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]:

基于扭轉剛度靈敏度分析的某車型輕量化設計hypermesh學習資料圖片1

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。

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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:

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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:

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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:

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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)。

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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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