)鋬?yōu)化結(jié)果來(lái)看，具有大的減重空間的零件為門(mén)把手加強(qiáng)板、外板加強(qiáng)板、內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板、鉸鏈加強(qiáng)板和下鉸鏈安裝板。實(shí)際上，門(mén)把手加強(qiáng)板是加強(qiáng)門(mén)把手處的局部剛度，不可取消，只可進(jìn)行厚度優(yōu)化。鉸鏈加強(qiáng)辦、外板加強(qiáng)板、下鉸鏈安裝板也不具備取消的條件，只可厚度優(yōu)化。內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板具備取消的條件，并且此零件無(wú)其他特殊功能，因此是整體取消的潛在零件。

    2.4 輕量化的具體方案

    從拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果來(lái)看，內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板是重點(diǎn)減重零件。輕量化方案即是將內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板取消，適當(dāng)修改內(nèi)板中部外加強(qiáng)板的結(jié)構(gòu)，然后對(duì)剩余其它車門(mén)零件進(jìn)行厚度優(yōu)化，使得車門(mén)性能滿足已定的目標(biāo)值。

    第一步即取消零件內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板。此零件初始厚度為1.75mm，質(zhì)量為2.142kg。

    第二步修改內(nèi)板中部外加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，車門(mén)初始狀態(tài)內(nèi)板帶線處結(jié)構(gòu)外視圖如圖7所示，截面圖如圖8所示。從圖中可以看出，內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板上沿與內(nèi)板上沿平齊，使得內(nèi)板帶線剛度加載位置處有兩塊板支撐。取消內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板后，帶線處加載位置就只有內(nèi)板起支撐作用，如此必將導(dǎo)致變形迅速增大。為避免這種情況發(fā)生，必須將內(nèi)板中部外加強(qiáng)板上沿升高，使得其上沿也與內(nèi)板上沿平齊，如此加載位置處仍有兩塊零件支撐。

圖7 初始狀態(tài)內(nèi)板帶線處外視圖

圖8 初始狀態(tài)內(nèi)板帶線處截面圖

    修改結(jié)構(gòu)之后內(nèi)板帶線處結(jié)構(gòu)外視圖(即從車門(mén)外板向車門(mén)內(nèi)板方向看)如圖9所示，內(nèi)板帶線處只剩兩塊鈑金，即內(nèi)板和內(nèi)板中部外加強(qiáng)板圖。截面圖如圖10所示。

圖9 修改結(jié)構(gòu)后內(nèi)板帶線處外視圖

圖10 修改結(jié)構(gòu)后內(nèi)板帶線處截面圖

    2.5 修改結(jié)構(gòu)后的厚度優(yōu)化

    經(jīng)過(guò)拓?fù)鋬?yōu)化取消內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板后，車門(mén)性能可能發(fā)生了變化，因此需要對(duì)車門(mén)系統(tǒng)剩下的零件進(jìn)行厚度優(yōu)化，保證車門(mén)性能不降低。厚度優(yōu)化也采用Optistruct軟件。

    (1)設(shè)計(jì)變量

    厚度優(yōu)化的設(shè)計(jì)變量少了零件內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板，表4中列出了參與厚度優(yōu)化的零件名稱和初始厚度。

    厚度優(yōu)化總共選取了12個(gè)零件作為設(shè)計(jì)變量，每個(gè)設(shè)計(jì)變量的初始值為各板件的初始厚度，各板件厚度下限均設(shè)為0.5mm，上限均設(shè)為3.5mm。

表4 參與厚度優(yōu)化的零件

    (2)約束條件

    為了保證車門(mén)性能達(dá)到已定的目標(biāo)值，厚度優(yōu)化的約束條件不能超過(guò)目標(biāo)值。本次厚度優(yōu)化中，7個(gè)剛度工況的約束條件設(shè)為位移不大于目標(biāo)值，兩個(gè)頻率的約束條件設(shè)為不小于目標(biāo)值，如表5所示。

表5 厚度優(yōu)化的約束條件

    (3)目標(biāo)函數(shù)

    本次厚度優(yōu)化的最終目的是對(duì)車門(mén)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，因此目標(biāo)函數(shù)設(shè)定為使車門(mén)質(zhì)量最小。

    (4)優(yōu)化結(jié)果

    經(jīng)過(guò)Optistruct優(yōu)化計(jì)算后可以得到參與厚度優(yōu)化的零件的最優(yōu)厚度。實(shí)際上零件厚度一般只能精確到小數(shù)點(diǎn)后兩位，因此必須對(duì)軟件厚度優(yōu)化的輸出結(jié)構(gòu)進(jìn)行工程修正，最終結(jié)果如表6。

    車門(mén)初始狀態(tài)質(zhì)量為24.17kg，優(yōu)化后的最終結(jié)果車門(mén)質(zhì)量為22.34kg。減重1.83 kg，或減重7.57%。

表6 厚度優(yōu)化的最終結(jié)果

3 輕量化方案的對(duì)比驗(yàn)證

    3.1 剛度驗(yàn)證

    將修正后的厚度賦予對(duì)應(yīng)的零件，重新計(jì)算修正過(guò)后的模型的剛度。結(jié)果如表7：

表7 剛度驗(yàn)證結(jié)果

    從表7中可以看出，除內(nèi)板帶線剛度降低外其余剛度均比初始狀態(tài)有所提高。內(nèi)板帶線剛度性能雖有較大降低，但由于車門(mén)初始的內(nèi)板帶線剛度性能很高，有非常大的富余，且該方案的內(nèi)板帶線剛度未超過(guò)目標(biāo)值，仍具有減重空間。優(yōu)化后相對(duì)車門(mén)初始狀態(tài)減重1.83kg，減重比達(dá)到7.57%，綜合整體性能來(lái)看，減重效果比較明顯。

    3.2 模態(tài)驗(yàn)證

    將修正后的厚度賦予對(duì)應(yīng)的零件，重新計(jì)算修正過(guò)后的模型的模態(tài)。結(jié)果如表8所示：

表8 模態(tài)驗(yàn)證結(jié)果

    從表8可以看出，整體彎曲模態(tài)頻率比初始狀態(tài)有所提高，整體扭轉(zhuǎn)模態(tài)頻率比初始狀態(tài)稍有下降。

4 結(jié)論

    本文在已知某車門(mén)仿真性能的基礎(chǔ)上（包括剛度性能和模態(tài)性能）借助OptiStruct對(duì)車門(mén)進(jìn)行了拓?fù)鋬?yōu)化，對(duì)拓?fù)鋬?yōu)化的結(jié)果進(jìn)行進(jìn)一步的分析得到了輕量化的初始方案：取消內(nèi)板中部?jī)?nèi)加強(qiáng)板，修改內(nèi)板中部外加強(qiáng)板結(jié)構(gòu)，很多零件的厚度可以減薄。然后對(duì)剩余零件用依然Optistruct進(jìn)行厚度優(yōu)化，從而得到了輕量化的最終方案。

    為了評(píng)價(jià)輕量化方案是否可行，本文最后用有限元方法模擬分析了車門(mén)輕量化后的方案，并與初始性能進(jìn)行對(duì)比，對(duì)比結(jié)果顯示在質(zhì)量減少了7.57%的情況下，剛度和模態(tài)性能均有不同程度的提高。從而可以得出結(jié)論：此輕量化方案可行。

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本文標(biāo)題：基于拓?fù)鋬?yōu)化的某微型車車門(mén)輕量化研究

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