基于扭轉剛度靈敏度分析的某車型輕量化設計

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

1 引言
據(jù)統(tǒng)計,汽車每減輕其總質量的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% , 對車身結構進行優(yōu)化設計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[ 2-7]以靈敏度為手段,車身厚度為設計變量,以車身重量最小為優(yōu)化目標,以車身剛度、模態(tài)頻率為約束條件,進行輕量化設計,實現(xiàn)有效減重。

本文以某車型白車身為例,應用Altair公司的優(yōu)化設計軟件OptiStruct,以扭轉剛度靈敏度分析為基礎并應用優(yōu)化算法,在重點保證白車身扭轉剛度和一階扭轉模態(tài)性能的前提下,以車身質量的最小化為目標,通過優(yōu)化各車身零件的厚度,實現(xiàn)減重31 Kg,同時扭轉剛度和尾門框菱形扭轉模態(tài)頻率均有一定程度的提高,最后應用輕量化系數(shù)進行了基于扭轉剛度和一階扭轉模態(tài)的輕量化評價。

2 仿真理論

2.1 靈敏度基本原理

車身結構分析中的靈敏度分析是分析車身結構性能參數(shù)uj(即設計目標)的變化對車身結構設計

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計優(yōu)化模塊提供的優(yōu)化方法中的梯度評估工具進行的,利用此工具可以計算目標函數(shù)對設計變量在某一參考點處的梯度并利用計算差商來代替的,即可求得靈敏度[2]:
Sen(uj/xi)=euj/exi= {uj(X+?xi*e)- uj(X)}/ ?xi…………………………………………(2)
式中,uj 是車身結構性能參數(shù)(目標函數(shù)),X是由參考點的所有車身結構設計參數(shù)組成的向量, xi是車身結構設計參數(shù),?xi是車身結構設計參數(shù)的變化值,e為與X同維數(shù)的向量,且與xi對應的元素為1,其余元素為0。
2.2 優(yōu)化數(shù)學模型
基于車身結構剛度和固有頻率的優(yōu)化問題數(shù)學模型為[ 9]:

變量的下限值與上限值;G ( x, u( x ) ) 為車身輕量化目標;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計優(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。在車身輕量化設計中,根據(jù)N個子系統(tǒng)確定剛度與固有頻率之間的關系,分析計算目標函數(shù)、狀態(tài)變量、約束條件等,實現(xiàn)車身的輕量化設計。

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單元模擬車身實體焊點,采用三角形和四邊形網(wǎng)格單元進行網(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,四邊形單元591092,三角形單元1747個,三角形比例為2.87%,焊點總數(shù)為6557個。鈑金材料屬性: 鋼(Steel),彈性模量(E)=210000MPa,泊松比=0.3,密度=7.9g/mm3。

4 扭轉剛度及靈敏度計算

白車身靜態(tài)扭轉剛度作為白車身性能評價指標中比較重要的一種,用于反映白車身結構最基本的靜態(tài)特性。因為汽車行駛過程中受到車輪作用而產(chǎn)生整車扭轉的情況非常普遍,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。扭轉剛度評價指標一般包括扭轉角、前風窗翹曲度、前中、尾門門框對角線變化量等。

4.1 扭轉剛度計算及結果
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 平動自由度,并約束前防撞梁中心Z向平動自由度;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,扭轉剛度計算計算公式如下:

2)計算結果

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

4.2 靈敏度計算及結果
結構靈敏度是指所關注的結構性能指標對某些結構參數(shù)的變化梯度[10],白車身扭轉剛度靈敏度分析是車身扭轉剛度的變化對車身結構設計參數(shù)變化的敏感性。除了扭轉剛度靈敏度外,為了更加有效地反映車身鈑金單位厚度對扭轉剛度的靈敏度,進行了歸一化處理,得到扭轉剛度相對靈敏度,即扭轉剛度靈敏度與質量靈敏度的比值,它主要體現(xiàn)了厚度對扭轉剛度的貢獻效率。扭轉剛度相對靈敏度有正負號之分,由于質量靈敏度為正,所以其符號與扭轉剛度靈敏度一致。扭轉剛度靈敏度正值表示結構響應位移的變化與板件厚度變化具有相同的趨勢,負值表示相反的趨勢。
靈敏度計算的設計變量為車身板料厚度屬性,本文進行了對稱處理,即左右對稱件放入一個部件中,減少變量數(shù)量,提高計算效率,便于排序處理。計算中共選取了73個零件,以車身的初始設計厚度為初值,設置變量變化范圍 ± 50%。響應函數(shù)為左右前懸架中心點對應的大梁上中心測點的Z向位移絕對值平均值d和白車身全局質量。約束函數(shù)為將約束d定義在一定范圍內。目標函數(shù)設為白車身重量最小。

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

5 輕量化設計
5.1 輕量化評價和技術手段

車身結構的輕量化設計是應用優(yōu)化設計的方法。在保證車身結構性能要求的前提下, 提高材料的利用率,減少冗余的材料,從而達到車身結構輕量化的目的[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為白車身的結構質量(不包括車門和玻璃),單位為kg;Ct為白車身靜態(tài)扭轉剛度(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)。

從該公式可以看出,該系數(shù)為評價基于扭轉剛度的車身輕量化水平,主要用于車身結構類似的車型扭轉剛度對標。從該式還可延伸到基于彎曲剛度、一階模態(tài)評價等,本文基于此進行了基于扭轉剛度和一階菱形扭轉模態(tài)的輕量化評價。

概念階段的輕量化設計,一般運用拓撲優(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合指導來改進車身結構。在詳細設計階段,由于車身結構框架基本成型,在不大幅修改模具的前提下很難進行大的結構更改,因而此階段進行厚度靈敏度優(yōu)化是一種有效的、成本較小的輕量化手段。在保證車身結構性能的前提下,通過對車身板件厚度的重新合理調整分配,實現(xiàn)車身輕量化。

本文就是基于扭轉剛度靈敏度分析,進行了厚度優(yōu)化,從而實現(xiàn)減重設計。

5.2 輕量化方案
對于扭轉剛度相對靈敏度大的板件,進行增厚處理;對于扭轉剛度相對靈敏度小的板件,進行減薄處理。厚度靈敏度優(yōu)化一般還需要綜合考慮扭轉剛度靈敏度和扭轉剛度相對靈敏度。對于某些質量靈敏度貢獻較大,扭轉剛度相對靈敏度小的板件在保證性能的前提下進行減薄,質量減重較多,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度問題。厚度靈敏度優(yōu)化直接得到的結果會產(chǎn)生一些零件的板厚含有多位小數(shù),一般取小數(shù)點后一位有效數(shù)字進行修正。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)格進行有選擇的應用。

本文基于扭轉剛度相對靈敏度對73個零件進行了厚度優(yōu)化,對于靈敏度排名靠前的零件一般進行加厚處理,而對于排名靠后的零件一般進行減薄處理,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 扭轉剛度相對靈敏度前10位的零件厚度及優(yōu)化值

編號

零件名稱

原始厚度

優(yōu)化厚度

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

表4 扭轉剛度相對靈敏度后10位的零件厚度及優(yōu)化值

編號	零件名稱	原始厚度	優(yōu)化厚度
69	油底殼護板	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	上彎梁內件	1.2	1

5.3 輕量化結果

該車型輕量化設計實現(xiàn)減重31 Kg,質量減輕6.94%。優(yōu)化后白車身扭轉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)化后還分別進行彎曲剛度、強度、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)化主要基于扭轉剛度的,扭轉剛度和門框菱形扭轉模態(tài)頻率的提升是在犧牲彎曲剛度的基礎上實現(xiàn)的。不過對于本文車身承載結構而言,更關注扭轉剛度性能, 優(yōu)化后的彎曲剛度仍然滿足設計目標要求。強度方面,輕量化對整體的應力狀態(tài)影響不大,并且對部分高應力區(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、安全碰撞試驗等驗證,滿足設計要求,說明減重是有效的。

6 結語
(1) 本文以某車身扭轉剛度靈敏度分析為基礎,應用車身結構優(yōu)化算法,通過對車身部分零件的厚度進行優(yōu)化, 實現(xiàn)車身輕量化優(yōu)化設計,并通過試驗驗證。
(2) 該車型輕量化設計減重31 Kg,輕量化后扭轉剛度和尾門框菱形扭轉模態(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%,均滿足設計目標要求。
(3) 根據(jù)寶馬公司輕量化系數(shù)概念進行了擴展,并進行了基于扭轉剛度和一階菱形扭轉模態(tài)的輕量化評價。采用OptiStruct軟件對白車身進行輕量化設計,可以在滿足性能的同時實現(xiàn)減重, 該方法簡便有效,可廣泛應用于同類結構的輕量化設計。
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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